10 teknologiske tendenser, du bør kende: #9: Skaberen af 3D-print satser på metal

En 3D-printer, der står i dit hjemmekontor og spytter komplekse metalliske former ud både billigt og lynhurtigt.

Visionen om sådan en maskine har i tre årtier besnæret udviklerne af 3D-printteknologi, for den spås at kunne revolutionere den måde, vi udvikler og producerer produkter på.

Men mens vi har fået 3D-printere, der kan printe plastik og både er til at betjene samt betale for menigmand, venter vi stadig på det store gennembrud indenfor 3D-print af metal.

3D-print i metal i såvel storskalaformat som i udviklings- samt designproces er derfor fortsat en eksklusiv affære foreholdt industriselskaber med hobe af teknikere, gebommerlige fabrikshaller og millioner af kroner til at spendere på udstyr.

Men sådan vil det ikke være efter 2018, lyder budskabet fra det amerikanske selskab Desktop Metal.

Firmaet falbyder to former for 3D-metalprintere baseret på en tilsyneladende anderledes printteknologi:

• En 3D-printer beregnet til produktion. Den er billigere end konkurrenternes, men er - uanset hvilken konfiguration man foretrækker - immervæk stadig en tocifret millioninvestering. Har du ikke så mange moneter, kan du dog stadigvæk være med.

• En 3D-printer beregnet til prototyper tilbyder selskabet nemlig også. Den koster i den dyreste version 795.000 kroner. Til gengæld får du et helt system med alt til at lave 3D-print hjemme i dit eget hus. Det eneste, der kræves er strøm og en internetopkobling.

’Det vil give designere friheden til at skabe og teste dele med komplekse former, som man ikke nemt kan skabe med andre produktionsmetoder. For eksempelvis et detaljeret aluminumgitter. Det kan gøre ingeniører og materialeforskere i stand til at skabe dele med nye funktioner og egenskaber såsom kombinationen af et magnetisk metal printet klos op af et ikke-magnetisk metal,’ skriver MIT Technology Review i en artikel om Desktop Metal.

Forbeholden dansk modtagelse

Herhjemme er eksperterne indenfor 3D-print nysgerrige men forbeholdne.

»Forventningerne til Desktop Metal er store, men indfrielsen er svær at spå om. Hvis de kommer på markedet med en maskine, der producerer så godt som deres salgsmateriale lover, så er der et marked til dem,« forudser ph.d. i fysik fra Aarhus, Lasse Haahr-Lillevang, overfor Ingeniøren i en pause fra en 3D-print live-konference.

Når han ikke sidder i en konferencesal, befinder han sig hos Teknologisk Institut, hvor han som konsulent i 3D-printproduktion blandt andet knokler med 3D-print opgaver for forskningscentret CERN.

Grund til årvågenhed

At der er grund til at hæfte sig ved Desktop Metal, skyldes særligt tre faktorer:

1. Desktop Metal har allerede høstet over 600 millioner kroner i venturekapital fra prominente selskaber såsom General Electric, BMW og Alphabet – Googlestifternes holdingselskab og konglomerat.

2. Blandt stifterne af Desktop Metal finder vi tre MIT-professorer herunder Chris Schuh, lederen af det tekniske universitets afdeling for materialevidenskab og Emanuel Sachs, som indsendte et af de originale patenter på 3D-print tilbage i 1989.

3. Den grundlæggende udfordring ved 3D-print afhænger af, hvordan man printer. Tre gængse metoder dominerer: elektronstrålesmeltning, laser-cladding og laser-pulverseng-teknologi. Hver metode har fordele og ulemper. Desktop Metals teknik anviser en ny, fjerde vej.

Før vi dykker ned i denne fjerde vej, er det allerførst givtigt lige at kigge på, hvorfor det er så p…svært at producere billigt 3D-print med metal fremfor plastik:

Ultrakort fortalt er det de højere temperaturer, som er påkrævede, når vi skal bearbejde metal fremfor plastik.

Aluminium smelter først ved 660 grader, stål af høj kvalitet ved 1.370 grader og titanium ved 1.668 grader.

At ramme den rette porøsitet

Så gælder det selve printmetoden. Lad os tage laser-pulverseng-metoden, der er ganske udbredt.

Her opbygges printet af metalpulver, der smeltes i spor lag for lag ved hjælp af laserstråling. Printets første lag svejses sammen med og fastholdes derefter af en platform, der oftest er i samme metal som pulveret. Herefter bygges printet op ved, at metallet smeltes netop der, hvor næste spor og lag skal hæftes på det printede element.

Det gør metoden egnet til print af både gitterstrukturer og komplekse geometriske figurer, men fordelene er kun til stede, hvis det lykkes at finde den rette balance mellem metalpulver og laser.

For at få smeltet de små metalkorn til en solid masse og dermed ramme den rette densitet er energiafsætningen i metallet, er bare én af udfordringerne.

Hvis metalpulveret ikke smeltes helt i dybden, er resultatet for lav porøsitet. Omvendt giver for høj effekt risiko for uregelmæssige kugledannelser eller fordampning og deraf følgende turbulens og indespærret damp, der igen også fører til porøsitet.

