Additiv tillverkning
Laserpulverbäddsfusion har just blivit mer attraktivt med detta senaste genombrott
Lägg till Securities.io bland dina föredragna källor på Google
Vilken teknik kommer att dominera 3D-utskrift?
Eftersom 3D-utskrift, även kallad additiv tillverkning, alltmer blir en nyckelkomponent i avancerad tillverkning, är det viktigt att ytterligare optimera processen. Detta beror på att 3D-utskrivna delar och komponenter vanligtvis används i mycket krävande tillämpningar, såsom bilmotorer, raketer, militär utrustning osv. Så i dessa omständigheter kan ett fel i en komponent utlösa en katastrofal dominoeffekt.
Detta är något som kommer att vara avgörande för att möjliggöra att industrin går från den nuvarande konsolideringen till att bli den dominerande tillverkningsprocessen över äldre metoder som smälter metall i gjutningar och bearbetning.
En särskild 3D-utskriftsteknik används för precisionsframställning: laserpulverbäddsfusion.
Forskare vid University of Wisconsin-Madison och Argonne National Laboratory har nyligen analyserat processen med avancerad röntgenavbildning och tror att de kan dramatiskt minska de defekter som uppstår under tillverkning. De publicerade sina resultat i International Journal of Machine Tools and Manufacture, under titeln “Avslöjande av mekanismer för minskning av bearbetningsdefekter i laserpulverbäddsfusion via formade strålar med högfrekvent röntgenavbildning1”.
Laserpulverbäddsfusion
Så här fungerar pulverbädds-3D-utskrift: ett lager av pulver som innehåller materialet som används för den additiva tillverkningen deponeras i en behållare. En laser smälter/förångar sedan pulvret i den zon som kommer att bilda det 3D-utskrivna föremålet.
Ett nytt lager pulver deponeras sedan ovanpå, och de delar som behöver smältas och läggas till föremålet riktas återigen in mot lasern. När detta upprepas tillräckligt många gånger kan mycket komplexa former produceras, liksom relativt stora föremål.
Källa: ResearchGate
Du kan se laserpulverbäddsfusion i aktion i den här videon, samt några exempel på vad som kan tillverkas med denna teknik.
Laserpulverbäddsfusion kan användas för att producera föremål i plast, men ännu viktigare i metaller, inklusive titan, stål, kobolt-krom, aluminium osv.
Fördelen med denna metod är att den skapar mycket exakt geometri, med toleranser på +/- 0.2 mm, liknande metallinjektionsgjutning. Den slösar också väldigt lite material, eftersom det oanvända pulvret kan samlas in och återanvändas.
Större delar kan skrivas ut snabbt genom att använda flera lasrar samtidigt, vanligtvis i mer avancerade 3D-skrivardesigner.
Det bör noteras att laserpulverbäddsfusion är en paraplyterm som omfattar flera olika deltekniker:
- Selective Laser Melting (SLM) och Direct Metal Laser Sintering (DMLS), båda varumärkesskyddade processer som använder ett lasersystem för att fullständigt smälta metallpulver.
- Electron Beam Melting (EBM), liknande SLM men med en elektronstråle i en inert atmosfär eller vakuumkammare.
- Selective Laser Sintering (SLS), som använder pulveriserade polymermaterial där lasern endast sintrar partiklarna ihop och inte fullständigt smälter materialet.
Förebyggande av 3D-utskriftsfel
I teorin är additiv tillverkning av metalldelar likvärdig med traditionella gjutna delar. I praktiken kan problem uppstå, såsom porer eller ”tomrum”, ojämna ytor och stora stänk.
Sådana strukturella problem kan leda till att delarna går sönder, vilket inte är acceptabelt i kritiska tillämpningar.
“Eftersom vi förstod de underliggande mekanismerna kunde vi snabbare identifiera rätt bearbetningsförhållanden för att producera högkvalitativa delar med den ringformade strålen.”
Lianyi Chen – biträdande professor i maskinteknik vid UW-Madison
Ringformad laserstråle
Den första förändringen forskarna gjorde i sin 3D-utskriftsdesign var att ersätta den vanliga laserstrålen med en ringformad laserstråle, levererad av ett laserföretag som heter nLight, som skapar semiconductorlasrar.
Denna annorlunda form skapar en bättre cirkulation av det smälta metallen i smältpoolen och mindre vågor på ytan av det nybildade föremålet. Stänken är också mindre stor och färdas kortare avstånd.
Matchning av modell och observationer
Forskarna bekräftade dessa observationer genom att använda Argonne National Laboratories högenergi-synkrotronröntgenanläggning. De använde den för att skapa högfrekventa ögonblicksbilder av 3D-utskriftsprocessen, vilket gjorde det möjligt för forskarna att kontrollera om deras matematiska modell simulerade verkligheten korrekt.
Snabbare 3D-utskrift
Forskarna lyckades också få den ringformade strålen att tränga djupare in i pulvret utan att skapa mer instabilitet. Detta resulterade i tjockare lager utan att försvaga den färdiga produkten.
Eftersom produktionen i slutändan kräver färre lager, påskyndar detta tillverkningen och ökar maskinens totala produktivitet.
