Artikkel

3D-printing med aluminium gir nye muligheter

Magnus Reiersen
Magnus Reiersens skateboard har måttet ligge lenge på pulten, men nå er nye deler designet og printet ut i aluminum. Foto: Veronica Danielsen/UiO

3D-printing med aluminium gir nye muligheter

Bare fantasien setter grenser for 3D-printing. For mens det vanligvis trengs ulike maskiner til hver del av noe man skal lage, kan en 3D-printer lage stadig nye ting. Magnus Reiersen har utformet og laget nye skateboarddeler i aluminium.

– Med 3D-printing har du frihet til å lage hvilken geometri som helst, forklarer Magnus Reiersen ivrig.

Han har i år fullført sin bachelorgrad i materialvitenskap for energi- og nanoteknologi (MENA) ved UiO. I motsetning til de fleste medstudentene tilbrakte han lite tid på Blindern det siste semesteret. Reiersen holdt til i forskningsinstitusjonen SINTEFs lokaler ved Forskningsparken. Nå har han klart å 3D-printe skateboarddeler av aluminium.

Flere og flere 3D-printere dukker opp i industrien og på hjemmebane. Den vanligste prosessen i 3D-printere kalles Fused Filament Fabrication. Her pumpes en seig plasttråd ut av et skriverhode. Hodet beveger seg fra side til side mens plasten tyter ut ved bestemte koordinater. Slik legges det første plastlaget. Plasten størkner raskt, og skriverhodet setter i gang med lag nummer to. Til slutt står vi igjen med en ferdig, tredimensjonal struktur – eller form, om du vil.

Lett, miljøvennlig og økonomisk

Én mulighet med 3D-printing er å lage hulrom inne i tette strukturer. Det er umulig med vanlig produksjon som smelting i en form. For da blir du ikke kvitt det du bruker til å lage hulrommet.

På denne måten kan en struktur beholde styrken, men bestå av mindre materiale. Dermed kan man lage lettere strukturer. Dessuten brukes det ikke mer materiale enn det man trenger til selve delen i produksjonsprosessen. Dette er både miljøvennlig og økonomisk. Penger spares også ved at behovet for nye maskiner fjernes.

– Hvis du skal lage noe veldig komplekst med vanlig produksjon, krever det veldig spesifikke maskiner. Én maskin til å lage én del blir veldig dyrt.

Reiersen forklarer at det er mest penger å spare hvis man skal lage noen tusen kopier eller færre av et produkt.

Død patent åpner for forskning

Selv om plast er populært, er det ikke det eneste stoffet som kan brukes.

Det er mange former for 3D-printing. Lazer powder bed fusion er en av de mer lovende, fordi du kan bruke den på metall.

Det lange navnet står i stil til det langvarige patentet som nå har gått ut. Fraunhofer institutt for laserteknologi i Tyskland utviklet prosessen på 90-tallet. Med patent på plass var instituttets ansatte de eneste som kunne forske videre på prosessen.

Skateboarddeler
Klassiske skateborddeler øverst, nederst er Magnus Reiersens 3D-modeller. Foto: Veronica Danielsen/UiO

Men patentet utløp i slutten av 2017. Dermed har andre forskere sluppet til. Men to og et halvt år er ikke lang tid i forskningssammenheng. Lazer powder bed fusion regnes derfor som et svært ungt forskningsfelt. I denne prosessen bygges strukturen lag for lag akkurat som med plast. Men her begynner det med at «gulvet» i printeren dekkes av metallpulver. Pulveret scannes så med en laser. Laseren smelter bestemte områder av pulveret. Like etter stivner disse igjen. Slik dannes hvert enkelt lag i strukturen.

– Hovedproblemet med metall-3D-printing er at det er veldig få materialer som klarer å håndtere den veldig raske smelte- og størkningsprosessen, forklarer Reiersen.

Noen metallblandinger, også kalt legeringer, har lett for å sprekke opp etter en slik prosess. Reiersen har derfor jobbet med å finne den perfekte miksen til sitt bruk. Hovedingrediensen måtte være aluminium.

