Efter världens hårdaste stål lanserar ett litet Uppsalaföretag nästa banbrytande material: en ny hårdmetall som även den kan 3d-printas i komplexa former. ”Det är en exploderande marknad.”

Det har gått nästan precis ett år sedan Ny Teknik besökte VBN Components i utkanten av Uppsala senast. Det lilla teknikföretaget visade då upp världens hårdaste stål, som kunde gå från metallpulver till nästan färdigt föremål med 3d-skrivarteknik.

Nu har bolaget utvecklat en ny hårdmetall som fungerar på samma sätt.

– Det här skapar helt nya möjligheter för vad vi kan göra, och är ett paradigmskifte sett till hur vi kan utveckla material, säger Ulrik Beste, utvecklingsansvarig och medgrundare av bolaget.

Tekniken att skriva ut metallkomponenter i 3d-skrivare är inte helt ny men fortfarande i början av utvecklingen. Till exempel finns väldigt få olika typer av metallpulver. Det säger Annika Strondl, chef för pulvermaterial och additiv tillverkning på forskningsinstitutet Swerim och en av Sveriges ledande experter på området. Hon känner väl till VBN Components, men har inte tagit del av deras senaste innovation.

– Jag känner bara till två exempel på metallpulver som har tillverkats direkt för 3d-printing, en aluminiumlegering och Uppsalabolaget VBN Components riktigt hårda stål. Men det här är en exploderande marknad, säger Annika Strondl.

Kallar den för hybridkarbid

Enligt henne används i dag bara ett tjugotal legeringar för metaller vid 3d-printing.

– Majoriteten är inte skräddarsydda för tekniken. De har från början tagits fram för att till exempel gjutas eller smidas. Genom att utveckla anpassade metallpulver kan komponenter som tillverkas genom 3d-skrivarteknik bli ännu bättre, säger Annika Strondl.

Hårdmetall klarar höga temperaturer och är nötningståligt. Därför används materialgruppen för att tillverka sådant som metallskärande verktyg, stift i bergborrkronor och glidlagerringar. Lyckas du få upp materialets varmhårdhet kan ett verktyg behålla sin hårdhet vid högre temperaturer. Det är detta som VBN Components har försökt uppnå.

Eftersom det nya materialet kombinerar värmetåligheten från hårdmetall med segheten från snabbstål väljer de själva att kalla den för en hybridkarbid. Traditionella hårdmetallsorter ligger på 60-90 på rockwellskalan (hrc).

VBN har valt att göra en seg variant med lite lägre hårdhet för att kunna 3d-printa komplexa former på detaljer. Deras materialtyp når cirka 67 på rockwellskalan (hrc).

Uppsalabolaget ser nötningståliga 3d-printbara material ”av extrem sort” som sin nisch. Den additiva tillverkningsmetoden har flera viktiga fördelar jämfört med dagens konventionella, menar de.

– Men vi konkurrerar med det som redan finns. De som beställer ett verktyg jämför det vi gör bara med vad som görs i detaljfasen hos andra, i stället för att se till hela livscykeln i båda fall. Det är något vi hela tiden fajtas med och försöker förklara, säger Martin Nilsson, vd och en av bolagets grundare.

Mindre material till spillo

Traditionell framställning av hårdmetall sker i dag normalt sett i flera steg, där pulverblandning, spraytorkning, pressning och sintring ingår. Det sistnämnda innebär att fasta partiklar sammanfogas till ett större objekt vid höga temperaturer. Förutom kravet på pressverktyg är sintringen en viktig begränsning.

Eftersom processen kräver att det bindemedel som har använts kan kokas bort kan en komponents maximala väggtjocklek bara bli ungefär 30 millimeter, enligt VBN. Med 3d-skrivartekniken finns ingen sådan begränsning sett till väggtjocklek.

Läs mer: Här ska framtidens komponenter skrivas ut i aluminium

Om du använder snabbstål kräver dagens konventionella metoder också att du skär eller fräser fram komponenter ur ett metallstycke. Därmed kan mycket material gå förlorat längs vägen.

Med 3d-teknik blir processtegen betydligt färre och mindre material behöver gå till spillo. Komponenter byggs upp av lager, bara en tiondels millimeter tunna, genom smältning av metallpulver vid ungefär 1 500 grader. Du smälter bara så mycket pulver som behövs för att bygga en specifik komponent.

– Det enda skrot vi genererar är den stödstruktur som föremålet har på metallplattan när det byggs. För en fräs är det så lite som 0,5 procent. Den stora kostnaden är därmed inte för materialet, utan processkostnaden för att bygga föremålet, förklarar Ulrik Beste.

Tusentals detaljer

Dessutom gör 3d-tekniken det betydligt enklare att tillverka komponenter med ett fåtal, hundratals eller till och med tusentals komplexa detaljer, som kanaler och spår, enligt Uppsalabolaget. VBN demonstrerar detta med några tester av en bergborrkrona som de har printat ut i den nya hårdmetallen, i en design av verkstadsföretaget Epiroc.

– Att göra sådana här stora detaljer i hårdmetall är helt omöjligt i dag, speciellt om du vill ha en kanal inuti. För oss är det som att printa vad som helst, berättar Ulrik Beste.

Bolaget har också flera hemliga samarbeten på gång, för att testa hårdmetallen i verkligheten och se hur den presterar där.

Uppsalabolaget utformar inte själva konstruktionerna, utan tar fram materialet, testar och tillverkar komponenter utifrån kundernas CAD-ritningar. Med 3d-skrivartekniken blir det lättare att prova olika slags konstruktioner för att hitta den som funkar bäst.

– Alla kommer att använda sig av additiv tillverkning i framtiden, tror jag. Det verkligt stora lyftet kommer när fler börjar förstå hur de kan ändra sina befintliga konstruktioner för att få en bättre prestanda, säger Ulrik Beste.

Swerims Annika Strondl, som även är koordinator för svenska arenan för additiv tillverkning i metall, tycker att det har hänt mycket på det här området de senaste åren. Sverige har börjat komma ikapp. Vi har också mer att hämta.

– Att tillverka en befintlig komponent med 3d-skrivarteknik är inte att utnyttja tekniken till fullo, och det blir antagligen inte billigare. Tekniken gör det möjligt att printa sådant som vi inte har kunnat tillverka tidigare, som komplexa nätverk och strukturer. Om du tänker 3d-printing redan i designstadiet kan du kanske inte göra precis vad som helst, men nästan, säger hon.

Flygbranschen har nytta av tekniken

Särskilt branscher som utformar komplexa föremål av dyrare materialtyper, som flygbranschen, kan dra nytta av tekniken, enligt Annika Strondl. En komponent som tidigare har bestått av kanske 20 mindre delar, kan i dag skrivas ut i sin helhet och därmed också bli säkrare.

För exempelvis bilindustrin, som är väldigt prispressad och kan tillverka miljoner exemplar av en komponent, är 3d-skrivartekniken inte lika självklar. Den kan dock spela en viktig roll även där, säger Annika Strondl. Det kan till exempel visa sig att en komplex konstruktion som inte kan tillverkas på annat sätt har andra viktiga fördelar.