3D-printning av sandformar och -kärnor | Omvärldsanalys
Att 3D-printa sandformar och sandkärnor är en teknik som ständigt utvecklas och som blir allt viktigare för gjuteriindustrin.
Det pågår mycket inom området och utvecklingen sker snabbt. Därför är det viktigt att noga följa händelseutvecklingen så att svensk gjuteriindustri inte hamnar på efterkälken.
Det är viktigt att både följa med i utvecklingen av själva tekniken och att förstå vilka nya designmöjligheter den leder till, samt att vara förberedd när det är ekonomiskt lämpligt att använda tekniken för serieproduktion. Projektet syftar till att fortsatt omvärldsbevaka tekniken och kartlägga vad som sker hos leverantörerna av 3D-tekniken. Det är även viktigt att fortsätta det arbete som påbörjats i tidigare projekt med att ta fram guidelines för konstruktion och design så att 3D-printade formar och kärnor kan användas så optimalt som möjligt.
Simulering av gjuteriprocessen har underlättat mycket för förståelsen av vad som händer under formfyllnad och stelning.
Det är idag ett standardverktyg för bedömning av hur en gjuten detalj kommer att se ut och var någonstans de största riskerna för defekter finns.
. Sedan många år finns också simulering av kärnskjutning och kärngasning, och några företag har provat att använda tekniken. I samband med ett tidigare forskningsprojekt studerades också simulering av råsandsformning, och en internationellt aktiv forskare höll ett föredrag om detta på en av våra svenska konferenser.
Under de senaste åren har dock inte särskilt mycket arbete inom området utförts hos oss. Det här projektet syftar till att kartlägga dagens kunskapsnivå inom området simulering av formar och kärnor för att ”kratta manegen” för kommande aktiviteter – och i förlängningen kanske göra tekniken lika vanlig och viktig som stelningssimulering är idag.
Under våren har en grupp inom Gjuteriföreningen arbetat med en gemensam projektansökan på temat hållbar produktion, Gjutna produkter med resurseffektiva tillverkningsprocesser och affärsmodeller (GRETA).
Bakgrunden är att det under 2019 års strategidagar i slutet på året fördes fram ett antal projektförslag på samma tema. Gjuteriföreningen tog då initiativet till att satsa på ett sammanhållet, långsiktigt arbete där egna forskningscheckar utgör en basfinansiering.
Projektet byggs upp av tre delar. ”Resurseffektiv energianvändning” undersöker hur energianvändningen kan optimeras för en given gjuten produkt och en given framställningsprocess. ”Resurseffektiva materialflöden” utgår från en given gjuten produkt och söker förutsättningar att optimera framställningsprocessen med avseende på råvaruanvändning, materialoptimering, utbyten och cirkulering av metall och tillsatsämnen. I ”Resurseffektiv produktdesign” vidgas perspektivet genom att den gjutna produktens användningsfas inkluderas i diskussionen.
Projektet pågår under tre år och kommer att involvera samtliga medlemsföretag, flera delar av forskningsinstitutet RISE samt forskare vid Jönköping University. En ansökan om kompletterande finansiering behandlas i skrivande stund av Vinnova.
Två stålgjuterier och en komponenttillverkare har tillsammans genomfört en förstudie på temat Återtillverkning av gjutna komponenter genom pågjutning.
Här gavs företagen möjlighet att pröva ett helt nytt produktkoncept med stor potential för framtida tillväxt, ett cirkulärt koncept för slitdelar.
Idén är att komplexa gjutna komponenter återtillverkas i många cykler genom upprepad pågjutning av nya funktionsskikt. Detta förutsätter en affärsmodell där användaren genom en kontrollerad rutin returnerar nedslitna men väldefinierade komponenter till tillverkaren i ett cirkulärt system. Grundläggande praktiska tester av gjuttekniska begränsningar i pågjutningssteget samt vidhäftningsförmåga och resulterande materialegenskaper kunde göras i förstudien och ett antal tekniska utmaningar har definierats. Produktions- och affärsmodeller för återtillverkade gjutna komponenter visar att konceptet har god potential och skulle kunna leda till ökad användning av gjutna komponenter i komplexa applikationer och optimerad resursanvändning i hela värdekedjan.
