Reservedeler i pulverform
Av Svein Tønseth
Lei av å vente på bildeler? I framtida kan du raskt og enkelt lage flere av dem selv, hvis norske forskere lykkes.
 |
|
"Får vi til det vi håper, vil Metal Printing
åpne for mange anvendelser og framveksten av helt nye kunnskapsintensive
virksomheter i Norge. Oppskriften for å lykkes vil være
å utvikle kunnskap innenfor og på tvers en rekke disipliner". Illustrasjonsfoto: Roar Øhlander |
Se for deg en arbeidsbenk, og oppå den en maskin som kan mates
med metallpulver av alle slag. Fra Internett laster du ned en tredimensjonal
"data-tegning" som forteller maskinen hva slags reservedel du
ønsker deg. Så starter en lagvis byggeprosess inne i maskinen.
Tynne sjikt med metallpulver legges oppå hverandre og varmes opp,
slik at pulverpartiklene gror sammen og blir til fast metall. Ut kommer
en ferdig reservedel i løpet av minutter eller timer, avhengig
av hvor høy delen skal være.
Ideen til en slik maskin ble unnfanget tidlig på 90-tallet av daværende
NTNU-professor Øyvind Bjørke, i dag sjef for sitt eget høyteknologifirma
i Tyskland.
Han kalte prosessen Metal Printing. To dr.ing-studenter videreutviklet
den deretter gjennom hver sin avhandling. Nå starter SINTEF et femårig
prosjekt til 40 millioner kroner for å føre utviklingsarbeidet
videre og gjøre maskinen til virkelighet.
- Lykkes vi, kan dette endre menneskers måte å produsere på,
på samme vis som mobiltelefonen endret vår måte å
kommunisere på, sier forskningssjef Odd Myklebust ved SINTEF Teknologiledelse.
De 40 millionene går til et strategisk instituttprogram ved SINTEF
Teknologiledelse.
I tillegg ønsker den amerikanske fly- og våpenprodusenten
Lockheed Martin å bidra med ti millioner kroner i prosjektet, såfremt
Forsvarsdepartementet godkjenner dette som tilbakebetaling innenfor en
inngått gjenkjøpsavtale.
Midlene til det strategiske programmet kommer fra Norges forskningsråd,
SINTEF, NTNU og de norske bedriftene SensoNor, Raufoss og Kongsberg Defence
Communications. Nettopp industrien vil bli det første markedet
for den nye teknologien, ifølge Odd Myklebust og Roald Karlsen,
dr.ing. i Metal Printing og i dag post.doc.-stipendiat ved NTNU. De tror
det vil gå noen tiår før hjemmeutgaven av maskinene
kommer.
- Fortsatt gjenstår en rekke teknologiske utfordringer. Målet
er at vi om fem år skal ha etablert en bedrift som produserer maskiner
for Metal Printing, sier Roald Karlsen. Med sin doktorgrad på feltet
blir han en sentral skikkelse i prosjektet.
Mer enn reservedeler
Gevinstene
kan høstes både høyt og lavt. Karlsen og Myklebust
spår at romstasjoner vil få Metal Printing-maskiner ombord,
og at astronautene dermed kan lage reservedeler selv. - Det blir billigere
enn å skyte opp en rakett med nye deler, sier Myklebust lakonisk.
De tror også verden får marinefartøy som ved hjelp
av Metal Printing forsyner seg selv med reservedeler i felten.
På landjorda forventer de at teknikken også vil gi andre industrielle
gevinster:
o Enklere tilvirkning av komponenter i eksklusive materialer - alt fra
flymotordeler til kunstige ledd i menneskekroppen. Dette er produkter
som må lages i harde materialer og ofte har en komplisert form.
