Verteilte Fertigung mit Metall-3D-Druck: Gleiches Teil, 6 Standorte, 3 Länder

• Die Vision, den Metall-3D-Druck für die verteilte Fertigung einzusetzen – das heißt, das gleiche Industrieprodukt innerhalb der Spezifikation an geografisch verteilten Standorten in 3D zu drucken – ist überzeugend.
• Das Netzwerk von Vertragsherstellern ermöglicht es IMI Critical und Velo3D, dasselbe zertifizierte Teil an sechs Standorten und in drei verschiedenen Ländern zu drucken

Für die herkömmliche Fertigungstechnologie benötigt man oft dedizierte, teure Produktionsanlagen und Personal. Und Lieferkettenprobleme bei der Beschaffung sowie Produktionsverzögerungen, die mit Technologien wie dem Gießen einhergehen, können die Kosten und die verzögerte Lieferung von konventionell hergestellten Produkten weiter erhöhen. Mit dem Metall-3D-Druck lassen sich hingegen zum Beispiel Ersatzteile vor Ort innerhalb von Wochen statt Monaten bereitstellen.

Es könnte effizienter und umweltfreundlicher sein, mit dem Ausgangsmaterial aus pulverförmigen Legierungen zu beginnen, das zur Herstellung von Metall-3D-Druck-Produkten verwendet wird, anstatt bearbeitete Materialien zu beschaffen und sie mit herkömmlichen Formgebungsverfahren zu formen. Darüber hinaus schafft die von der additiven Fertigung versprochene geometrische Freiheit Möglichkeiten, ältere Designs neu zu erfinden. Mehrere Teile lassen sich zu einteiligen, hochkomplexen Komponenten konsolidieren, die eher auf Leistung als auf Herstellbarkeit optimiert sind. Legierungen, die mit herkömmlichen Herstellungsmethoden schwer zu verarbeiten sind, lassen sich einfacher 3D-drucken. Somit ist eine höhere Teilequalität mit weniger Material gewährleistet. Mit im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungstechnologien schnelleren Durchlaufzeiten kann Metall-3D-Druck Agilität in der Lieferkette und skalierbare On-Demand-Lieferung bieten.

Ein ehrgeiziges Ziel

Die ideale Lösung ist eine einzige digitale Druckdatei, die auf verschiedenen 3D-Druckern an verschiedenen Standorten überall auf der Welt das gleiche Ergebnis liefert. Dies ermöglicht eine skalierbare Produktion. Diese gibt den Herstellern die Gewissheit, dass sie die gleichen Teile innerhalb der Spezifikation jetzt und zu jedem Zeitpunkt in der Zukunft auf jeder ähnlichen Maschine ohne zusätzliche Entwicklung herstellen können. 3D-gedruckte Metallteile haben sich bereits in der Luft, im Weltraum, in Kraftwerken, unter der Erde und im Ozean bewährt. Doch konnte kein Anbieter des pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzens (LPBF) eine wiederholbare verteilte AM-Fertigung auf globaler Ebene auf die Beine stellen. Bis jetzt.

Nach der erfolgreichen Produktion und dem Außeneinsatz eines Metall-AM-Teils für ein großes nordamerikanisches Öl- und Gasunternehmen im Jahr 2021 arbeiteten IMI Critical und Velo3D zusammen, um diese Arbeit auf ein verteiltes Fertigungsprojekt auszuweiten. Mit dem Projekt wollten die Unternehmen beweisen, dass Velo3D Sapphire-Drucker das Problem der Produktionsskalierbarkeit und -bereitschaft lösen könnten, mit dem viele AM-Plattformen zu kämpfen haben – nämlich die Herstellung derselben Teile innerhalb der Spezifikation auf verschiedenen Druckern unter Verwendung derselben Druckdatei ohne weitere Entwicklungsanstrengungen. Im Erfolgsfall hätte IMI Critical die Gewissheit, dass sie ihre Produktion skalieren könnten. Somit ließen sich dieselben Teile auf allen Sapphire-Druckern der Welt mit derselben Druckdatei zuverlässig produzieren.

Redesign für Metall-3D-Druck verbessert Effektivität der proprietären Technologie

Das neue Projekt basierte auf genau demselben Drosselventil, einer Hochdruck-Durchflussregelungsvorrichtung, die in der Wasserinjektionstechnik zum Einsatz kommt, um Probleme mit Erosion, Lärm und Vibrationen zu vermeiden. Die Komponente ist ein 3D-gedrucktes Upgrade eines Teils, das ursprünglich mit konventionellen Mitteln wie maschineller Bearbeitung und Löten entstand. Das AM-Redesign verbessert die Effektivität der proprietären Technologie von IMI Critical, die zerstörerische Strömungsgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten durch Steuerventile vermeiden hilft. Die Teile entstanden in Übereinstimmung mit den höchsten Kritikalitätsstandards – AMSL Level 3 per API20S –festgelegt vom American Petroleum Institute (API).

Die Zeit ist vergangen – können wir es noch einmal schaffen?

Ein Jahrzehnt Erfahrung mit sich ständig weiterentwickelnden AM-Technologien und der Erfolg ihrer früheren Arbeit mit Velo3D gaben IMI Critical das Vertrauen, das Projekt der verteilten Fertigung fortzusetzen. Diese einjährige Wartezeit zwischen der Fertigstellung des neuen Ventildesigns und der Entscheidung, mehr davon an verschiedenen Standorten zu drucken, simuliere die Art von Angst, die jeder in einem globalen Fertigungsunternehmen habe, so Steve Freitas, Direktor für neue Produktentwicklung bei IMI-Critical. Die Zeit sei vergangen, und man müsse das gleiche Design erneut in großen Mengen produzieren. Wie könne man da sicher sein, dass es ohne zusätzliche Entwicklungs- und Zertifizierungsanstrengungen innerhalb der Spezifikation liege?

