Konstruktion gjutna komponenter

Spänningen var stor när det var dags för sjösättning i av den 3D-printade båten den 16 december i Göteborgs skärgård.

– Vi gissade att båten skulle hålla men vi var nervösa in i det sista. Men allt gick till slut som planerat, och båten höll när vi sjösatte den, vilket kanske var det mest kritiska ögonblicket, säger Emil Johansson, forskare och projektledare på RISE.

I slutet av november när båten skapades var det fortfarande osäkert om den skulle klara sjösättningen i Västkustens hårda höstvindar. Det återstår tekniska justeringar, kvalitetssäkringar och certifieringar innan 3D-printade motorbåtar kommer ut på den kommersiella marknaden. Men bara det faktum att Pioner 14 Active, en av Cipax storsäljande fritidsbåtar, har ”skrivits ut”, i ett stycke, i stället för att som vanligt stöpas i en gjutform, är revolutionerande.

– Med den här tekniken får vi långt större frihet i designen av våra båtar. Vi behöver inte längre vara låsta i en form ut utan kan fritt göra justeringar eller tillägg, och sedan enkelt skicka designfilen till printen, säger Dag Eirik R Thomassen, vd på företaget.

Stort intresse för skräddarsydda lösningar

Redan idag finns ett stort intresse för att ”bygga sin egen båt” bland företagets kunder. De kan i dagsläget välja färg, motor, sidoräcken med mera via hemsidan. Med den additiva tillverkningen kan båtarna skräddarsys i en helt annan utsträckning. Om exempelvis en kund vill göra båten 20 centimeter kortare, eller rita in sina barns ansikten i fören som en designdetalj, blir det fullt möjligt.

Andra kunder har mer professionella behov:

– Vi har bland annat polisen, brandförsvaret och försvaret som kunder. Där ser jag hur vi kommer att kunna formanpassa båtar för deras individuella behov av spaningsutrustning, gasmasker och dykutrustning.

Inga gjutformar

En fördel med 3D-printning är att enskilda exemplar kan tas fram utan att kostnaden skjuter i höjden eftersom inga gjutformar behövs. Utmaningen vid 3D-printning kan vara behovet av en hel del stödmaterial och därmed svinn. Men genom att på ett smart sätt anpassa den ursprungliga båtdesignen för 3D-utskrift var det möjligt att tillverka den med mindre än 4 procent genererat materialavfall.

– När den additiva båttillverkningen kommer igång på allvar ser jag att många kunder kommer att välja att köpa designen av oss för att sedan få den tillverkad lokalt, säger Dag Eirik R Thomassen.

Kräver annan typ av plast

Däremot är det en utmaning att uppfylla produktspecifika egenskaper. En fritidsbåt ska exempelvis enligt rådande regler kunna flyta även om den fylls med vatten. Den nu producerade 3D-båten kan nästan leva upp till det, men alltså bara nästan.

– Det beror på materialet. 3D-printning kräver en annan typ av plast, och dessutom att den blandas med glasfiber för att inte kollapsa när den läggs lager på lager. Det gör densiteten något högre, så att den blir högre än vatten. Innan 3D-printade båtar kan säljas kommersiellt behövs antagligen att man tillför någon slags flytkroppar, säger Jan Johansson, forskare på RISE.

Båten har utvecklats i ett samarbete mellan Cipax, ägare av Pioner, och RISE, inom forskningsprojektet DiLAM. Projektet har undersökt nya sätt att tillverka storskaliga produkter med hjälp av industriella robotarmar som flexibla 3D-skrivare. Projektet stöds av VINNOVA, Energimyndigheten och Formas genom Produktion2030.

– Att kombinera 3D-utskrift med industriella robotar och nya material öppnar nya möjligheter för flexibel och resurseffektiv produktion av innovativa storskaliga produkter. Detta är inte bara användbart inom den marina industrin utan även inom fordonsindustrin, konstruktion, flyg- och möbelindustrin, säger Emil Johansson. Genom att erbjuda stöd längs hela värdekedjan, från design till slutlig produkt, vill vi på RISE driva på utvecklingen av additiv tillverkning inom industrin.

Vill ligga steget före

Cipax, som är mest känt för sina behållare och tankar för industrin och transportnäringen, har valt att samarbeta med RISE i utvecklingen av additiv tillverkning för att ligga steget före i konkurrensen. 

– Som industriell aktör vill vi jobba nära den senaste forskningen. Innovation är den viktigaste faktorn om man vill vara en lönsam aktör åren framöver, lyckas med sin produkter och utvecklas i en hög takt, säger Dag Eirik R Thomassen.

Thomassen tror inte att 3D-printade båtar kommer att ersätta de traditionellt framtagna modellerna i dagsläget. Snarare blir de ett komplement. Ett skäl är tidsaspekten. Med gjutform tar det en timma att tillverka en ny båt. 3D-printing tar i dagsläget tre dagar.

Additiv tillverkning har det pratats om sedan 90-talet, men det är först nu när tekniken börjat mogna ordentligt som fler företag känner sig redo att börja använda produktionsmetoden.

Och då går det ofta fel.

– Många företag gör misstaget att ge sig in i additiva tillverkningen utan att först ta fram ett riktigt business case. Man vill testa tekniken och gör det på en viss komponent, eller tar fram en prototyp i ett häftigt material, och drar sen slutsatsen att ”det inte lönade sig”, säger Seyed Hosseini, grundare av Applikationscenter för additiv tillverkning på RISE.

Det är viktigt att ta saker i rätt ordning, menar han. De fem stegen nedan bygger på RISE unika kompetens och erfarenhet längs hela kedjan från idé till verifierad produkt. RISE har varit involverat i additiva tillverkningsprojekt i alla typer av branscher, utvecklat 3D-printing som industriell produktions­metod för bland annat metaller, polymerer, betong, fiber­komposit och sandformar för gjutning – och genomför forskning som bidrar till en effektivare produktionskedja genom digitalisering av produktion, produkt och efterbearbetning.

