Nu kan selv rumraketter 3D-printes

Alverdens objekter kan spyttes ud af en 3D-printer, og det gælder også metalgenstande.

I dag bruges 3D-metalprintere ikke bare i forbindelse med produktudvikling og fremstilling af prototyper, men også i den egentlige produktion. Selv rumraketter kan printes, og teknologien er kommet for at blive.

»Der er mange fordele ved at 3D-printe i metal. Generelt har vi stor frihed i det geometriske design. Vi har eksempelvis mulighed for at printe emner med hulrum i, så en luftstrøm eller en væskestrøm kan løbe indeni,« fortæller Christian Perti, der er lektor på Institut for Mekanik og Produktion på Aarhus Universitet, hvor han har arbejdet med 3D-metalprint i mange år.

»Vi kan lave individuelt tilpassede løsninger meget nemt, og 3D-metalprint er en fleksibel teknologi, hvor det samme metalpulver eller den samme metaltråd kan bruges til at fremstille alle mulige forskellige ting i det givne materiale, og hvor der ikke er meget spild,« fortsætter han.

Med den rette software er det blevet nemt at optimere sit design, så man kun bruger det materiale, man har behov for. Derfor kan man spare på råvarerne, for de 3D-printede emner har kun metal, hvor der er brug for det. Der er ingen grund til at fremstille et objekt af et massivt stykke metal, hvis det fungerer lige så godt med hulrum.

Pulver eller wire

3D-metalprintere kan fodres med mange forskellige metaller, for eksempel rustfrit stål, maskinstål, aluminium, titanium og specielle legeringer som Inconel. De fås i forskellige udgaver, hvor den mest populære type kaldes en pulverprinter.

Pulverprintere fungerer på følgende måde:

1. Et ganske tyndt lag metalpulver spredes ud på en plade. Pulveret består af bittesmå metalkugler, der kan være helt ned til nogle få mikrometer i diameter.
2. Så styres en kraftig laserstråle meget præcist rundt på pulverlaget, og hvor den rammer, smelter metalkuglerne sammen.
3. Så lægges et nyt lag metalpulver ovenpå, og processen gentager sig, indtil hele konstruktionen er bygget op lag for lag, og det overskydende pulver til sidst kan rystes af.

En pulverprinter kan bruges til at fremstille meget komplekse emner med høj detaljegrad. Men der er grænser for, hvor store de kan være.

Den begrænsning kan man komme omkring ved at bruge en anden printerteknologi, hvor man benytter en metalwire i stedet for pulver.

Wireprinteren fungerer mere som et fuldautomatisk svejseapparat.

Her opvarmes spidsen af en tynd metaltråd, så metallet smelter, og der deponeres en lille klat flydende metal på en overflade. Når mange små klatter smeltes sammen lag for lag på præcis den måde, som printeren er programmeret til, opstår det endelige 3D-print.

Rumraketter og broer kan 3D-printes

Svejseapparater for enden af robotarme giver vide rammer for størrelsen af genstande, der kan printes. Det handler bare om at have plads nok og tilstrækkeligt med metaltråd.

For eksempel har det hollandske firma MX3D 3D-printet en 12 meter lang stålbro, som nu kan benyttes af fodgængere, der vil krydse en af kanalerne i Amsterdam. Det tog et halvt års tid at printe den 4.500 kilo tunge bro.

Det amerikanske rumfartsfirma Relativity Space 3D-printer både de store brændstoftanke, der udgør langt størstedelen af en rumraket, og de meget komplekse raketmotorer, som sender raketten til vejrs. Cirka 85 procent af rumraketterne kan 3D-printes af forskellige metaller.

23. marts 2023 blev den 33,5 meter høje, 3D-printede rumraket Terran 1 opsendt for første gang, og den nåede godt ud i rummet. Raketmotoren på andet rakettrin antændte imidlertid ikke ordentligt, men testopsendelsen viste, at de 3D-printede strukturer kan holde til opsendelsen.

Medarbejderne hos Relativity Space arbejder fortrøstningsfulde videre på en ny version af Terran 1 og på den noget større Terran R. Firmaets nyeste 3D-metalprinter kan printe objekter med en diameter på syv meter i længder på op til 36 meter. Målet er at være mindre end 60 døgn om at printe en rumraket, der har 100 gange færre dele end en traditionel raket.

