Velo3D erprobt die verteilte Fertigung auf globaler Ebene

Der 3D-Drucker-Hersteller Velo3D erprobt die verteilte Fertigung auf globaler Ebene. Es wurde ein Teil in 6 Locations, in 3 Ländern gedruckt.

Während herkömmliche Fertigungstechnologien seit Jahrzehnten Produkte auf globaler Basis im eigenen Land liefern, waren dafür oft spezielle, kostspielige Produktionsanlagen und Personal erforderlich, denen es an Flexibilität mangelte. Und Probleme in der Lieferkette bei der Beschaffung sowie Produktionsverzögerungen, die mit Technologien wie dem Gießen einhergehen, können die Kosten und die verzögerte Lieferung konventionell hergestellter Produkte noch weiter in die Höhe treiben.

Metall-AM hingegen verspricht, Altteile vor Ort innerhalb von Wochen statt Monaten ersetzen zu können. Es könnte effizienter und umweltfreundlicher sein, mit dem pulverförmigen Legierungsmaterial zu beginnen, das für die Herstellung von Metall-AM-Produkten verwendet wird, anstatt endbearbeitete Materialien zu beschaffen und sie mit herkömmlichen Umformmethoden zu formen. Darüber hinaus eröffnet die geometrische Freiheit, die die AM-Technologie verspricht, die Möglichkeit, alte Designs neu zu gestalten. Mehrere Teile können zu einteiligen, hochkomplexen Komponenten zusammengefasst werden, die eher auf Leistung als auf Herstellbarkeit optimiert sind. Legierungen, die mit konventionellen Fertigungsmethoden nur schwer zu verarbeiten sind, können leichter in 3D gedruckt werden, was eine höhere Qualität der Teile bei geringerem Materialeinsatz gewährleistet. Mit kürzeren Durchlaufzeiten als bei vielen aktuellen Fertigungstechnologien bietet Metall-AM Flexibilität in der Lieferkette und eine skalierbare, bedarfsgerechte Lieferung.

Ein ehrgeiziges Ziel

Die ideale Lösung ist eine einzige digitale Druckdatei, die auf verschiedenen AM-Maschinen an unterschiedlichen Standorten überall auf der Welt das gleiche Ergebnis liefert. Dies ermöglicht eine skalierbare Produktion, die den Herstellern die Gewissheit gibt, dass sie dieselben Teile innerhalb der Spezifikation jetzt und zu jedem beliebigen Zeitpunkt in der Zukunft auf jeder ähnlichen Maschine produzieren können, ohne dass zusätzliche Entwicklungen erforderlich sind. Während sich 3D-gedruckte Metallteile bereits in der Luft, im Weltraum, in Kraftwerken und unter der Erde sowie im Meer bewähren, konnte bisher noch kein Anbieter von LPBF-Metallteilen eine wiederholbare verteilte AM-Fertigung auf globaler Ebene nachweisen.

Nach der erfolgreichen Produktion und dem Einsatz eines Metall-AM-Teils für die Öl- und Gasindustrie bei einem großen nordamerikanischen Öl- und Gasunternehmen im Jahr 2021 arbeiteten IMI Critical und Velo3D zusammen, um diese Arbeit auf ein Projekt zur verteilten Fertigung auszuweiten. Ziel des Projekts wäre es, zu beweisen, dass die Velo3D Sapphire-Drucker das Problem der Produktionsskalierbarkeit und -bereitschaft lösen können, 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 würde dies IMI Critical die Gewissheit geben, dass sie ihre Produktion entsprechend skalieren können, um zuverlässig die gleichen Teile auf jedem Sapphire-Drucker der Welt mit der gleichen Druckdatei zu produzieren.

Das neue Projekt basiert auf demselben Drosselventil, einer Hochdruck-Durchflussregelvorrichtung, die in Wassereinspritzbrunnen eingesetzt wird, um Probleme mit Erosion, Lärm und Vibrationen zu vermeiden. Bei der Komponente handelt es sich um ein 3D-gedrucktes Upgrade eines Teils, das ursprünglich auf konventionelle Weise, z. B. durch Zerspanen und Löten, hergestellt wurde. Die AM-Neuentwicklung verbessert die Wirksamkeit der proprietären Drag-Technologie von IMI Critical, die zerstörerische Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeiten durch Regelventile steuert. Die Teile wurden nach den höchsten Kritikalitätsstandards – AMSL Level 3 gemäß API20S – des American Petroleum Institute (API) gefertigt.