Undervejs i printningen eller efterfølgende, når metallet skæres fri af platformen, kan metalformen desuden begynde at krumme eller slå sig på grund af indre spændinger.

Desktop Metals to typer af printere anvender imidlertid ikke laserstråling til at sammensmelte metalpulveret. I stedet benytter opfinderne sig af en slags blæk som i en ink-jet printning proces sintrer - altså binder - metalpulveret sammen i tynde lag med dette blæk imellem.

Ifølge Desktop Metal selv er der tale om en helt ny tilgang til måden at 3D-printe metal på. Single Pass Jetting (SPJ) har firmaet selv navngivet denne produktionsform.

Se Single Pass Jetting blive forklaret i selskabets egen video her:

Det er altså blækket, som sintrer metalpulveret med den ønskede facon. Ulempen med denne metode – eller SPJ hvis vi bliver i Desktop Metals termologi – er, at i forhold til de etablerede metal-print-teknologier vil prototyper baseret på SPJ ikke have en 100 procent tæt struktur.

Denne sårbarhed er Desktop Metal åbne omkring – men det gør ikke Lasse Haahr-Lillevang tryg.

»Firmaet siger godt nok, at de er tæt er på en 100 procent tæt struktur, men jeg vil se det, før jeg tror på det.«

Manglende tæthed er akilleshæl

Han mener, at netop den manglende tæthed forårsaget af den specielle sintringsproces er den primære udfordring for Dekstop Metals 3D-printere.

Nogle virksomheder vil automatisk fravælge Desktop Metals, når selskabet ikke leverer 100 procent tætte strukturer. Eksempelvis er bil- og flyindustrien to af de helt store og profitable markeder indenfor 3D-print. Her er der ingen villighed til kompromisser, når det gælder materialeegenskaber.

Oveni fremhæver Lasse Haahr-Lillevang, at ved at anvende Desktop Metals 3D-printsystem risikerer man såkaldt cracking ved sintring.

»3D-printeren laver det, man kalder en grøn part. Den del er meget skrøbelig og bliver først brugbar ved efterfølgende varmebehandling. I printet skal der tages højde for varmebehandlingen for eksempel krymp,« understreger Lasse Haahr-Lillevang.

Men når det er sagt, tror han, at den billige såkaldte skrivebords 3D-metalprinter kan erobre nogle markedsdele, såfremt den indfrier forventningerne.

Blandt andet i form af dens billige pris. Eksempelvis hævder Desktop Metal selv, at deres løsning er ti gange billigere end tilsvarende 3D-printer baseret laserløsninger. Slet og ret fordi lasere bare er en bekostelig komponent i de nuværende andre 3D-print maskiner.

Dertil kommer produktionshastigheden. Desktop Metals printer beregnet til industrien og reel produktion koster et tocifret millionbeløb. Til gengæld kan den ifølge virksomheden printe 8.200 cm3 i timen. Til sammenligning ligger hastigheden på andre 3D-print maskiner til produktion i underkanten af 100 cm3 i timen.

»Printeren til produktion er stadig i den dyre ende, men produktionsprisen kan blive lavere, når man opnår den lovede produktionshastigheder, der bliver op til 100 gangere hurtigere end de nuværende maskiner,« betoner Lasse Haahr-Lillevang.

Lidt for meget delfabrikata

David Bue Pedersen, der forsker i 3D-printere hos Danmarks Tekniske Universitet og opnåede sin ph.d. inden for 3D-print, synes ligesom sin fagfælle hos Teknologisk Institut, at Desktop Metal er ude i et spændende ærinde.

Særligt på grund af den lille prislap på 795.000 kroner for 3D-printeren beregnet til prototyper og opstilling eksempelvis i et hjem eller kontorfællesskab. Men han mener, det er vidtløftigt, når Desktop Metal markedsfører 3D-metalprint med fraser om placering i hjem og på skriveborde. Særlig når der jo er tale om et system bestående af tre dele, hvoraf den mindste del, altså printeren, er på størrelse med en god stor kontorstørrelses kopimaskine

»Sådan en hjemme 3D-printer er altså ikke meget mere desktop end en mikro-bil er mikroskopisk,« lyder det lakonisk fra David Bue i en e-mail til Ingeniøren.

Men David Bues største anke er af teknisk karakter. Han hæfter sig ved, at både 3D-printeren beregnet til prototyper og 3D-printeren beregnet til produktionsøjemed producerer halvfærdige komponenter.

»Komponenter, der stadigt skal udsættes for eksempelvis fræsning, slibning og eller poléring. Der er altså, som i øvrigt er tilfældet for alle tilgængelige metalprintere, tale om delfabrikata,« bemærker David Bue.

Gennembrud:

Hvis Desktop Metals salgssnak er ærlig snak og ikke salgsgas, så rykker 3D-print i metal i begyndelsen af 2018.

Centrale aktører:

Desktop Metal, General Electric, US Army Armament Research, Development and Engineering Center (ARDEC), MIT, Cornell University, Siemens, Objets og Motorola. I Danmark bl.a. Teknologisk Institut, Ceramic Speed og Davinci Development.

Se en grafisk forklaring af hvordan laserpulverseng-teknologi til 3D-print foregår: