Hybrid produksjon: Overlegenhet gjennom kombinerte prosesser

Produksjonsindustrien har fått et tydelig oppsving gjennom økt interesse for hybride produksjonsteknologier, særlig fordi de muliggjør svært effektiv produksjon med økt ytelse. Hybrid produksjon er en samlebetegnelse som omfatter flere nyere utviklinger innen produksjonsprosesser, der prosesser kombineres og integreres med mål om å øke designfriheten, forbedre kvaliteten og redusere produksjonstid. Dette gir grunnlag for utvidelse av produksjonsbasen og flere bruksområder.

Produsenter benytter et bredt spekter av operasjoner for å levere produkter i henhold til industrisektorens spesifikasjoner. Vanlige produksjonsprosesser er Computer Numerical Control (CNC)-maskinering, additiv produksjon, samt formgivende prosesser inkludert forming, sammenføying og separerende operasjoner – særlig sveiseoperasjoner. De siste årene har disse teknologiene nærmet seg hverandre og åpnet nye muligheter for designere og ingeniører.

Hver produksjonsprosess har tilhørende ulemper og begrensninger som er vanskelige å eliminere. CNC-maskinering har på grunn av prosesskompleksitet en høyere grad av utfordring ved fremstilling av kompliserte geometrier, blant annet på grunn av tilgjengelighet for maskinverktøyet. Omfanget av additive produksjonsteknologier er fortsatt begrenset, særlig på grunn av lengre produksjonstid og lavere nøyaktighet sammenlignet med CNC-maskinering. Utviklingen av formingsprosesser er begrenset av tilbakespring (springback) og materialenes begrensede formbarhet. Det er også krevende å kontrollere dimensjonsnøyaktigheten til komponenter under sveiseprosessen.

Utfordringene og prosesskompleksiteten knyttet til eksisterende produksjonssystemer kan løses ved hjelp av hybrid produksjon, som muliggjør integrasjon av mer enn én produksjonsprosess.

Her er noen nyere forskningsresultater fra akademia om hybride produksjonsteknologier

• Kombinasjonen av CNC-maskinering og additiv produksjon kan gi en effektiv løsning på eksisterende prosessbegrensninger i additiv produksjon, blant annet ved økt nøyaktighet og bedre maskineringskapasitet (maskineringshastighet) under prosessen ¹.
• Integrasjon av laserbasert oppvarming og formingsprosesser kan redusere tilbakespring (springback) betydelig ².
• Kombinasjonen av ultralydvibrasjon og boreprosess kan redusere verktøyslitasjen ³.
• Bruk av laserboring sammen med elektrokjemisk maskinering (ECM) gir en betydelig reduksjon i dannelsen av «recast layer» (et lag av resolidifisert materiale) og den varmepåvirkede sonen (HAZ). HAZ er et område av metallet som ikke smelter, men som får endret materialsammensetning som følge av høye prosesstemperaturer ⁴.

La oss se nærmere på to hybride prosesser som allerede er implementert i industrien.

Hybrid additiv produksjon med karbonfiberforsterkning

I 2018 introduserte det tyske kompositt- og ingeniørselskapet CIKONI en hybrid produksjonsteknologi basert på additiv produksjon og karbonfiberforsterkning. De fleste fiberforsterkede additive prosesser bygger på FDM-teknologi, der kort- eller langfiberforsterkning tilføres plastsmelten under printing ⁵.

Ulempen med disse tilnærmingene er at fiberforsterkningen kun kan legges i printplanet. Dette kan gi effektiv støtte i planet for trykk- og strekkrefter, men de fleste komponenter utsettes for tredimensjonal belastning. I tillegg er kostnaden for fiberforsterkede filamenter svært høy, og printehastigheten er lav – noe som gjør kostnadseffektiv produksjon nærmest umulig.

AdditiveCARBONs hybride tilnærming kombinerer derimot uforsterket 3D-printing, som er kostnadseffektiv og skalerbar, med kontinuerlig fiberforsterkning basert på robotisert vikling. Robotføringen muliggjør også fiberforsterkning i rommet, slik at mer komplekse lasttilfeller kan håndteres.

Prinsippet er allerede testet med suksess sammen med den tyske bilprodusenten Audi på et segment av en takramme. Den hybridproduserte komponenten tar opp de underliggende belastningene takket være karbonfiberforsterkningen. Additiv produksjon gir samtidig nærmest ubegrenset geometrisk designfrihet.

3D-printing av elektronikk gjennom kombinasjon med 5-akse maskiner

5-akse fresemaskiner er vanlige maskiner for CNC-maskinering av komplekse geometrier fra ulike bearbeidingsretninger. Optomec i Albuquerque, USA, kombinerer frihetsgradene i en 5-akse maskin med påføring av ledende baner for 3D-printing av elektroniske komponenter.

Motstander, kondensatorer, antenner, sensorer og tynnfilmtransistorer kan dermed produseres direkte på en 3D-overflate ved hjelp av additiv produksjon. Prosessparametrene for påføringen gjør det mulig å stille inn ulike elektriske egenskaper, for eksempel motstand. 3D-printing av elektroniske komponenter er allerede implementert på plast, metall og keramikk.

I prosessen forstøves metallene først til svært små partikler i en forstøver. De oppvarmede partiklene påføres deretter overflaten via en prosesgass. Oppløsninger ned til 10 µm er mulig.

Fordelene ved hybrid produksjon – i form av høyere produktivitet gjennom enklere fremstilling av komplekse geometrier, samtidig som høy effektivitet og nøyaktighet opprettholdes innen kortere produksjonstider – gjør det mulig å videreutvikle potensialet i produksjonsindustrien i nye, hittil lite utforskede områder. Samtidig er det utfordrende i hybride prosesser å håndtere flere prosesser parallelt og å sikre tilgjengelighet av de enkelte teknologiene i nødvendige dimensjoner (størrelse, antall, kvalitet).

Selv om vi i InstaWerk har spesialisert oss på CNC-maskinering og kan levere raske øyeblikkelige pristilbud for CNC-maskinering, vil vi følge utviklingen innen hybride teknologier for å kunne tilby kundene våre enda større merverdi. Allerede i dag kan InstaWerk kombinere CNC-maskinering av komponenter med omfattende varmebehandlinger og overflatemodifikasjoner.

Kilder om hybrid produksjon

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: Additively manufactured roof frame with local carbon fiber reinforcement, 2018.