Derfor er de vanskelig å bearbeide ved fresing, dreiing osv.
o Mer sofistikert elektronikk: Takket være den lagvise oppbyggingen
av produktene, kan det bli mulig å kombinere metall (elektrisk ledende)
og keramer (isolerende) på nye måter. Dette kan i sin tur
åpne for helt nye elektroniske komponenter.
o Nye materialkombinasjoner: Bruk av ulikt pulver fra lag til lag åpner
for koblinger mellom materialer som i dag ikke kan legges utenpå
hverandre. Framtidas superkniv, for eksempel, kan få bløtt
materiale innerst og glidende overganger med stadig hardere materialer
utenpå. Den vil tåle alt, uten at den får hakk eller
brekker.
o Langt hurtigere framstilling av støpeformer til plaststøping.
Men hva med meg og deg? Karlsen og Myklebust tror Metal Printing vil innta
dagliglivet steg for steg. Bilverkstedet kan bli første sted du
ser en slik maskin. I dag er ei bremseskive kanskje fraktet halve jorda
rundt før den havner på importørens reservedelslager.
I framtida kan ditt lokale merkeverksted lage en mens du venter!
De to spår også at du en gang får din egen Metal Printing-maskin
i kjelleren, om du liker å mekke på bilen. Blant annet kan
du bli i stand til å lage vannpumper, bremsedeler og tannhjul til
girkassa. Samt deler til gressklipperen og vaskemaskina. Skal du reparere
markisen over stuevinduet, kan du "printe" ut boltene du trenger.
Og hvorfor ikke en matchende fastnøkkel også?
Den eneste begrensningen ligger i størrelsen på gjenstandene
du vil lage, ifølge de to. I første omgang mener de grensa
vil gå ved en bredde/diameter på i underkant av 15 centimeter.
Men lykkes de først med teknologien, er de sikre på at det
etterhvert vil gå an å lage langt større objekter.
- Men blir ikke dette kun for millionærer?
- De første maskinene vil nok bli kostbare. Men etterhvert vil
vi trolig komme ned i priser som gjør maskinene attraktive også
for hvermannsen, sier Roald Karlsen.
Professor Øyvind Bjørke, ideens far, hadde vært med
på å lage plastobjekter med en liknende metode da han begynte
å sysle med tanken på Metal Printing. På 80-tallet utviklet
amerikanerne en maskin som lagvis bygger modeller av plast og gir produktutviklerne
prototyper over natta. På Bjørkes initiativ var NTNU og SINTEF
raskt ute med å anskaffe en slik maskin.
Disse maskinene blir matet med datategninger av objekter delt i tynne
skiver og er fylt med et flytende plastmateriale som størkner straks
det utsettes for lys. En laserstråle tegner/skraverer hver skive
i væsken. Slik vokser modellene fram. Men hvordan komme herfra til
en maskin for lagvis bygging av metallobjekter? Flere pønsket på
det, og noen produsenter er alt på markedet med slike maskiner -
apparater som "tegner" med laserlys, men der den flytende plasten
er erstattet med metallpulver.
Ifølge Karlsen er to varianter av prosesser alt handelsvare: Den
ene krever bruk av spesialpulver. Det begrenser materialvalget. I den
andre er pulverpartiklene belagt med bindemidler. Tidkrevende etterbehandling
må da til, ofte også prosesser som gjør at det endelige
materialet blir sammensatt, ikke homogent.
Men Øyvind Bjørke tenkte annerledes og unngikk disse begrensningene.
Han droppet laseren. Han ville ha ei bevegelig plate som kunne suge til
seg tynne lag av metallpulver ved hjelp av elektrostatiske krefter. Lagene
skulle formes ved at plata hadde små ladbare punkter med ledninger.
Så skulle plata føre lagene til et byggebord og sette dem
av oppå hverandre mens de ble varmet opp, omgitt av et støttepulver.
Midt på 90-tallet rekrutterte han dr.ing.-studentene Jim Bakkelund
og Roald Karlsen. Bakkelund startet først, beholdt ideen om å
bruke elektrostatiske krefter, men gjorde en vri.