Exempel på pulverbäddsfusion
Denna typ av arbete är långt ifrån bara en akademisk demonstration. Det kan förbättra pulverbädds-fusionsmaskineriet som redan används i industrin. Ett bra exempel är inom flygteknik, med bränslenöret på General Electrics GE9X-motor, som används på Boeing 777-flygplan.
GE9X är den största turbofan-motorn som produceras, och det additivt tillverkade röret är fem gånger mer hållbart än tidigare versioner.
Det bör noteras att sådana utvecklingar fortfarande är mycket nya, med GE9X-designen godkänd av FAA först 2020.
Även en högre kvalitet på pulverbädds-fusionsprocessen, samt en snabbare sådan, kan förbättra designen ytterligare samtidigt som kostnaderna minskar.
Framtiden för 3D-utskrift?
Mot dominans inom avancerad tillverkning
Vi har tidigare diskuterat hur 3D-utskrift konsolideras till framtidens tillverkning.
Detta är sant inom avancerad tillverkning som biomedicinska implantat eller flygteknik. Allt eftersom kvaliteten på additivt tillverkade delar förbättras, kommer detta sannolikt att bli den dominerande tillverkningsmetoden i så krävande industrier.
Detta kommer sannolikt även att gälla för robotik, tillverkning i omloppsbana, eller till och med holografisk 3D-utskrift direkt i våra kroppar.
Mot fler tillämpningar
En annan förändring kommer att ske när 3D-utskrift blir billigare.
Detta beror delvis på ökad användning, eftersom fler producerade 3D-skrivare skapar stordriftsfördelar och minskar kostnaderna för maskinen och deras råmaterial.
En annan faktor är teknologiska förbättringar. Den kan optimera användningen av råmaterial (minskar driftskostnader) eller producera delar snabbare (minskar kapitalkostnader).
Detta kan inkludera tjockare lager med ringformade lasrar som i denna studie. Eller kanske använda 2 lasrar samtidigt. Och även 3D-utskriven elektronik att lägga till de 3D-utskrivna materialen och delarna.
Investera i 3D-utskrift
3D-utskrift når nu teknologisk mognad samt marknadskonsolidering. Detta ger investerare lite mer insyn än tidigare och bekräftar att teknologin är långt ifrån en fad och är här för att stanna.
Du kan investera i företag relaterade till 3D-utskrift via många mäklare, och du kan på denna webbplats hitta våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Kanada, Australien, Storbritannien, såväl som många andra länder.
Om du inte är intresserad av att välja specifika 3D-utskriftsföretag kan du även titta på ETF:er som ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) för att dra nytta av tillväxten i den additiva tillverkningssektorn som helhet.
Eller konsultera våra artiklar “Top 10 Additive Manufacturing And 3D Printing Stock to Watch“, och “Top 10 Nanotechnology Stocks“.
Företag för ringformade lasrar
LASR Prisdiagram
Hittills har vinnarna inom 3D-utskriftsteknik främst varit 3D-skrivarproducenterna och slutanvändarna. Tillverkarna av enskilda delar till 3D-skrivarna är svårare att investera i, eftersom de flesta förlitar sig på relativt standardiserade komponenter som standardiserade lasrar.
Detta är inte fallet med den innovation som diskuteras här, där ringformade lasrar är en ny utveckling som kanske just har hittat en banbrytande tillämpning.
Forskarna använde en laser producerad av nLight, närmare bestämt den kontinuerliga vågformen (CW) AFX1000 fiberlaser.
Den mångsidiga paletten av strålinställningar möjliggör bearbetning av alla metaller utan kompromisser. Vid skärning ger dessa fiberlasrar CO2-liknande kantkvalitet för tjock metall och hastighetsfördelarna med fiberlasrar för tunn metall – allt med pålitligheten och låga ägandekostnaden för fiberlasrar.
Denna laser kan modifiera ringens form för att möjliggöra mer eller mindre fin 3D-utskrift och komplexa geometrier.
Källa: Trokut Solutions
Företaget hade sett sina intäkter växa stadigt från 2016 till 2021, för att sedan drabbas av en nedgång som huvudsakligen orsakades av minskade försäljningar i Kina. Detta berodde sannolikt på de ökande handelsspänningarna mellan Kina och väst samt konkurrens från kinesiska inhemska laserproducenter.
Med för närvarande 95 % av kunderna utanför Kina är det osannolikt att detta fortsätter påverka företaget framöver.
Källa: nLight
De blandade resultaten är en reflektion av denna förändring, med industriella försäljningar som minskade kraftigt 2024, medan segmenten för mikrofabricering och flygindustrin blomstrade.
Källa: Trokut Solutions
Den senaste försäljningsnedgången har lett till att kassaflödet från verksamheten åter föll in i negativt territorium 2024. Men om tillväxttrenden inom flygindustrin och mikrofabricering/3D-utskrift fortsätter, drivet av den generella tillväxten i dessa sektorer och nLights unika teknologiska fördel, bör nLight återgå till lönsamhet.
Studierreferens:
1. Yuan, J., Guo, Q., Clark, S. J., Escano, L. I., Nabaa, A., Qu, M., Huang, J., Li, Q., Román, A. J., Osswald, T. A., Fezzaa, K., & Chen, L. (2025). Avslöjande av mekanismer för minskning av bearbetningsdefekter i laserpulverbäddsfusion via formade strålar med högfrekvent röntgenavbildning. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 204, 104232. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104232
