Akustisk övervakning – är det nyckeln till kommersialisering av laserbaserad additiv tillverkning?

Marknaden för additiv tillverkning är på uppgång. Enligt branschforskningsuppskattningar förväntas den globala marknaden för metall- och polymeradditiv tillverkning, som värderades till 7.17 miljarder euro år 2020, expandera till 19.23 miljarder euro år 2026. Denna tillväxtkurva tyder på en nästan tredubbel ökning inom en period på sex år.

Olika industrier utnyttjar additiv tillverkning för att nå sina produktionsmål. Rapporternas enligt indikerar att flyg-, turbin- och helikoptersektorerna leder utvecklingen och innehar den största andelen. Detta följs nära av en betydande adoption inom den medicinska industrin.

Med den växande marknadsstorleken och ett ständigt expanderande antal tillämpningar har additiv tillverkning diversifierats kraftigt, både i form och tillämpningsområde. En framträdande utveckling inom detta område är laserbaserad additiv tillverkning. I de följande avsnitten kommer vi att fördjupa oss i dess kommersiella potential och den betydande roll som akustisk övervakning kan spela för en framgångsrik tillämpning.

Men innan vi utforskar dessa aspekter mer ingående är det viktigt att först förstå vad laserbaserad additiv tillverkning faktiskt innebär.

Vad är laserbaserad additiv tillverkning?

The MIT Sloan School of Management definierar additiv tillverkning som “processen att skapa ett föremål genom att bygga det lager för lager. Det är motsatsen till subtraktiv tillverkning, där ett föremål skapas genom att skära bort från ett fast materialblock tills den slutliga produkten är färdig.”

Enligt definitionen kan additiv tillverkning innebära vilken process som helst för att skapa en produkt genom att bygga upp något. Men i praktiken avser det tredimensionell utskrift.

Om vi ser på historien om 3D-utskrift började den 1977 när Wyn Kelly Swainson patenterade den riktade användningen av en laser på en bricka nedsänkt i flytande plast, vilket smälte ett lager av fast plast ovanpå. År 1999 3D‑printade forskare vid Wake Forest Institute for Regenerative Medicine en blåsa, vilket blev det första 3D‑printade organet i människans historia. Den första funktionella 3D‑printade möbeln skapades 2005. En mer storskalig industriell användning av 3D‑utskrift var när Boeing lanserade sina FAA‑godkända 3D‑printade titandelar för 787 Dreamliner.

Från den allra första början av additiv tillverkning har laser varit en avgörande komponent. Laser Systems Europe, en publikation baserad i Cambridgeshire för integratörer och användare av industriella lasersystem för materialbearbetning, definierar laseradditiv tillverkning som en process där “en laserstråle används för att smälta eller förena på varandra följande lager av tråd- eller pulvermaterial för att skapa ett 3D‑objekt.”

Tekniken kan tillämpas på ett brett spektrum av material, inklusive högstyrkelegeringar, termoplaster och hartser. Den kan skapa komplexa former med en betydande precision.

Allteftersom teknologin utvecklas kommer laser att spela en avgörande roll i att forma vår framtid. Dess tillämpning återfinns i stor utsträckning inom områden som kommunikation, försvar, hälsa, ren energi/kärnfusion och mer. Detsamma gäller för laserbaserad additiv tillverkning, som också har mångsidiga tillämpningar och många fördelar.

Klicka här för att lära dig hur laser kommer att spela en avgörande roll under de kommande årtiondena när teknologin utvecklas.

Typer och fördelar med laserbaserad additiv tillverkning

Laserbaserad additiv tillverkning kan ha olika typer, inklusive pulverbäddsammansmältning, direkt energideposition, materialjetting, bladlaminering och stereolitografi.

En av dess mest framträdande fördelar ligger i förmågan att skapa komplexa strukturer med optimerade geometrier. Konventionella tekniker för additiv tillverkning lyckas inte uppnå denna nivå av precision.

Den precision som laserbaserad additiv tillverkning erbjuder bidrar till att minska behovet av efterbearbetning. Den minskar materialavfallet till ett minimum och reducerar energiförbrukningen avsevärt jämfört med vad traditionella tillverkningsprocesser kräver.

Laserbaserade additiva tillverkningsprocesser är enkla att automatisera och anpassa efter exakt behov. Metodens precision och automatiserbarhet samverkar för att göra den till en effektiv lösning för snabb prototypframtagning till avsevärt lägre kostnad.

Eftersom laserbaserad additiv tillverkning inte kräver montering kan den skapas exakt i enlighet med efterfrågan, där processen endast använder de nödvändiga materialen utan överskott eller spill. Den gynnar också vår miljö genom att minska koldioxidavtrycket från logistik, transport och avfallshantering.

