Novel method for producing near-net shape metal components

I tusener av år har mennesker laget metallkomponenter blant annet i form av mynter, smykker, våpen, matlagingsredskaper og møbler, samt innen transport. Selv i det gamle Egypt, for 5000 år siden, var metallarbeidere aktive med å tilegne seg kunnskap og ferdigheter for å kunne utvikle og lage metallkomponentene de trengte. Den gang, i metallurgiens tidlige stadium, var det hovedsakelig metallene som finnes i naturen som ble benyttet, også i handel. Disse metallene var blant annet sølv, gull, kobber, tinn og antimon. Innimellom brukte man også jern-nikkel meteoritter. Med tiden, og utviklingen av metallsmelting og metallegeringer, økte spennet av anvendelige metaller drastisk. Samtidig ble også smarte måter å lage 3D objekter utviklet. Støping og smiing er to av hovedmetodene i produksjonen av metallkomponenter. Ved støping lager man først et voksmønster og en hul die for å generere 3D modeller. Det tomme hulrommet i støpeformen blir deretter fylt med flytende metall og videre avkjølt og størknet. Når støpeformen deretter ødelegges/separeres resulterer det i en form-nær metallkomponent. Ved smiing blir en metallblokk varmet opp i en smi for å mykne metallet, deretter blir metallet banket gjentatte ganger med en hammer til man oppnår ønsket form. Deretter kan man bråkjøle metallet i vann for å styrke metallegenskapene. Selv om smiing ikke gir like intrikate former som støping, har også smiing mange anvendelser. Disse eldgamle teknikkene fra flere tusen år tilbake brukes fortsatt den dag i dag. Med moderne støping kan man produsere alt fra en ti tonns skipspropell til et monokrystallinsk turbinblad i en jet motor. Smiing brukes også i store deler verden for å produsere deler til blant annet kjernekraftreaktorer, olje- og gass installasjoner, luftfart og romfartssatellitter. I nyere tid har «additive manufacturing» (AM) og 3D printing blitt utviklet som en ny metode for å lage metallkomponenter av høy verdi. Disse metodene tilfører kundene muligheter som støping og smiing tradisjonelt ikke har kunnet tilby. HIPtec AS er et oppstartsselskap i Norge som har funnet opp og utviklet en ny AM prosess som kan levere usedvanlig gode mekaniske egenskaper til en rimelig pris. Prosessen involverer høy temperatur opp til 1200°C kombinert med høyt trykk opp til 2000 atmosfære, som er det samme trykket man finner i Marianegropen i Stillehavet. HIPtecs teknologi er perfeksjonert over fire år og de fleste legeringer kan anvendes, blant annet karbon stål, rustfritt stål, nikkel, superlegeringer, stellite, bronse, lett-legeringer samt kombinasjoner av forskjellige metaller og keramer. HIPtec lager for øyeblikket en komponent av halvparten stål og halvparten nikkel i én og samme komponent. Å kunne lage multimateriale komponenter slik som denne er noe helt nytt. Denne teknologien gjør det mulig for ingeniører å plassere materialer og egenskaper akkurat hvor de ønsker i komponentene. Hvordan kvalifisere slike komponenter er for øyeblikket en av de største utfordringene. Prosjektteamet, med hjelp av DNV GL, arbeider nå med non-destructive testing (NDT) metoder. NDT testing går ut på å bruke ultralydinspeksjon og gjør det mulig å kvalifisere komponenter til industrielt bruk uten at komponentene må ødelegges under testing. HIPtec er i begynnelsen av 2021 i stand til å produsere 50-250 kg demonstrasjonskomponenter i komplekse legeringer. Et av prosjektets mål var å produsere maritim- og olje&gasskomponenter og Hiptec har allerede laget komponenter som er i ferd med å entre de første stegene i in-service testing. Hiptec er for øyeblikket godt i gang med å utvikle en pilotfabrikk og vil trolig innen 2021 være klar til å tjene sektorer inne energi, maritim, romfart, helse, og kjemisk industri i Norge og utenlands. Med utviklingen av fabrikken vil Hiptec oppskalere teknologien til å kunne levere komponenter i tonn størrelse.

The BIA project has allowed HIPtec to further develop and validate the novel AM+HIP process for making high-quality metal components in a variety of alloy systems. This research will further HIPtec's capabilities and help the company transition from R&D to qualified industrial supply. The impact is tremendous, since it will allow HIPtec to access markets, such as maritime, energy, oil&gas and renewables within the coming years. These markets all require high-value metallics with good reliability and precision, often with multi-material combinations. The impact for Norway will be factory creation, high-tech jobs and increased activity in the manufacturing sector.

HIPtec aims to enable production of high-quality complex metal components with minimal waste (near-net shape, i.e. with minimal need for post-process machining). HIPtec's process cost is estimated to become substantially lower than forging and current additive manufacturing techniques, with most of the advantages of high flexibility and short lead times associated with existing additive manufacturing routes, and even with additional novel features such as the capability to produce multi-material components. The unique aspects of this innovation include the combination of additive layer manufacturing, hot isostatic pressing and relatively low-cost commodity feedstock. HIPtec has already performed promising initial tests resulting in material quality comparable to standard forged specifications when it comes to ultimate tensile strength, yield strength and ductility, but there are remaining issues related to lack of 100% isotropy in the mechanical properties as well as insufficient ductility. Characterizations (SEM and EDS) of the initial samples have given some clues, but more structured analyses and modeling is needed to understand the underlying mechanisms, and thus provide a platform for targeted development. The technology is a "platform technology" applicable to a number of common metals used for industrial parts and a large range of component form factors with an enormous addressable market.