Online CNC-bearbetning
utförd på rätt sätt.

Hybridtillverkning: Överlägsenhet genom kombinerade processer

Tillverkningssektorn har fått ett tydligt uppsving genom det ökade intresset för hybridtillverkningstekniker, särskilt tack vare deras förmåga att tillverka produkter på ett mycket effektivt sätt med förbättrad prestanda. Hybridtillverkning är ett samlingsbegrepp som omfattar flera av de senaste utvecklingarna inom tillverkningsprocesser, där dessa processer kombineras och integreras i syfte att öka designfriheten, förbättra kvaliteten och minska tillverkningstiden. Detta möjliggör en utvidgning av tillverkningsbasen och nya användningsområden.

Tillverkare använder ett brett spektrum av operationer för att producera de produkter som krävs enligt industrins specifikationer. Vanliga tillverkningsprocesser är datornumerisk styrning (CNC-bearbetning), additiv tillverkning samt formgivande processer inklusive formning, sammanfogning och delningsprocesser, särskilt svetsning. Under de senaste åren har dessa teknologier närmat sig varandra och öppnat nya möjligheter för konstruktörer och ingenjörer.

Varje tillverkningsprocess har sina specifika nackdelar och begränsningar som är svåra att helt eliminera. CNC-bearbetning innebär på grund av processens komplexitet en högre svårighetsgrad vid tillverkning av komplexa geometriska former, främst på grund av maskinverktygens åtkomlighet. Tillämpningsområdet för additiv tillverkning är fortfarande begränsat, särskilt på grund av längre produktionstider och lägre tillverkningsnoggrannhet jämfört med CNC-bearbetning. Utvecklingen av formningsprocesser begränsas av återfjädringseffekter och materialens begränsade formbarhet. Det är dessutom en stor utmaning att säkerställa dimensionsnoggrannhet hos komponenter under svetsprocessen.

De ovan nämnda problemen och processrelaterade utmaningarna i befintliga tillverkningssystem kan lösas genom hybridtillverkning, som möjliggör integration av mer än en tillverkningsprocess.

Här är några aktuella forskningsresultat kring hybridtillverkningstekniker från akademin

• Kombinationen av CNC-bearbetning och additiv tillverkning kan ge en effektiv lösning på befintliga processbegränsningar inom additiv tillverkning, särskilt vad gäller förbättrad noggrannhet och bearbetningskapacitet (bearbetningshastighet) under processen ¹.
• Integrationen av laserbaserad uppvärmning och formningsprocesser kan avsevärt minska återfjädringsfenomenet ².
• Kombinationen av ultraljudsvibrationer och borrning kan leda till minskat verktygsslitage ³.
• Användningen av laserborrning i kombination med elektrokemisk bearbetning (ECM) leder till en betydande minskning av bildandet av omgjutningsskikt (återstelnat material) och den värmepåverkade zonen (HAZ). HAZ är ett område i metallen som inte smälter utan i stället genomgår förändringar i materialsammansättning under påverkan av höga driftstemperaturer ⁴.

Låt oss fördjupa oss i två hybridprocesser som redan har implementerats inom industrin.

Hybrid additiv tillverkning med kolfiberförstärkning

År 2018 introducerade det tyskbaserade kompositteknikföretaget CIKONI en hybridtillverkningsteknik baserad på additiv tillverkning och kolfiberförstärkning. De flesta fiberförstärkta additiva tillverkningsprocesser bygger på FDM-teknik, där kort- eller långfiberförstärkning tillförs plastsmältan under utskrift ⁵.

Nackdelen med dessa metoder är att fiberförstärkningen endast kan appliceras i utskriftsplanet. Detta kan effektivt ge stöd i planet för tryck- och dragkrafter, men de flesta komponenter utsätts för tredimensionella belastningar. Dessutom är kostnaden för fiberförstärkta filament mycket hög och utskriftshastigheten låg, vilket gör kostnadseffektiv tillverkning nästan omöjlig.

AdditiveCARBONs hybrida metod kombinerar däremot oförstärkt 3D-utskrift, som är kostnadseffektiv och skalbar, med kontinuerlig fiberförstärkning baserad på robotiserad lindningsprocess. Den robotiserade styrningen möjliggör även fiberförstärkning i rymden, vilket gör att mer komplexa belastningsfall kan hanteras.

Principen har redan framgångsrikt testats tillsammans med den tyska biltillverkaren Audi på ett takramsegment. Den hybridtillverkade komponenten bär de underliggande lasterna tack vare kolfiberförstärkningen. Additiv tillverkning möjliggör nästan obegränsad geometrisk designfrihet.

3D-utskrift av elektronik genom kombination med 5-axliga maskiner

5-axliga fräsmaskiner är vanliga inom CNC-bearbetning av komplexa geometrier från olika bearbetningsriktningar. Optomec i Albuquerque, USA, kombinerar frihetsgraderna hos en 5-axlig maskin med applicering av ledande banor för 3D-utskrift av elektroniska komponenter.

Motstånd, kondensatorer, antenner, sensorer och tunnfilmstransistorer kan därmed genereras direkt på en 3D-yta med hjälp av additiv tillverkning. Processparametrarna för appliceringen gör det möjligt att ställa in olika elektriska egenskaper, såsom resistans. 3D-utskrift av elektroniska komponenter har redan implementerats på plast, metall och keramik.

I processen finfördelas metallerna först till mycket små partiklar i en atomiserare. De uppvärmda partiklarna appliceras därefter på ytan via en tryckt gas. Upplösningar ned till 10 µm är möjliga.

Fördelarna med hybridtillverkning i form av förbättrad produktivitet genom enklare tillverkning av komplexa geometrier, samtidigt som hög effektivitet och noggrannhet bibehålls under relativt korta produktionstider, gör det möjligt att vidareutveckla den befintliga tillverkningssektorns potential inom ännu outforskade områden. Samtidigt är hanteringen av flera processer och tillgången till de enskilda teknologierna i rätt dimensioner (storlek, antal, kvalitet) en utmaning i hybrida processer.

Även om vi på InstaWerk har specialiserat oss på CNC-bearbetning och kan erbjuda snabb direktkalkylering för CNC-bearbetning, kommer vi att följa utvecklingen av hybridteknologier för att kunna erbjuda våra kunder ett större mervärde. För närvarande kan InstaWerk redan kombinera CNC-bearbetning av komponenter med omfattande värmebehandlingar och ytmodifieringar.

Källor om hybridtillverkning

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 tillverkad takram med lokal kolfiberförstärkning, 2018.