Fysikere analyserer sig til bedre 3D-print i metal

3D-print er en for længst kendt og i vidt omfang afdækket teknologi – men ikke alle materialer har lige let ved at finde vej ind i printerne.

Sidste år blev der således på verdensplan solgt godt 300.000 3D-printere til plast mod kun 800 til metal, vurderer Jeppe Skinnerup Byskov, der er afdelingsleder på Teknologisk Instituts sektion for udvikling af 3D-print. Ifølge ham er der en simpel grund til, at metalprintene er langt mindre udbredt:

»Print i plast er bare langt nemmere end print i metal.«

Artiklen fortsætter efter grafikken

Men førend metalprinterne overhovedet kan blive udviklet til produktion i et bredere perspektiv, er der nogle grundlæggende materiale-­fysiske udfordringer, som blandt andre fysikere verden over prøver at løse gennem grundforskning, simuleringer og eksperimenter.

Med sin ph.d. i laserfysik er Jeppe Skinnerup Byskov én af dem, der har øje for de fysiske forhindringer ved metalprint. Han forklarer, at udfordringerne afhænger af, hvordan man printer, og at der i øjeblikket findes tre gængse metoder: elektronstrålesmeltning, laser-cladding og laser-pulverseng-teknologi. Hver med sine fordele og ulemper.

På Teknologisk Institut benytter de sig af sidstnævnte. Her opbygges printet af metalpulver, der smeltes i spor lag for lag ved hjælp af laserstråling. Med første lag svejses printet 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:

»Hele nøglen til succes med 3D-print i metal ligger i at få optimeret print-parametrene,« forklarer Jeppe Skinnerup Byskov.

Parametrene kan være utallige, men oftest vil det kun være laserstrålens hastighed, effekt og afstanden mellem hvert laserspor, der ikke er låst. Af samme grund er det primært her, Teknologisk Institut skruer i forsøget på at optimere.

At ramme den rette porøsitet

At få smeltet de små metalkorn til en solid masse og dermed ramme den rette densitet afhænger af energiafsætningen i metallet og er én af de første udfordringer:

»Oftest er det optimale materiale 100 procent tæt, men afhængigt af materialet opnår de fleste print en tæthed på 95-99 procent og er derfor en smule porøse,« siger Lasse Haarh-Lillevang.

Han er ligesom Jeppe Skinnerup Byskov uddannet fysiker og har beskæftiget sig med laser i forbindelse med sit ph.d.-studie. Viden han bruger hos Teknologisk Institut til at ramme den rette energiafsætning:

»Man kan i første omgang forsøge at regulere effekten af laseren, mens hastigheden holdes konstant,« siger Lasse Haarh-Lillevang og forklarer, at der er to problematiske yderpunkter:

»Her giver for lav effekt porøsitet, fordi metalpulveret ikke smeltes helt i dybden, mens for høj effekt giver risiko for uregelmæssige kugledannelser eller fordampning og deraf følgende turbulens og indespærret damp, der igen fører til porøsitet.«

Fysikeren forklarer, at en anden faktor, der kan reguleres, er laserstrålens hastighed, mens effekten er fastlåst. Men her opstår lignende situationer som ved konstant hastighed og varieret effekt, hvis der afsættes henholdsvis for meget eller for lidt energi.

Varierer man både laserstrålens hastighed og effekt, kan man finde et såkaldt procesvindue, der indikerer det kombinerede hastigheds- og effektinterval, inden for hvilket energiafsætningen i metallet hverken er for høj eller lav, forklarer Lasse Haarh-Lillevang.

Den tredje væsentlige faktor i at kontrollere energiafsætningen og dermed densiteten er afstanden mellem hvert enkelt scanningsspor.

På den ene side skal sporene være tætte nok til, at printet bliver sammenhængende. På den anden side skal der som nævnt ikke afsættes for meget varme i metallet. Derfor laves hvert spor ofte med en smule overlap, der er optimeret til både laserens hastighed og effekt.

Når metallet bliver for spændt

Men hvordan der scannes har ikke kun indflydelse på energiafsætningen – det påvirker også spændingerne i metallet. Undervejs i printningen eller efterfølgende når metallet skæres fri af platformen, kan det begynde at krumme eller slå sig på grund af indre spændinger.

Det kan imødegås ved at printe understøttelse, der fastholder udragende dele af printet, men trods afstivningen opstår der alligevel ofte spændinger i metallet, der afhænger af den såkaldte scanningsstrategi:

»Metalporerne i printet orienterer sig efter afkølingsretningen, så man vil have en ensretning i orienteringen, hvis scanningsmønstret blot er frem og tilbage fra den ene til den anden ende,« forklarer Lasse Haahr-Lillevang:

»På den måde får man en anisotrop spænding i emnet, der kan betyde, at det vil krumme, når det skæres fri af understøttelse og platform.«

Den hurtigste, billigste og derfor oftest anvendte strategi er den, hvor man scanner frem og tilbage i spor med samme orientering. Men her bliver spændingerne også størst. For at opveje det kan man ændre orienteringen 90 grader for hvert lag i printet eller alternativt lade laseren skifte retning løbende, så der scannes på kryds og tværs i små felter i samme lag ligesom på et skakbræt.

Den mindste spænding opnås dog ved et ‘skakbræt’, hvor man springer mellem forskellige felter i printet og ændrer orientering en smule mellem hvert lag, så to på hinanden liggende lag ikke har samme orientering. Dermed er varmen bedst muligt fordelt, og spændingen mindsket i metallet. Avancerede scanningsmønstre som disse er bare ikke lige så tilgængelige.

Udfordrende kobber

Selvom der kan være udfordringer nok i at finde det rette procesvindue for et givent metal, kan ønsket om at opnå en bestemt legering med en kombination af forskellige metaller give andre problemer:

»Rent teknisk er der den udfordring, at nogle af de lette grundstoffer fordamper. Derfor forsøger man at blande overskydende, brugt metalpulver med nyt for på den måde at ende med den rette legering,« forklarer Lasse Haarh-Lillevang.

Lige nu er det også valget af legering, der giver ham sved på panden. Men det skyldes i højere grad arbejdet på et print til forskningscentret Cern i kobber, der er langt mindre kendt og anvendt end eksempelvis stål, aluminium og titanium:

»Første udfordring er at få emnet til at sidde fast på platformen, fordi kobber reflekterer meget af laseren, når metallet er koldt,« forklarer Lasse Haahr-Lillevang:

»Men når det er varmt, absorberer det smeltede kobber varmen. Det er derfor svært at kontrollere energiafsætningen.«

Opgaven for Cern handler, ganske som ved optimeringen af de mere anvendte metaller, om at skrue på de førnævnte parametre, mens Lasse Haarh-Lillevang overvejer at tage platformens temperatur eller metalliske overflade ind som variable.

Ud over det er opgaven et godt eksempel på den slags pilot-produktioner, som Teknologisk Institut håber på at kunne lave for både større og mindre virksomheder. Instituttet arbejder nemlig på at åbne et videncenter med en automatiseret produktionslinje af metalprint, der skal åbne teknologien for flere producenter i fremtiden.