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

Ein Jahrzehnt Erfahrung mit sich ständig weiterentwickelnden AM-Technologien und der Erfolg der früheren Arbeit mit Velo3D gaben IMI Critical die Zuversicht, das Projekt der verteilten Fertigung weiterzuführen.

“Diese einjährige Wartezeit zwischen der Fertigstellung des neuen Ventildesigns und der Entscheidung, weitere Exemplare an verschiedenen Standorten zu drucken, simuliert die Art von Angst, die jeder in einem globalen Fertigungsunternehmen hat”, sagt Steve Freitas, Leiter der Entwicklung neuer Produkte bei IMI Critical. “Die Zeit ist verstrichen, und Sie müssen dasselbe Design noch einmal in Stückzahlen produzieren, aber wie können Sie sicher sein, dass es ohne zusätzlichen Entwicklungs- und Zertifizierungsaufwand den Spezifikationen entspricht?”

So haben sie es gemacht

Die bestehende Velo3D-Druckdatei des Projekts 2021, die den gesamten Befehlssatz für den 3D-Druck enthält, wurde aus dem PLM-System von IMI Critical abgerufen und sicher an sechs Fertigungsstandorte auf drei Kontinenten geschickt – vier in den USA, einer in Asien und einer in Europa.

Die beteiligten CMs 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 Druckdurchgang wurde am Hauptsitz von Velo3D in Kalifornien durchgeführt.

Strenge Kontrolle in jeder Phase des Projekts

Das Projekt wurde wie folgt durchgeführt:

• An jedem CM-Standort durchlief das Velo3D Sapphire-System eine Reihe von Kalibrierungsprüfungen, um vorhersehbare und konsistente Druckergebnisse zu gewährleisten.
• Die gesperrte “Goldene Druckdatei” wurde in jedes Velo3D Sapphire-System geladen; die darin enthaltenen Laseranweisungen konnten am CM-Standort nicht geändert werden. Dabei handelte es sich um die ursprüngliche, unveränderte Druckdatei aus dem Jahr 2021, die unter Verwendung von funktionsbasierten Parametern erstellt wurde, die von Flow, der Druckvorbereitungssoftware von Velo3D, zugewiesen wurden.
• 3D-Druck: Jeder Build enthielt zwei Teile und wurde vor Ort gedruckt. Sowohl die Kalibrierungsprozesse als auch die Qualität der Druckausführung werden von Assure überwacht, das in jedes Sapphire-System integriert ist.
• Build Reports: werden automatisch von Assure generiert, das Daten von den mehr als 800 Sensoren sammelt, die den Build überwachen, und so sicherstellt, dass jeder Build an jeder CM-Maschine konsistent und innerhalb der Prozesskontrollgrenzen ausgeführt wurde. Im Fall des Drosselventils von IMI/CCI entsprechen die von Assure gesammelten Daten den von API20S vorgeschriebenen Anforderungen und sind nahtlos in das Qualitätssystem des OEMs integriert.
• Entpuderung nach der Herstellung: Überschüssiges Pulver wurde bei jedem Bau von den Teilen entfernt.
• Nachbearbeiten: Die Teile wurden dann spannungsfrei gemacht und von der Bauplatte entfernt. Zusätzliche Wärmebehandlungen und Bearbeitungen wurden an jedem Standort durchgeführt.
• Qualitätskontrolle: Sie umfasst die Maßprüfung, die mechanische Prüfung und die Durchflussprüfung jedes Ventils.
• Maßprüfung des fertigen Teils.