Tillämpningsområden för laserbaserad additiv tillverkning

Tillämpningen av laseradditiv tillverkning har ett brett omfång. Inom flygindustrin är den till exempel avgörande för att skapa delar som både är högpresterande och lätta. Teknikens fördelar sträcker sig även till bilindustrin, där den används för att producera viktiga komponenter för motorer, växellådor, avgasystem och bromsar.

Därtill har laseradditiv tillverkning en betydande roll inom hälso- och sjukvården, särskilt vid framtagning av patientanpassade komplexa konstruktioner. Detta inkluderar ett antal proteslösningar såsom höft- och knäimplantat samt tandimplantat.

Inom elektronikområdet utnyttjas laseradditiv tillverknings precision för att skapa högprecisionskretskort (PCB). Denna precision möjliggör produktion av elektroniska produkter med finare funktioner, inklusive antenner, sensorer och transistorer.

Teknikens potential är också tydlig i dess tillämpning inom tillverkning av mikroelektromekaniska system (MEMS). Här underlättar den skapandet av intrikata komponenter såsom accelerometrar och gyroskop.

I energisektorn visar laseradditiv tillverkning sig fördelaktig för reparation av gas- och vindturbiners delar. Den spelar också en kritisk roll i tillverkning av komponenter som impellrar, ventiler och värmeväxlare. Trots den mångsidiga användningspotentialen har laseradditiv tillverkning ännu inte blivit tillräckligt kommersialiserad.

Laseradditiv tillverkning: Bristande kommersialisering

En studie från 2016 granskade den empiriska analysen av kommersialiseringsnivåerna för laseradditiv tillverkning. Denna undersökning uppskattade storleken på den globala industriella lasermarknaden, som omfattar alla laserkällor, till omkring US$3,3 miljarder. Och inom denna omfattande marknad utgjorde additiva laserkällor endast en del på US$100 miljoner. Procentuellt utgjorde laserkällor endast 3 % av det totala marknadsvärdet.

Siffrorna kan också bekräftas av kvalitativ information från branschkällor. Till exempel, inom flygindustrin har den regulatoriska miljön hållit användningen av laseradditiv tillverkning i stor utsträckning begränsad till prototyper och den har inte kunnat användas i kommersiella flygplan. På samma sätt har den certifierade användningen av laseradditiva tillverkningsdelar i bilindustrin bara nyligen påbörjats.

Den kommande tillväxten för laseradditiv tillverkning kommer därför att bero på att hitta dess användning i stora tillverkningsindustrier. Dessutom måste den drivas av innovationer som tydligare framhäver dess potential än tidigare.

Akustisk övervakning: En spelväxlare för laseradditiv tillverkning

En huvudorsak till att laserbaserad additiv tillverkning inte har fått den fart den kunde ha är kopplad till problemet med oväntade defekter. Dessa defekter är ofta inte upptäckbara med traditionella metoder, såsom termisk avbildning och maskininlärningsalgoritmer.

Därför är förmågan att effektivt upptäcka defekter i realtid avgörande. Denna förmåga kan avsevärt hjälpa laseradditiv tillverkning att realisera sin verkliga kommersiella potential.

För att förklara kortfattat är akustisk övervakning för att upptäcka defekter i laseradditiv tillverkning en realtidslösning som bygger på skillnaden i ljudet som skrivaren avger under en perfekt utskrift jämfört med en utskrift med fel och oregelbundenheter.

“Vår forskning bekräftar inte bara dess relevans utan understryker också dess fördel jämfört med traditionella metoder.”

Processen är kostnadseffektiv, särskilt när det gäller kvalitetsförbättring av produkter tillverkade med Laser Powder Bed Fusion (LPBF). I LPBF-processen sprids ett lager pulver över en byggplattform. Laserstrålen används sedan för att selektivt smälta pulvret i specifika områden. Efter att sammansmältningen är klar, vilket resulterar i ett fast objekt, sprids ett nytt lager pulver ovanpå igen för att upprepa processen. Denna lager‑för‑lager‑repetition fortsätter tills den slutliga produkten är färdig.

Klicka här för listan över de främsta aktierna inom additiv tillverkning och 3D‑utskrift.

Tekniken för defektdetektion genom akustisk övervakning

EPFL‑teamet utvecklade designen i samarbete med Paul Scherrer Institute (PSI) och de schweiziska federala laboratorierna för materialvetenskap och teknik (Empa).

För att uppnå sitt mål placerade teamet ultrakänsliga mikrofoner inne i utskriftskammaren. Dessa mikrofoner hjälpte till att fastställa tydliga förändringar i det akustiska signalet under regimebyten och så småningom identifiera tillverkningsdefekter.

Forskningen tillförde värde till området laseradditiv tillverkning, då forskarna tror att deras fynd kommer att ha en betydande inverkan på laseradditiv tillverknings industriella tillämpningar, inklusive områdena flyg och precisionsproduktion.

