13 december 2023

Att 3D-skriva ut olika produkter kan förändra processerna inom allt från tillverkningsindustri till sjukvård. En del kanske tänker på astronauten som har glömt skiftnyckeln hemma. Är det bara att skriva ut en ny?

Tre manliga forskare i laboratorium. Jinghao Xu, Anton Wiberg och Joakim Holmberg samarbetar på olika sätt inom additiv tillverkning. Det finns många utmaningar, som rör allt från hållfasthet i materialet till miljöpåverkan. Thor Balkhed

− Men det är mer komplicerat än så, konstaterar Anton Wiberg, postdoc och projektledare inom en del av området additiv tillverkning vid Linköpings universitet. Bland annat måste vi kvalificera tillverkningen, kunna repetera den, säkra hållfastheten och studera materialet, kostnader och effekter på miljön. För oss forskare blir det många frågor.

En 3D-utskrift av ett höftben i naturlig storlek. En 3D-utskrift av ett höftben i naturlig storlek. På så vis kan ortopederna träna på ett realistiskt sätt. Foto Thor Balkhed Additiv tillverkning är begreppet för det som kallas 3D-utskrift. Tillverkningsprocessen skiljer sig helt från vanlig, traditionell tillverkningsindustri. Här finns gott om fördelar:
Tillgänglighet är viktigt. På relativt kort tid har du produkten i handen. Tillverkningen är kanske inte bättre för miljön, men minskade transporter kan göra skillnad och ge lägre totalkostnader. Man kan tillverka saker styckvis och individanpassa detaljerna.

Det är viktigt med
en laboratoriemiljö som
kan inspirera andra 
På minussidan finns osäkerheter kring kvalitet, och en allmän skepsis. Additiv tillverkning ökar men har inte mognat ännu.

− De traditionella tillverkningsprocesserna är ju väldigt mogna. Man vet mycket väl hur man fräser ur något för att få rätt form. Nu kommer det in helt nya metoder med 3D-utskrift. Det blir en stor osäkerhetsfaktor. Men mycket talar för att de nya metoderna också mognar, säger universitetslektorn Joakim Holmberg.

Värmekammaren i 3D-skrivaren för utskrifter i metall.Det blir omkring 2 000 små ”bearbetningar” eller tillägg av material per sekund. Hela biten blir glödande varm, något som syns på bilden. Foto Thor Balkhed Det susar i laboratoriet. Fläktarna håller temperaturen och luftens kvalitet i schack. Allt är kopplat till ett system med särskilda filter. Mitt i det ljudisolerade rummet står en maskin. Den skriver ut material i metall. Temperaturen i byggkammaren behöver vara omkring 1 000 grader. Labbet är stängt men samtidigt öppet. Det finns fönster där nyfikna studenter kikar in ibland.
Manlig forskare kontrollerar 3D-printer i laboratoriet.Forskningsingenjören Jinghao XU.
− Det vänjer man sig vid. Det är viktigt med en laboratoriemiljö som kan inspirera andra. Vi vill att den här ytan ska bli tillgänglig som testbädd för både forskare, studenter och näringslivet, säger Anton Wiberg.

Vid 3D-utskrift skapas materialet, produkten och dess geometri samtidigt. Det ställer väldigt höga krav på hela processen, från metallpulver till en geometrisk form.

Geometrin, alltså produktens form, påverkar hela tillverkningen och även det slutliga materialets kvalitet. Anton Wiberg håller fram en platta med exempel på olika former.

Prover av olika utskrifter i metall.Prover av olika utskrifter. Produktens form påverkar både tillverkningen, materialet och hållfastheten. Foto Thor Balkhed − Titta här, den kvadratiska biten får bättre egenskaper och mycket finare yta. Medan de som varierar i form får sämre egenskaper. Med en mindre detalj går det snabbare och temperaturen blir högre eftersom du stoppar in mer energi på mindre tid på samma ställe. Det är en av de saker som vi försöker att ta hänsyn till, säger Anton Wiberg.

Foto Thor Balkhed Forskarna ser många användningsområden för 3D-utskrift. Till exempel nya typer av ihåliga strukturer i metall som ska kunna bära mer i förhållande till sin vikt än vanlig, massiv metall. Men också olika typer av polymerer, alltså plast.

− I princip alla material kan 3D-printas om man väljer rätt teknik. Men konsekvenserna av additiv tillverkning spänner över en produkts hela livscykel och tvingar oss att omvärdera hur produkter utformas, tillverkas, används och återvinns, säger Johan Moverare, professor och forskningsledare inom området additiv tillverkning.