So haben sie es gemacht

Die vorhandene Velo3D-Druckdatei aus dem Projekt 2021, die den gesamten Befehlssatz für den 3D-Druck enthält, wurde aus dem PLM-System von IMI Critical abgerufen und sicher an sechs Produktionsstätten auf drei Kontinenten gesendet – vier in den USA, eine in Asien und eine in Europa. Die beteiligten Hersteller waren Stratasys Direct Manufacturing (Austin, TX), Duncan Machine Products (Duncan, Oklahoma), Knust-Godwin (Katy, Texas), Avaco (Südkorea) und Schoeller Bleckmann Oilfield Equipment (SBO, Österreich). Der sechste Drucklauf fand in der Velo3D-Zentrale in Kalifornien statt.

Metall-3D-Druck: Strenge Kontrolle bei jedem Schritt

So wurde das Projekt durchgeführt:

• An jedem Herstellerstandort durchlief das Velo3D Sapphire-System eine Reihe von Kalibrierungsprüfungen, um vorhersagbare und konsistente Druckergebnisse sicherzustellen.
• Die gesperrte „Golden Print File“ wurde in jedes Velo3D Sapphire-System geladen. Sein Satz von Laseranweisungen ließ sich am Herstellerstandort nicht ändern. Dies war die ursprüngliche Druckdatei ohne Änderungen aus dem Jahr 2021, die mit funktionsbasierten Parametern erstellt wurde, die von Flow, der Druckvorbereitungssoftware von Velo3D, zugewiesen wurden.
• Metall-3D-Druck: Jeder Build bestand aus zwei Teilen und wurde vor Ort gedruckt. Sowohl die Kalibrierungsprozesse als auch die Qualität der Druckausführung überwacht Assure, das in jedes Sapphire-System integriert ist.
• Build-Berichte: Enstehen automatisch in Assure. Die Lösung sammelt Daten von den über 800 Sensoren, die den Build überwachen. Somit stellen sie sicher, dass jeder Build auf der Maschine jedes Herstellers konsistent und innerhalb der Grenzen der Prozesskontrolle entstand. Im Fall des Drosselventils von IMI/CCI entsprechen die von Assure gesammelten Daten den Anforderungen von API20S und sind nahtlos in das Qualitätssystem des OEM integriert.
• Entpulvern nach dem Aufbau: Überschüssiges Pulver wurde bei jedem Aufbau von den Teilen entfernt.
• Nachbearbeitung: Die Teile wurden dann entspannt und von der Bauplatte entfernt. Zusätzliche Wärmebehandlungen und maschinelle Bearbeitung wurden an jedem Standort durchgeführt.
• Qualitätskontrolle: umfasst Maßprüfung, mechanische Prüfung und Durchflussprüfung jedes Ventils.
• Maßprüfung des fertigen Teils.

Die Ergebnisse sind da

Nach Abschluss der oben beschriebenen Schritte hat man die Zusammenstellung der Daten für die zwölf gedruckten Teile, zwei Teile von jedem der sechs Produktionsstandorte, nun mit diesen Ergebnissen abgeschlossen: Mechanische Prüfung und Durchflussprüfung – zusammen mit zerstörender und zerstörungsfreier Bewertung – zeigten, dass alle Teile sowohl metallurgisch als auch funktionell den Design- und Leistungsspezifikationen von IMI entsprachen.

Man vertraue jetzt darauf, in Zukunft dieselbe Druckdatei bei jedem dieser Lieferanten drucken zu können, egal ob in zwei Wochen oder in zwei Jahren, so Zach Walton, Director of Technical Business Development bei Velo3D. „Mit der digitalen Produktdefinition, die in API20S als eine Sammlung von Daten formuliert ist, die zur Reproduktion der additiv gefertigten Komponente erforderlich sind, unverändert gegenüber dem Projekt 2021, hat dies gezeigt, dass keine Neuqualifizierung oder Neuentwicklung erforderlich ist – was ein großer Gewinn für O&G ist sowie andere Branchen, die versuchen, eine verteilte Fertigung einzusetzen.“

Diese Ergebnisse sind wegweisend für den Metall-3D-Druck in mehreren Branchen. Sie sind ein wichtiges Kriterium, um zu zeigen, dass eine verteilte Fertigung mit fortschrittlicher Metall-Laser-Pulverbett-Fusionstechnologie (LPBF) in der realen Welt realisierbar ist.

Öffnung der Welt für additive Fertigung in jeder Branche

Der Test unterstütze eindeutig die Geschäftsziele von IMI Critical, sagt Freitas. Das Unternehmen ist bereits zu anderen Projekten übergegangen, die das Velo3D-Netzwerk von CMs, 3D-Druckteilen wie einem 12-Zoll-Gasablassventil für eine Offshore-Anlage und einem 10-Zoll-Kesselspeisepumpenventil für überkritische Kraftwerke verwenden.

Bild oben: Sieben der zwölf gedruckten Drosselventile. Bildquelle: Velo3D

Weitere Informationen: https://velo3d.com/ und https://www.imi-critical.com/

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