Deltagande gjuterier var Smålands Stålgjuteri och Österby Gjuteri och projektledare Åsa Lauenstein. Gruppen tittar nu på möjligheterna att formera ett större fortsättningsprojekt där konceptet breddas till flera olika slutapplikationer.
Projektet finansieras av Vinnova inom det strategiska innovationsprogrammet Metalliska material.
Simulering och virtuell optimering är ett viktigt område i Gjuteriföreningens agenda. AVSLUTAD
För att kunna förlita sig på simuleringsverktyg krävs att simuleringsverktyg verifieras mot verkliga komponenter samt att erfarenheter från produktion förs tillbaka till simuleringsverktyget.
Detta för att förbättra verktygets precision samt anpassa verktyget efter varje gjuteris specifika förutsättningar. Det är idag vanligt att stor vikt läggs på att studera krympporositet vid gjutsimulering. Det finns dock många fler defekttyper som uppkommer vid gjutning och som dessutom är lättare för gjuterier att upptäcka i ett tidigare skede men som inte är fullt implementerade som resultatfält i mjukvarorna för gjutsimulering. Dessa defekter är med all säkerhet inte så lättdefinierade. I förstudieprojektet kommer därför erfarenheter utbytas och dokumenteras och kunskapsnivån om dessa defekter och hur de kan simuleras höjas.
Målet med förstudieprojektet är att samla in information, dels från litteraturen dels från deltagande företag, gällande förekommande flödesrelaterade defekter och hur dessa i dagsläget kan simuleras med förekommande gjutsimuleringsmjukvaror. Förstudien skall även identifiera behovet av framtagning av simuleringskriterium för viktiga flödesrelaterade defekter hos branschen.
Deltagande företag Xylem, SKF Mekan, Scania, Volvo, Holsbyverken, Novacast
Projektet kommer löpa från 2020-08-01 till 2020-11-30
Produktionen av gjutgods går mot allt mer komplicerade produkter. AVSLUTAD
Istället för att tillverka formar och kärnor genom att komprimera sand mot modeller eller skjuta sand in i kärnlådor, ger printning av formar och kärnor nya möjligheter till konstruktion, utan de begränsningar som den traditionella framställningen har.
Idag använder 3D-printertekniken oftast ren kvartssand med mycket fina korn och komprimerade kornstorleksfördelning. De bindemedel som finns tillgängliga idag baseras på något av de tre systemen syrahärdad furan, ester- eller värmehärdad fenol samt oorganiskt natriumsilikat (vattenglas). De svenska erfarenheterna visar att de två förstnämnda fungerar utmärkt vid järn- och stålgjutning, medan den tredje inte riktigt har fått större fäste här. s
Det finns luckor i kunskapen kring användningen av printade kärnor. I teorin borde natriumsilikat fungera bra vid gjutning av övriga metaller, men erfarenheter saknas. I praktiken har det också visat sig att printade furanformar bryts ned vid betydligt lägre temperaturer än tidigare erfarenheter vittnar om.
Det här projektet syftar till att utvärdera egenskaperna hos printade kärnor vid metallgjutning. Kärnornas funktion vid gjutning av mässing, aluminium, zink samt eventuellt magnesium kommer att utvärderas. Kärnor av åtminstone tre bindemedelssystem beställs från ExOne och/eller Voxeljet för utvärdering. Eventuella gasdefekter i metallen, godsets ytor, kärnornas hanteringsegenskaper och urslagningsegenskaper utvärderas. Provgjutningarna görs i såväl mindre som i större kokiller.