Med tanke på de bredare implikationerna erbjuder många företag som är involverade i laseradditiv tillverkning ett brett utbud av produkter och lösningar. Dessa företag är nu redo att utforska studien vidare för att integrera fördelarna i sina processer. I de följande avsnitten kommer vi att titta på några av dessa innovativa och ledande aktörer inom laseradditiv tillverkning.

Toppföretag som kommersialiserar laserbaserad additiv tillverkning

#1. IPG Photonics Corporation

Två av laseradditiva tillverkningsprocesser använder IPG‑laser: LMD (Laser Metal Deposition) och SLM (Selective Laser Melting). Medan SLM är avgörande för att producera fullständigt täta metalliska delar med förbättrade mekaniska egenskaper, använder LMD‑processen en munstycke för att koaxialt mata pulver in i den fokuserade laserpunkten, vilket underlättar produktionen av fullständigt täta funktionella metallkomponenter.

För att förbättra dessa processer spelar IPG‑fiberlasrar en avgörande roll. De är centrala i utvecklingen av system och processer som uppnår snabbare pulveruppbyggnad eller pulverdepositionshastigheter, särskilt på flera kilowatt effektnivåer.

Det materialutbud som är kompatibelt med IPG:s laseradditiva tillverkningsprocess är särskilt brett, inklusive men inte begränsat till:

• Polymerer
• CoCr
• Aluminium
• Ti‑legeringar
• Rostfritt stål
• Verktygsstål

Som ett bevis på framgången med dessa tekniska framsteg rapporterade IPG Photonics Corporation starka finansiella resultat för året som avslutades den 31 december 2022. Företaget registrerade en omsättning på över US$1,4 miljarder, med ett nettoresultat per vanlig aktie (grundläggande) på US$2,17.

#2. Laser Melting Innovations (LMI) 

Ett innovativt laseradditivt tillverknings lösningsleverantör, LMI, arbetar med visionen att göra teknologin tillgänglig för företag av alla typer och storlekar.

Deras flaggskeppsprodukt, The Alpha 140, använder en luftkyld fiberlaser med 200 W effekt, kompatibel med bearbetning av rostfritt stål, nickellegeringar, verktygsstål och aluminiumlegeringar. Dess fokaldiameter på 140 µm möjliggör precisa utskrifter med fina detaljer och tunna väggar. Dess spindeldrivna axelsystem ger hög positionerings- och repeteringsnoggrannhet.

Systemets dimensioner på 1,75 m × 0,95 m möjliggör platsbesparing i både industriella miljöer och forskningslaboratorier. Komponenter som produceras av Alpha 140 är jämförbara med de som tillverkas av konventionella LPBF‑maskiner när det gäller styrka och densitet.

LMI grundades 1996 och år 2020 inledde de ett samarbete med Kurtz Ersa, en maskintillverkare som också erbjuder additiva tillverkningslösningar till industrier såsom bil, medicin och flyg, för att marknadsföra Alpha 140 via Kurtz Ersas globala distributionsnät med 24‑timmars service.

#3. Prima Additive 

Prima Additive, en division av Prima Industries spa, erbjuder Laser Powder Bed Fusion (LPBF) eller Selective Laser Melting‑lösningar som utnyttjar laserens termiska energi för att smälta en del av ett föremål till ett lager av metallpulver.

Prima Additive‑laserlösningar visar sig effektiva när man arbetar med komplexa geometrier, små batch‑produktionssystem och prototyper. De har totalt fem lösningar.

Print Sharp 150 är effektiv i FoU‑tillämpningar för bearbetning av en mängd material, såsom stål, aluminium, nickel, titan och kobolt‑kromlegeringar.

Vidare, modellen Print Genius 150 utmärker sig genom sin mångsidiga multi‑laser‑teknik. I kontrast använder varianten Print Green 150 en grön laser, vilket är särskilt användbart för bearbetning av rent koppar, kopparlegeringar och mycket reflekterande material.

För större skala är 300 Family‑lösningen perfekt. Den är utformad för högproduktionsscenarier och är idealisk för tillverkning av medelstora och stora komponenter.

Slutligen erbjuder Print Genius 400 ett högautomatiserat alternativ för produktion av stora komponenter upp till 1 meter i höjd.

Ekonomiskt sett rapporterade Prima Industries Spa, moderbolaget till Prima Additive, en nettoomsättning på mer än 327 miljoner euro för de nio månaderna som avslutades den 30 september 2022. Detta var en betydande ökning jämfört med omsättningen på mer än 281 miljoner euro för de nio månaderna som avslutades den 30 september 2021.

Framtiden för laseradditiv tillverkning med akustisk övervakning och mer

Med fortsatt innovation är det bara en tidsfråga innan laseradditiv tillverkning når sin verkliga kommersiella potential. Under tiden träder akustisk övervakning in som ett avgörande verktyg. Denna teknik kommer att bidra till att göra tillverkningstekniker mer konsekventa. Genom att tidigt upptäcka defekter och underlätta deras korrigering är den på väg att avsevärt förbättra produktkvaliteten inom en snar framtid.