3d-skrivaren som skriver ut i titan

Zapp! Plötsligt slår en blå stråle ut och klyver ett av imperiets rymdskepp på mitten... nej, det var visst en film... men det är samma princip över Arcams elektronstråleskrivare. En partikelstråle i vakuum som smälter metall.

Arcam AB är ett helsvenskt företag i Mölndal utanför Göteborg. Det är sprunget ur teknikermyllan på Chalmers, men har sina största marknader i USA, England och Italien, inom implantat- och flygindustrin.

En del av vakuumrördjungeln i Arcams elektronstråleprinter.

Kallas inte 3d-skrivare
Mattias Fager, som är chef för applikationsutvecklingen på Arcam, vill helst inte kalla det för 3d-skrivare, utan använder hellre ordet friformsframställning eller additive manufacturing.

– Själv pluggade jag fysik i Uppsala och hamnade sedan på Saab Ericsson Space där jag gjorde mitt exjobb. Jag flyttade till Array Printers år 1999, ett bolag som utvecklade en ny skrivarteknik baserad på elektriskt laddat färgpulver. Jag kom därefter till företaget Microdrug, som utvecklade inhalatorer för att deponera medicin i form av elektriskt laddat pulver, berättar han.

– Ralf Larsson, en kille som gjorde ett exjobb på Chalmers, tog 1993 ut patent på att svetsa metallpulver med en ljusbåge till färdiga komponenter, lager för lager. Arcam grundades på den idén 1997.

”Ack, stackars Yorick! Jag kände honom, Horatio, en oändeligt lustig, utomordentligt humoristisk karl.” – ”Hamlet”, akt V, scen 1. En friformsframställd skalle i plast med ett titanimplantat som specialbeställts för en skallskada.

”Ack, stackars Steve! Jag kände honom icke, men han verkar ha varit en oändligt lustig, utomordentligt humoristisk karl.” – Städje, 2013. Vad är naturligare på ett så datorberoende företag än att undertecknad hittade ett Apple-äpple i titan?

Arc + cam = Arcam
Namnet Arcam är en sammandragning av arc, ljusbåge, och cam, kort för computer aided manufacturing (datorstödd tillverkning), och det var just vad Ralf Larsson tänkte sig 1993.

– Men efter ett tags experimenterande insåg man att en ljusbåge inte var tillräckligt, och 1998 gick företaget över till att svetsa med elektronstråle, säger Mattias Fager.

Ebm, electron beam melting, är en typ av friformsframställning som fungerar så att man smälter metallpulver, lager för lager, och bygger upp ett föremål i tre dimensioner. Basen finns i en cad-fil i stl-format, en filtyp som är vanlig vid friformsframställning.
Arcams egenutvecklade program i friformsframställaren skär objektet i stl-filen i tunna lager, i deras fall 50 mikrometer. Därefter byggs produkten upp av något tusental sådana lager i metallpulver, oftast titan eller titanaluminid.

Apparaten i genomskärning. Alltihop börjar med en glödtråd allra överst, som skapar ett elektronmoln. Molnet dras nedåt mot anoden. Glödtråden omges av en så kallad Whenelt-cylinder (en sådan som även katoden i alla gammaldags bildrör hade) som ligger på något högre spänning är glöden, för att elektronerna ska vilja åka rakt fram och inte slinka utåt åt sidorna, som liksom anoden är jordade.

På sin väg nedåt snyggas elektronstrålen till, fokuseras och sveps sedan i x- och y-led av två avlänkningsspolar. Hela elektronoptiken, förstärkare och allt är Arcams egen design.
De båda kassetterna är laddade med cirka 50 kilo titanpulver vardera och matar ut litet i taget i botten. Pulvret skrapas fram över arbetsbordet av en kedjedriven raka. Arbetsbordet manövreras av en stegmotor som kan sänka det i steg om 50 mikrometer.

Datorn i skåpet intill skapar alla avlänkningsspänningar via D/A-omvandlare och styr alla övriga högeffektkomponenter, som pumpar, ventiler, värmare, motorer och strålström via ett programmerbart styrsystem.

Det finns också maskiner som sintrar ihop metallpulver med en laserstråle. Sintring ger porösare arbetsstycken, medan ebm ger absolut solida föremål med god kristallstruktur. I och med att man dessutom håller hela föremålet vid väldigt hög temperatur, vad gäller titan 650 grader, avspänningshärdas det samtidigt. Det eliminerar behovet av efterföljande avspänningsglödgning som alla Arcams konkurrenter tvingas göra för att få korrekt kristallstruktur med hög hållfasthet.

Det viktigaste i apparaten är elektronkanonen. Överst ser du kablaget för högspänning, glödspänning och avlänkningsspänning till de fem fokus- och avlänkningslindningarna.

Själva glödtråden ligger på minus 60 kilovolt för att anoden, dit elektronerna accelereras, ska kunna bultas till chassit och bli en jordad del av resten av apparaten. Sett från elektronernas sida ligger anoden 60 kilovolt högre i potential än glödtråden, och är ett hett eftertraktat mål för varenda pigg elektron.