Aluminium er Norges favorittmetall

Reiersen har deltatt i et prosjekt som er støttet av Norsk Hydro.

– Prosjektet er egentlig bare en pengepott. Det eneste kravet er at det må handle om aluminium, forklarer han.

For hensikten er å utvikle kompetanse om aluminium. Norge er Europas største produsent av primæraluminium. Økt kunnskap vil dermed kunne åpne for mange muligheter i norsk industri.

– Skal du jobbe med et metall i Norge, jobber du med aluminium.

Er du interessert i forskningsnyheter om realfag og teknologi: Følg Titan.uio.no på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt

Forbedrer skateboarddeler

Det spesielle med aluminium er at det kan være like sterkt som stål. Samtidig er det mye lettere. Derfor er det svært populært å bruke aluminium til fly og romfart. Mindre kjent er det kanskje at delene som fester hjulene til brettet på et skateboard, består av aluminium.

Men Reiersen har jobbet masse med akkurat det. Han har sett seg ut et skateboard av typen longboard og laget nye, forbedrede modeller av festemekanismene.

– Jeg startet med disse, sier han og peker på de originale skateboarddelene.

For å kunne optimalisere dem, måtte han først lage digitale modeller. Til dette brukte han programmet Solide Works.

– Før jeg begynte, hadde jeg aldri 3D-modellert noe. Så dette og var helt nytt for meg. Jeg måtte lære «on the job» hvordan et program fungerer og hvordan 3D-modeller i seg selv fungerer.

Ta en kikk her – saken fortsetter under videoen.

Med digitale modeller på plass var det mulig å analysere delene. Reiersen har kjørt mange simuleringer for å se hvordan delene reagerer på trykk.

– Du ser hvor den vil deformeres hvis du har lagt på ufattelig mye vekt. Og du ser hvor den vil bøye seg først.

På denne måten kan Reiersen se hvilke punkter i strukturene som er svakest. Derfra har han kommet opp med et eget design som forbedrer disse svakhetene. I tillegg har han fjernet unødvendig materiale og dermed redusert vekten til delene.

Drømmer om eget firma

Ved studiet materialvitenskap for energi- og nanoteknologi er det vanligst å ta fag fremfor større prosjektoppgaver i løpet av bachelorgraden. Dette ruster studentene til å drive med forskning. Men Reiersen er mer interessert i å jobbe i industrien.

– Jeg går en litt annen vei, forklarer han.

Reiersen ser for seg at han kan utvide bachelorprosjektet. En dag starter han kanskje et firma som optimaliserer og 3D-printer modeller for ulike firmaer. I flybransjen er det potensielle kunder.

– Alt i fly handler jo om at du må ha minst mulig vekt.

Vektreduksjon er noe Reiersen har fått dreisen på. Det er et av eksemplene på at han har oppnådd det viktigste målet med prosjektet: egen læring.

– Jeg synes det har vært veldig gøy. Jeg har lært veldig mye av oppgaven i seg selv.

Prosjektoppgavene måtte leveres før delene ble helt ferdige. Men Reiersen ga seg ikke etter at oppgaven var levert. Nå er delene printet. Endelig kan han cruise rundt med sitt helt unike skateboard.

Les om flere innovative studenter på Titan.uio.no:

Kommentarer

Roy Sigurd Karlsbakk

Hva koster en sånn skriver, egentlig, og hvor mye plass vil den ta?

Materialvitenskapsmann

Hei Roy.

3D printeren som ble brukt til å lage disse delene koster flere millioner norske kroner, men det finnes også billigere alternativer på markedet. Aurora Labs S-Titanium Pro er laget for start-ups og mindre bedrifter, den kan kjøpes for en mer "overkommelig" pris på 50 000 dollar. Arealet som må disponeres kommer ann på størrelsen til printerene samt området for behandling av deler. En kan eventuelt søke opp en maskin å finne dimensjonene.

- Magnus Reiersen