Projektet är en förstudie som syftar till att undersöka och utvärdera möjligheten att framställa gjutna komponenter i nya lättviktsstål. AVSLUTAD
Svensk industri skulle på detta sätt i direkt samarbete med inhemska leverantörer få tillgång till nya möjligheter att framställa lastbärande lättviktskonstruktioner. Lättviktsstålen innehåller höga halter aluminium vilket ger upp till 18% lägre densitet medan övriga legeringsämnen ger en komplex struktur som kan värmebehandlas till en unik kombination av både hög seghet och hög hållfasthet. Materialet är dessutom omagnetiskt och har goda korrosionsegenskaper. Legeringarna är under utveckling både i valsat och gjutet tillstånd. De kommersiella applikationerna är dock fortfarande få.
Det finns mycket metall i omlopp i form av komponenter som kan återvinnas för tillverkning av nya komponenter. AVSLUTAD
I metallen som finns ute i form av komponenter, och/eller i samband med återvinning, finns alternativt anrikas oönskade element. Mässing har historiskt legerats med bly som idag är ett oönskat grundämne på grund av toxikologisk aspekt. Ur ett miljöperspektiv skall bly fasas bort från legeringarna när produkter tillverkas och skall användas i olika byggnationer. Bly behövs inte i den omfattning som tidigare varit praxis när legeringsutveckling och tillverkningsmetoder utvecklats både för gjutning och skärande bearbetning.
Vid återvinning av aluminium anrikas järn, järn bildar, tillsammans med andra element, intermetalliska faser som reducerar framförallt duktiliteten av den gjutna komponenten. För att öka prestandan på återvunnen aluminium skulle en sänkning av järnhalten vara gynnsam. Den idag enda metoden som används i stor skala i syfte att sänka järnhalten i återvunnen aluminium är utspädning med aluminium med lägre järnhalt, företrädelsevis primär aluminium.
Efter en första, mindre, litteratursökning har det kunnat konstateras att det gjorts en hel del forskning om rening av aluminium från järn. Metoderna bygger företrädelsevis på, filtrering, elektromagnetism, sedimentering och flotation. Dock är det osäkerheter kring hur metoderna fungerar i stor skala.
Målet är att finna industriellt tillämpbara metoder, alternativt potentiella metoder, för att rena återvunnen mässing från bly respektive återvunnen aluminium från järn. Målet kommer att nås via litteraturstudier.
I Sverige finns en lång och obruten tradition av stålframställning i stor skala och hög kompetens finns tillgänglig för anpassning och optimering av hållbara produktionsprocesser och analys- och kontrollmetoder för stål. AVSLUTAD
Det är dock inte trivialt att överföra stålverkens erfarenheter till komponentgjuterier eftersom mindre tillverkningsvolymer och mer komplexa produktgeometrier ändrar förutsättningarna.
Syftet med genomförbarhetsstudien är att kartlägga vilka aktuella forsknings- och utvecklingsområden inom svenska stålverk som lämpar sig för överföring till komponentgjuterier. Exempel på tänkbara prioriterade områden är processteg som chargering, smältabehandling och värmebehandling respektive analysmetodiker som provtagning, chargekontroll, termisk analys och kontroll av inneslutningar.
3D-printade sandformar bygger på ny teknik för gjutare och gjutgodsköpande kunder, därför behövs insatser för att utveckla tillverkande företags och kunders förståelse för möjligheter och begränsningar med 3D-printning. AVSLUTAD
Aktiviteter för att lära om begränsningar och möjligheter krävs samt insatser för att bygga förståelse kring kostnader och ledtider vid användning av 3D-printade sandformar. För att bygga förståelse krävs bevakning av utvecklingen inom 3DP-området kring sandprintning. Då tekniken är relativt ny är utvecklingstakten hög finns ett behov av regelbundna omvärldsanalyser samt uppbyggande av guide-lines kring hur man lämpligast designar för att optimera tillverkning av sandformar.
Gjuteriindustrins branschagenda framhåller digitaliseringens betydelse för en konkurrenskraftig och hållbar produktion. AVSLUTAD
Ett framgångsrikt utnyttjande av digitaliserade processer, bearbetning av stora datamängder och artificiell intelligens är förutsättningar för att leverera reproducerbara resultat och för att bättre kunna utnyttja material och nya designmöjligheter.
