Hybridfremstilling: Overlegenhed gennem kombinerede processer

Fremstillingssektoren har oplevet en markant genopblomstring som følge af den stigende interesse for hybridfremstillingsteknologier, især på grund af deres evne til at fremstille produkter på en meget effektiv måde med forbedret ydeevne. Hybridfremstilling er et samlebetegnelse, der omfatter flere af de nyeste udviklinger inden for fremstillingsprocesser, hvor disse processer kombineres og integreres med det formål at øge designfriheden, forbedre kvaliteten og reducere fremstillingstiden. Dette muliggør en udvidelse af fremstillingsgrundlaget og nye anvendelsesområder.

Producenter anvender en bred vifte af operationer for at fremstille de ønskede produkter i overensstemmelse med industrielle specifikationer. Almindelige fremstillingsprocesser er Computer Numerical Control (CNC)-bearbejdning, additiv fremstilling samt formgivende processer, herunder formning, sammenføjning og adskillende processer – især svejsning. I de seneste år er disse teknologier rykket tættere på hinanden og har åbnet nye muligheder for designere og ingeniører.

Hver fremstillingsproces har sine egne ulemper og begrænsninger, som er vanskelige helt at eliminere. CNC-bearbejdning indebærer på grund af proceskompleksiteten en højere grad af udfordring ved fremstilling af komplekse geometriske former, især med hensyn til maskinværktøjernes tilgængelighed. Anvendelsesområdet for additiv fremstilling er fortsat begrænset, især på grund af længere produktionstider og lavere fremstillingsnøjagtighed sammenlignet med CNC-bearbejdning. Udviklingen af formningsprocesser begrænses af tilbagespringseffekten (springback) og materialernes begrænsede formbarhed. Det er desuden en stor udfordring at styre den dimensionelle nøjagtighed af komponenter under svejseprocessen.

De ovennævnte problemstillinger og procesmæssige udfordringer i eksisterende fremstillingssystemer kan løses ved hjælp af hybridfremstilling, som muliggør integration af mere end én fremstillingsproces.

Her er nogle nylige forskningsresultater om hybridfremstillingsteknologier fra den akademiske verden

• Kombinationen af CNC-bearbejdning og additiv fremstilling kan give en effektiv løsning på eksisterende procesbegrænsninger i additiv fremstilling, især med hensyn til forbedret nøjagtighed og bearbejdningskapacitet (bearbejdningshastighed) ¹.
• Integrationen af laserbaseret opvarmning og formningsprocesser kan markant reducere tilbagespringseffekten ².
• Kombinationen af ultralydsvibration og boreprocessen kan reducere værktøjsslid ³.
• Anvendelsen af laserboring i kombination med elektrokemisk bearbejdning (ECM) medfører en betydelig reduktion i dannelsen af genstøbningslag (lag af genstørknet materiale) samt den varmepåvirkede zone (HAZ). HAZ er et metalområde, der ikke smelter, men i stedet gennemgår ændringer i materialesammensætningen under påvirkning af høje driftstemperaturer ⁴.

Lad os dykke dybere ned i to hybridprocesser, som allerede er blevet implementeret i industrien.

Hybrid additiv fremstilling med kulfiberforstærkning

I 2018 introducerede det tyskbaserede kompositingeniørfirma CIKONI en hybridfremstillingsteknologi baseret på additiv fremstilling og kulfiberforstærkning. De fleste fiberforstærkede additive fremstillingsprocesser er baseret på FDM-teknologi, hvor kort- eller langfiberforstærkning tilsættes plastsmelten under printningen ⁵.

Ulempen ved disse tilgange er, at fiberforstærkningen kun kan påføres i printplanet. Dette kan effektivt give støtte i planet for tryk- og trækkræfter, men de fleste komponenter udsættes for tredimensionelle belastninger. Derudover er omkostningerne til fiberforstærkede filamenter meget høje, og printhastigheden er lav, hvilket gør omkostningseffektiv fremstilling næsten umulig.

AdditiveCARBONs hybride tilgang kombinerer derimod uforstærket 3D-print, som er omkostningseffektivt og skalerbart, med kontinuerlig fiberforstærkning baseret på en robotstyret vikleproces. Den robotiske styring muliggør også fiberforstærkning i rummet, så mere komplekse belastningstilfælde kan håndteres.

Princippet er allerede testet med succes sammen med den tyske bilproducent Audi på et tagrammesegment. Den hybridfremstillede komponent bærer de underliggende belastninger takket være kulfiberforstærkningen. Additiv fremstilling muliggør næsten ubegrænset geometrisk designfrihed.

3D-print af elektronik ved kombination med 5-aksede maskiner

5-aksede fræsemaskiner er almindelige inden for CNC-bearbejdning af komplekse geometrier fra forskellige bearbejdningsretninger. Optomec i Albuquerque, USA, kombinerer frihedsgraderne i en 5-akset maskine med påføring af ledende baner til 3D-print af elektroniske komponenter.

Modstande, kondensatorer, antenner, sensorer og tyndfilmstransistorer kan dermed fremstilles direkte på en 3D-overflade ved hjælp af additiv fremstilling. Procesparametrene gør det muligt at indstille forskellige elektriske egenskaber, såsom modstand. 3D-print af elektroniske komponenter er allerede implementeret på plast, metal og keramik.

I processen forstøves metallerne først til meget små partikler i en forstøver. De opvarmede partikler påføres derefter overfladen via en gasstråle. Opløsninger ned til 10 µm er mulige.

Fordelene ved hybridfremstilling i form af forbedret produktivitet gennem lettere fremstilling af komplekse geometrier, samtidig med at høj effektivitet og nøjagtighed opretholdes i relativt korte produktionstidsrum, giver mulighed for yderligere at udnytte fremstillingssektorens potentiale på endnu uudforskede områder. Håndteringen af flere processer samt tilgængeligheden af de enkelte teknologier i de nødvendige dimensioner (størrelse, antal, kvalitet) er dog en udfordring i hybride processer.

Selvom vi hos InstaWerk har specialiseret os i CNC-bearbejdning og kan tilbyde hurtig øjeblikkelig tilbudsgivning på CNC-bearbejdning, vil vi holde øje med hybridteknologier, så vi kan tilbyde vores kunder større merværdi. I øjeblikket er InstaWerk allerede i stand til at kombinere CNC-bearbejdning af komponenter med omfattende varmebehandlinger og overflademodifikationer.

Kilder om hybridfremstilling

1. Liang, H.; Hong, H.; Svoboda, J.; A combined 3d linear and circular interpolation technique for multi-axis CNC machining. Journal of Manufacturing Science and Engineering-Transactions of the ASME, 2002.
2. Duflou, J.R.: Laser assisted incremental forming formability and accuracy improvement. Cirp Annals – Manufacturing Technology, 2007.
3. Heisel, U.: Ultrasonic deep hole drilling in electrolytic copper ecu 57. Cirp Annals – Manufacturing Technology, 2008.
4. Zhang, H.; Xu, J.W.; Wang, J.M.: Investigation of a novel hybrid process of laser drilling assisted with jet electrochemical machining. Optics and Lasers in Engineering, 2009.
5. CIKONI GmbH: Additivt fremstillet tagramme med lokal kulfiberforstærkning, 2018.