– Vi kan verkligen de här stegen vid det här laget. Vi kan det för vår egen skull också, vi har gjort hela resan själva, utom det avslutande industrialiseringssteget.

STEG 1. Bygg ett business case baserat på additiv tillverkning

Satsa först bygga ett business case där ni riktar in er på att tillverka en befintlig produkt effektivare, gärna med högre kundvärde. Till exempel lyckades GE Aviation, som tillverkar och hyr ut flygmotorer till flygbolag runt om i världen, att minska bränsleförbrukningen på deras senaste jetmotor GE9X med tio procent. Turbinbladens vikt kunde halveras med hjälp av tekniken och ett material som utvecklats speciellt för ändamålet.

En annan väg in i den additiva tillverkningen är att testa en ny affärsmodell som additiv tillverkning möjliggör.

– Det viktiga är att börja med en strategi från ledningsnivå och räkna på  kostnader och tänkbara nya affärsmöjligheter. Det behöver finnas ekonomi i det från början, säger Seyed Hosseini.

RISE skräddarsyr workshopar som hjälper ledningsgrupper att se, vrida och vända på möjligheterna, undvika dyra misstag och bana väg för att komma in i det additiva tillverkningsparadigmet på bästa sätt.

STEG 2. Kompetensutveckla nyckelfunktionerna

Additiv tillverkning bygger på delvis andra principer än traditionell tillverkning. För att lyckas med den nya tekniken krävs att både produktchefer, inköpare och konstruktörer kompletterar sina befintliga kunskaper och erfarenheter.

– Traditionell tillverkning utgår ofta från att tillverka komponenter med raka kanter som skall passa mot varandra i olika montagesteg. Ofta tillverkar man från ett ämne och skär bort material till dess att man har nått önskad form. Additiv tillverkning utgå istället från den organiska struktur som är mest hållfast eller ger bäst funktion för ändåmålet. Vi har mycket att lära av naturen som utvecklat former och geomtrier för att uttnyttja material så optimalt som möjligt. Att konstruera med dessa nya möjligheter ställer krav på kreativitet, nytänkande och vidareutbildning, säger Seyed Hosseini.

RISE ger utbildningar anpassade för produktchefer, inköpare respektive konstruktörer. Produktchefer lär sig vilka produktegenskaper som går att uppnå med additiv tillverkning, inköpare lär sig kravställa på rätt sätt, och konstruktörer lär sig hur produkter kan konstrueras effektivare, geometriskt friare och materialsnålare.

STEG 3. Utveckla produkten

När det finns en bra business case, och personalen har utbildats i hur de kan ta tillvara på de additiva möjligheterna kommer den utmanande fasen att producera och kvalitetssäkra.

– Ofta krävs här att man behöver ta fram nya material, eller utveckla det material man har använt tidigare. Inom additiv tillverkning finns inte alla material tillgängliga ännu. Här hjälper RISE till att ta fram parametrar för material till 3D-printningen.

I vissa fall kan material behöva bytas ut eller modifieras, i andra fall krävs nya varv vid ritbordet.

STEG 4. Producera

När produkten ska tillverkas medföljer allt som har med produktionen att göra: hälsa och säkerhet, lokalkrav och rätt arbetsmiljö, standardiserade arbetsprocesser, produktionsplanering, efterbearbetning, spårbarhet och ett högt kunnande kring utrustning.

Ett viktigt beslut att fatta här är om den additiva produkten ska tillverkas in-house eller på någon av de servicebyråer som erbjuder additiv tillverkning. En lång rad faktorer behöver vägas in, både ekonomiska och strategiska. Några exempel:

• Hur många exemplar som ska tillverkas. Om man enbart ska tillverka ett fåtal komponenter är det bättre att ta hjälp av kunnandet hos en servicebyrå. De är kvicka att förstå vilken funktion du är ute efter och tillverkar kostnadseffektivt
• Om ditt företag identifierat flera lämpliga komponenter för additiv tillverkning och det finns goda strategiska affärsmöjligheter kan det vara intressant att ha egen tillverkning. Det skyndar på kompentenshöjningen inom företaget och ökar markant möjligheterna.
• Behovet av egen kontinuerlig kvalitetssäkring (större behov = mer talar för in house)

STEG 5: Industrialisera

Inte många företag i Sverige, eller ens i världen, har ännu gått in i en storskalig produktion. Men vi ser ändå att industrialiseringstakten ökar, särskilt för vissa additiva tillverkningsmetoder, såsom PBF (Powder Bed Fusion), Binder jetting, FDM (Fused Deposition Modeling) och SLS (Selective Laser Sintering).

– Siemens i Finspång är ett av de första exemplen. Ett exempel är deras snabba reparationsprocess av brännartoppar till industriella gasturbiner. Istället för att kassera en hel brännare, så skär man bort toppen och med additiv tillverkning bygger upp en ny. På så vis kan man spara väldigt mycket material samtidigt som man kan bygga in nya funktioner såsom kylkanaler för ökad prestanda och längre livslängd. Både tiden men även kostnaden för reparation minskas väsentligt.

– Vad som är viktigt att tänka på när ert företag väl har kommit så här långt är att möta branschspecifika krav och standarder för additiv tillverkning. Eftersom additiv tillverkning är relativt nytt är standarder fortfarande under utveckling.

RISE arbetar med de flesta branscher och följer utvecklingen inom additiv tillverkning. Så hör av er när ni har kommit så långt. Vi hjälper er att lyckas i arbetet med kvalitetssäkringar, processvalideringar och produktcertifieringar.