Medicinska tillämpningar är ett av områdena som de fokuserar på. Anton Wiberg har arbetat med utskrifter av höftben, tillsammans med Joakim Holmberg och forskningsingenjören Jinghao Xu samt ortopeden Jörg Schilcher, forskare vid Medicinska fakulteten. Det görs med ett plastmaterial som ska likna strukturen i mänskligt skelett.

Från bilder av en skiktröntgen skriver de ut en modell i naturlig storlek som är mycket lik den höftled som faktiskt ska opereras.

Utskriften fungerar
med en vanlig hobbyskrivare.
Det håller kostnaderna nere 
− Meningen är att läkarna ska kunna träna sig på ingreppet inför en operation. Vi har utvecklat en programvara som gör om bilderna från CT-skanning. Programvaran är enkel att använda. Utskriften fungerar med en vanlig hobbyskrivare. Det håller kostnaderna nere, säger Anton Wiberg.

På så vis kan kirurgerna diskutera ingreppet i förväg. De kan öva på att borra och skruva i det utskrivna ”ben-materialet” och på att sätta fast implantat med skruvar – före den faktiska operationen. De kan också öva på nya metoder och mer avancerade ingrepp.− Träning kan både minska operationstiden och ge bättre resultat, säger Anton Wiberg.
Photo på konstgjord del av höftled. En 3D-utskrift av ett höftben i naturlig storlek. På det här sättet kan ortopederna träna på ett realistiskt sätt. Foto Thor Balkhed
Arbetet sker tvärvetenskapligt med forskare och ortopeder på Region Östergötland och vid Medicinska fakulteten. Träningen har endast utförts i workshop-format. Det sker inte i samband med operation. Men forskningen har presenterats på vetenskapliga konferenser, och ska sammanställas i artiklar för publicering. Ett annat samarbete sker med ett medicinskt företag, Swemac, som gör titanspikar för höftleder och handleder. Där handlar det om att utveckla en helt ny tillverkningsprocess.

Vilka vetenskapliga vinster finns i samverkan med företag och organisationer?

− Stora vinster, eftersom vi kan ställa frågor i vår forskning som är relevanta för framtidens tillämpningar, säger Anton Wiberg.

Johan Moverare sammanfattar det så här:

− Det finns många goda exempel på hur additiv tillverkning bidrar till att göra produkter effektivare, billigare och miljövänligare. Men det måste göras på rätt sätt och det finns fallgropar. Fortfarande finns det väldigt många utmaningar som vi måste lösa tillsammans med industri och andra organisationer i samhället.
Foto Thor Balkhed

Fakta

Additiv tillverkning är en samling tillverkningsmetoder som jämfört med traditionella metoder erbjuder en flexibel tillverkningsprocess med möjlighet att skapa avancerade geometrier och material.

Linköpings universitet
och Institutionen för industriell och ekonomisk utveckling (IEI) gör en satsning för att stärka kompetensen och tillgänglig utrustning inom olika metoder för att tillverka metall, polymerer och andra material.

Målet är en verksamhet med både intern forskning och möjlighet att samarbeta med andra delar av universitetet, Regionen och näringslivet.
I dag sker samverkan genom olika projekt med bland annat Innovative materials arena (IMA) och olika aktörer från näringslivet, exempelvis Saab, Siemens energy och Region Östergötland.

Kontakt

Relaterat innehåll

Senaste nytt från LiU

Porträtt på professor Zoran Slavnic.

Bosniska flyktingar klarade sig trots ovisshet

Två grupper flydde i omgångar från kriget i Bosnien. Den ena fick snabbt permanent uppehållstillstånd i Sverige medan den andra fick leva i ovisshet. Nu har forskare vid LiU undersökt vad det fick för följder. Resultatet är oväntat.

ung man tar paus i löpningen.

Fysisk form i tonåren kopplat till åderförfettning i medelåldern

Män som var i god fysisk form som unga hade lägre risk för åderförfettning nära 40 år senare, enligt en studie ledd av LiU-forskare. Fynden pekar mot att åderförfettning är en av mekanismerna bakom sambandet mellan fysisk form och hjärt-kärlsjukdom.

Med kunskap att ge den rätta bilden av folkhögskolan

Som enda lärosäte i Sverige examinerar LiU folkhögskollärare. Cecilia Lindholm tog sin examen genom uppdragsutbildningarna FUD och hon tror att möjligheten att ta examen är viktig för att stärka folkhögskolan som utbildningsform.