Die Ergebnisse

Nach Abschluss der oben beschriebenen Schritte ist die Zusammenstellung der Daten für die 12 gedruckten Teile, zwei Teile von jedem der sechs Produktionsstandorte, nun mit diesen Ergebnissen abgeschlossen: Die mechanische Prüfung und die Fließprüfung – zusammen mit der zerstörenden und zerstörungsfreien Bewertung der Materialproben – zeigen, dass alle Teile sowohl in metallurgischer als auch in funktioneller Hinsicht den Design- und Leistungsspezifikationen von IMI entsprechen.

“Wir haben jetzt die Gewissheit, dass wir in zwei Wochen oder in zwei Jahren dieselbe Druckdatei bei jedem dieser Zulieferer drucken können”, sagt Zach Walton, Director of Technical Business Development bei Velo3D. “Da die digitale Produktdefinition, die in API20S als eine Sammlung von Daten für die Reproduktion des additiv gefertigten Bauteils festgelegt ist, seit dem Projekt 2021 unverändert ist, hat sich gezeigt, dass keine Neuqualifizierung oder Neuentwicklung erforderlich ist – ein großer Gewinn für die O&G-Industrie und andere Branchen, die eine verteilte Fertigung einsetzen wollen.”

Diese Ergebnisse sind richtungsweisend für AM in verschiedenen Branchen und ein wichtiger Maßstab für den Nachweis, dass die verteilte Fertigung mit der fortschrittlichen LPBF-Technologie (Laser Powder Bed Fusion) in der Praxis möglich ist.

Öffnung der Welt für AM in jeder Branche

Die Übung unterstützt eindeutig die Geschäftsziele von IMI Critical, sagt Freitas.

“Jetzt, da wir unser Nachrüstungsgeschäft weltweit ausweiten, erkennen wir den Wert einer End-to-End-AM-Lösung, die eine skalierte Produktion ohne Kompromisse bei Qualität und Wiederholbarkeit ermöglicht”, sagt er. “Wir finden den Ansatz von Velo3D in dieser Hinsicht sehr attraktiv. Wir müssen das Rad nicht jedes Mal neu erfinden, da wir über qualifizierte Baurezepte und Druckdateianweisungen verfügen, die gesperrt sind. Das spart auch Kosten, weil wir die Qualifizierung nicht wiederholen müssen. Auf diese Weise bleibt das geistige Eigentum an der Druckanweisungsdatei erhalten, was bei unserem globalen Einsatz immer wichtiger wird.”

Das Unternehmen ist bereits zu anderen Projekten übergegangen, bei denen das Velo3D-Netzwerk von CMs eingesetzt wird, und hat Teile wie ein 12-Zoll-Gasablassventil für eine Offshore-Anlage und ein 10-Zoll-Kesselspeisepumpenventil für überkritische Kraftwerke gedruckt.

“Wir haben jetzt eine besser skalierbare Lieferkette für unsere globalen Kunden”, sagt Freitas. “Die Technologie von Velo3D kann unsere alten Designs drucken, ohne dass wir sie auf neuen Maschinen neu qualifizieren müssen, so dass wir die Produktion je nach Bedarf hoch- und runterfahren können. Angesichts unserer riesigen Bibliothek von Referenzteilen ist das für uns sehr effektiv. Außerdem können wir bei der Aktualisierung älterer Entwürfe umfassender innovieren. Und mit dem neuen, größeren Sapphire XC-System können wir jetzt wirklich große Teile mit einem Durchmesser von bis zu 24 Zoll drucken. Wir freuen uns sehr über die Arbeit, die hier geleistet wird, und über den Weg in die Zukunft.”

Walton von Velo3D weist darauf hin, dass die Auswirkungen des globalen Projekts mit IMI Critical weit über die Öl- und Gasindustrie hinausgehen.

“Egal, ob Sie in der Raumfahrt, im Verteidigungsbereich, in der Energiewirtschaft oder in einem anderen industriellen Umfeld tätig sind, wenn Sie entweder ein einzelnes Ersatzteil oder eine größere Anzahl von optimierten Hochleistungskomponenten reproduzieren wollen, haben Sie möglicherweise ähnliche zukünftige Skalierbarkeitsprobleme, die AM – und ein weltweites Netzwerk von CMs – jetzt erfolgreich lösen kann.”

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