Et andet rumfartsfirma ved navn Rocket Lab har stor succes med 3D-printede raketmotorer. Og ved at benytte 3D-printere lykkedes det flyproducenten GE Aviation at nedbringe antallet af nødvendige komponenter fra 855 til 12, da en ny flymotor ved navn Advanced Turboprop skulle designes.

Der skal efter planen sågar være en 3D-metalprinter til rådighed på Den Internationale Rumstation. Her skal den danske astronaut Andreas Mogensen være med til at finde ud af, om printerteknologien kan fungere i rummet.

Småkager formes af 3D-printede tyller

Generelt gør 3D-metalprintere det muligt at fremstille komplekse objekter, som ellers ikke ville se dagens lys, eller som ville være sat sammen af flere dele.

At antallet af komponenter i et industrielt design kan nedbringes mærkbart ved at bruge en 3D-printer i produktionen, har de også bemærket hos Bühler Meincke, der producerer maskiner til småkage- og kikseproduktion – for nu at komme ned på Jorden igen.

I firmaet blev de tyller, som dejen presses igennem for at formgive småkager, tidligere loddet manuelt sammen af flere stykker. Det var tidskrævende, og der kom samlinger, hvor bakterier kunne ophobe sig. Med 3D-print kunne tyllerne printes i ét stykke, så de både blev billigere og nemmere at rengøre, hvilket selvfølgelig er vigtigt i fødevareindustrien.

Bühler Meincke fik hjælp til omstillingen fra Center for Industriel 3D-print på Teknologisk Institut, hvor centerchef Jeppe Byskov fortæller om stadig større interesse fra de små og mellemstore virksomheder. De største er allerede med på vognen.

»For mange virksomheder er 3D-print en ny teknologi, og de er i tvivl om, om og hvordan de kan udnytte den. Det prøver vi at hjælpe dem med,« siger han og fortsætter:

»Hvis man har et metalemne med en kompleks geometri, eller et, som ellers kræver mange manuelle håndteringer at fremstille, bliver det ofte billigere at 3D-printe. Det får stadig flere øjnene op for. Vi kender til firmaer, der producerer produkter i tusindvis med 3D-printere.«

Ikke for alle

Udover at rådgive fungerer Teknologisk Institut også som leverandør af 3D-printede metalemner, og igennem de seneste fem år har instituttet oplevet en årlig vækst på 80 procent i antallet af 3D-metalprint, der blev leveret til danske firmaer. En del af dem er endt med at købe deres egen printer.

Det er dog stadig allerhøjst 10 procent af de danske fremstillingsvirksomheder, der bruger 3D-metalprint. Mange venter på, at det bliver billigere, mens de leder efter oplagte muligheder for at udnytte teknologien.

For godt nok er 3D-print smart, men træerne vokser ikke ind i himlen. Teknologien skal bruges med omtanke, og det er ikke altid den rette løsning at 3D-printe, lyder det fra Christian Perti fra Aarhus Universitet:

»3D-print i metal skal bruges, hvor det giver ekstra funktionalitet. En 3D-printer er blot endnu et værktøj i vores værktøjskasse, og i forhold til andre fremstillingsteknologier kan 3D-metalprint stadig være dyrt og langsomt.«

»Når vi starter en 3D-metalprinter til tre millioner kroner, er den typisk mellem 10 timer til tre døgn om et print på 25 kilo. Andre teknologier er betragteligt hurtigere. På samme tid kan en CNC-fræser måske klare et par hundrede emner.«

3D-print er godt for miljøet

De kraftige lasere, der smelter metallet sammen, gør printerne meget dyre. Desuden har metalpulveret til en pulverprinter en noget højere kilopris, end metallet normalt har, og under printningen skal der bruges en beskyttelsesgas som for eksempel argon, så metallet ikke reagerer med luftens ilt undervejs. Det koster alt sammen.

Men i de senere år er printerne blevet mærkbart hurtigere, og de bliver også billigere i takt med den teknologiske udvikling. Desuden er den nyeste generation af maskinteknikere og ingeniører uddannet til at se mulighederne i 3D-print. Så der er nok ingen tvivl om, at metalprinterne vil vinde indpas i virksomhederne, på samme måde som plastprinterne allerede har gjort det.

Det hører også med til historien, at 3D-print kan være godt for miljøet, bemærker Jeppe Byskov:

»Sammenlignet med andre teknologier bruger 3D-metalprint mindre energi og mindre materiale i fremstillingsprocessen. Det er noget, der bliver stadig vigtigere for virksomhederne. De spørger ikke kun efter pris, men også CO₂-aftryk.«