Förstudien som genomfördes mellan april och oktober 2019 föreslår två konkreta projektarbeten:
Kartläggning för att praktiskt koppla gjuteri, mätning, digitalisering och affärsnytta (ekonomi, kvalitet och hållbarhet)
Effektiv dataanvändning
Projektarbete 1 kan med fördel genomföras som en kombination av utbildningsinsats, praktiskt arbete på enskilda gjuterier, samt utveckling av en handbok.
Projektarbete 2 handlar om en tyngre forskningsinsats, som kombinerar analys av prioriterade affärsbehov och avancerad praktisk dataanalys. Detta är därför tänkt att i huvudsak genomföras som först en projektansökan till lämplig finansiär, och sedan som ett praktiskt forskningsarbete.
Att få ur kärnorna ur gjutgodset kan vara problematiskt. AVSLUTAD
Kärnan ska kunna hålla sin form medan metallen stelnar, men samtidigt ska den heta smältan bryta ned bindemedlet så pass mycket att sandkornen lossar från varandra och kan tömmas ur godset. Med den begränsade temperaturpåverkan man har vid metallgjutning kan urslagning ofta vara ett bekymmer för processeffektivitet och godskvalitet.
Det här projektet syftar till att kartlägga nya material och tekniker som kan användas för att förbättra urslagning av kärnor. Exempel på nya material för kärnor kan vara varianter av mer traditionella additiver, salt eller inblandning av salt i kärnsand samt kärnor som härdas med elektricitet.
De mest intressanta materialen vill vi testa i projektgruppens egna processer. Ny teknik kan vara förbättrade urslagningsutrustningar, som i sig kan vara svåra att testa praktiskt i detta projekt, men ändå förtjänar att nämnas i en rapport om ämnet.
Alla gjutstål värmebehandlas. Värmebehandlingen ger stålet sina slutliga egenskaper och bra värmebehandlingsrutiner är därför nödvändiga. AVSLUTAD
Samtidigt är värmebehandlingen en komplex process i flera steg där temperatur, hålltider kan varieras och resultatet beror på stålets sammansättning, gjutdetaljens utformning, batchstorlek ugnstyp mm. Hur styrningen av ugnar görs har också en avgörande roll. I ett tidigare projekt, finansierat av energimyndigheten, undersöktes hur mycket hålltiderna vid värmebehandling kan kortas för att spara energi och utan att egenskaper påverkas. Dessa nya rutiner har sedan införts hos de stålgjuterier som deltog i projektet. För flera stål är värmebehandlingsparametrarna mindre kritisk för de slutliga egenskaperna, medan för andra, främst höghållfasta stål, är rätt värmebehandling extra kritisk för slutresultatet. Optimalt temperatur-/tidsintervall för dessa stål kan vara mycket smalt. Det föreslagna projektet kommer att fokusera på att optimera både temperatur och hålltider för utvalda stål, där värmebehandlingen är extra kritisk.
Inom EU har man infört kvarts i CMR-direktivet. AVSLUTAD
Det betyder att alla som använder kvartshaltiga material skall göra en utredning kring sitt användande och möjligheten till substitution. Detta uppdrag omfattar framtagande av en generell CMR-utredning för de gjuterier som använder kvartshaltig sand och/eller kvarthaltiga infordringsmaterial till ugnar. Avsikten är att utredningen skall läggas på Gjuteriföreningens hemsida (medlemsdelen) och att medlemmarna skall kunna använda den i sin egen verksamhet. De delar som eventuellt måste vara platsspecifika skall vara möjliga för användarna att komplettera. Uppdraget omfattar: 1. Myndighetens krav, vad bör ingå i en CMR- utredning avseende kvarts. 2. Val av modell, tex Scanias mot alternativa mallar. 3. Koll med leverantörer, finns idag redan något matnyttigt? 4. Utformning av CMR- utredning. 5. Diskussion med någon/några större användare om sakinnehåll i utredningen. 6. Redigering av utredningen. 7. CMR- utredningen klar. Levereras i Word format enligt Gjuteriföreningens rapportmall. (Bifogas beställningen)
Projektledare: Bengt Gunnar Lilja, TMV Miljöteknik AB