Han tok innmaten ut av en kopimaskin, inklusive den såkalte fotoreseptoren
- ei plate som lades når den føres nær en strømkilde.
Den mister ladningen når den blir belyst, men beholder ladningen
der noe har skygget for lyset. Når arket i en kopimaskin gjennomlyses,
kaster bokstavene skygge på fotoreseptoren. På skyggestedene
suger den til seg tonerpulveret. Så går den til det blanke
arket og setter av pulveret der.
Gikk det an å bruke samme resept med metallpulver, og gjenta prosessen
lag for lag? Rundt kopimaskindelene bygget Bakkelund en testmaskin for
å få svar. Så begynte han og Karlsen å prøve
seg fram. En sein kveld kom oppmuntringen de trengte.
Skrinet med det rare i
I et lavloftet, vindusløst rom forteller Roald Karlsen om alt
dette. Testmaskinen står foran oss i ei brun trekiste. Fotoreseptoren,
ei brunaktig plate, er festet under ei tynn aluminiumplate på 20x20
cm som kan beveges langs ei skinne.
Reseptorens rute starter over "ladestasjonen", en nesten usynlig
wolframtråd, som kan gi reseptoren ladning. Neste stasjon er en
liten lyskasse med et lysrør som gir fra seg korte lysglimt. Oppå
ligger ei glassplate. Her laget de blivende dr.ing.'ene skyggene de ønsket
med papir. I den endelige versjonen skal glassplata bli en programmerbar
skjerm.
Stasjon nummer tre er en "pulverseng", der doktorstudentene
la jernpulver. Gang på gang varierte de forsøksbetingelsene,
åpnet kista og ble like skuffet. Men så seint en kveld tok
de ut fotoreseptoren og så at pulveret satt på, med den formen
det skulle!
- Dette var Jims område. Han fikk dokumentert at pulverlag kan trekkes
opp med vilkårlige former, forklarer Roald Karlsen.
- Neste ufordring blir nå å få til å legge pulveret
ned på byggebordet. Foreløpig har vi ingen fullgod metode
for å frigjøre pulveret fra reseptoren på ønsket
vis. Dette er blant de brikkene vi håper å få på
plass med det nystartede prosjektet, sier Karlsen.
Som doktorgradsstudent konsentrerte han seg om det siste leddet i prosessen.
Han la lag på lag med metallpulver oppå hverandre og varmet
opp hvert lag ved å føre strøm gjennom det. Metal
Printing handler ikke om smelting, men om sintring - en prosess som foregår
under pulverets smeltetemperatur. Ved sintring vandrer atomer gjennom
gitteret i krystallstrukturer. Slik bygger de broer av masse mellom enkeltpartiklene
og omgjør pulveret til fast metall.
Hvordan pulveret skal varmes opp for sintring i den endelige versjonen,
er fortsatt uvisst. Også dette skal avklares etterhvert som forskere
fra tre SINTEF-institutter - Teknologiledelse, Materialteknologi og Elektronikk
og kybernetikk - samt flere dr.ing.-stipendiater fra NTNU tar fatt på
det store forskningsprosjektet.
Med metoden Karlsen valgte, fikk han hvert pulverlag til å bli metallisk
på under ett sekund, samtidig som laget sintret seg fast til det
underliggende laget. - Og selv i mikroskop gikk det ikke an å se
noe skille mellom lagene, sier han.
På vei ut av det moderne forskningsbygget bak Lerkendal Stadion,
treffer jeg forskningssjef Odd Myklebust igjen.
Folk flest hever litt på øyenbrynet når jeg sier at
de i framtida kanskje vil lage bildeler hjemme, sier Myklebust. - Da pleier
jeg å nevne toppfiguren i et av verdens største elektronikk-konsern.
Som snakket om datamaskiner for en del år siden - og sa at han aldri
kunne se dem for seg i private hjem…
