Industrins intresse för pulverbäddsbaserad additiv tillverkning med elektronstråle som energikälla har ökat lavinartat de senaste tio åren. Att tillverka produkter med denna lager-på-lager-princip har många fördelar och skapar helt nya möjligheter för tillverkningsindustrier inom många branscher.
– Med additiv tillverkning blir det till exempel möjligt att producera lättare och mer komplexa komponenter i en-stegs-process. Det ger bland annat effektivare och mer miljövänliga flygmotorer, säger Paria Karimi som försvarade sin avhandling på Högskolan Väst i december.
PULVERBÄDDSBASERAD ADDITIV TILLVERKNING
Karimi har fördjupat sig i hur pulverbäddsbaserad additiv tillverkning med elektronstråle fungerar vid produktion av komponenter i superlegeringen 718 – ett material som är högintressant för flyg- och rymdindustrin. Processen är också intressant för andra branscher som tillverkar skräddarsydda komponenter i små serier, exempelvis medicinska implantat. Om man kan utveckla tillverkningsprocessen optimalt finns oerhört mycket att vinna både i produktionstid och materialkostnader.
KOMPLEX PRODUKTION I EN OCH SAMMA PROCESS
– Målet med additiv tillverkning är att kunna producera mer komplexa, lättare och starkare komponenter i en och samma process. Idag görs tillverkningen fortfarande i flera steg och ofta krävs någon form av efterbehandling, vilket är både tidskrävande och kostsamt.
Paria har genomfört sin forskning i fyra steg. Inledningsvis undersökte hon hur mikrostrukturen och defekter hos legering 718 utvecklas och bildas under tillverkningsprocessen. Därefter studerade hon hur materialets mikrostruktur påverkas beroende på position på byggplattan, eftersom en av de främsta fördelarna med EB-PBF är att man kan bygga flera delar samtidigt.
Genom en lång rad tester har hon undersökt hur tätt de olika komponenterna kan byggas, hur höga de kan vara, och så vidare, utan att deras egenskaper förloras. Dessutom har hon ägnat mycket tid åt att hitta rätt processparametrar för att på så vis minimera defekter hos materialet.
MER FLEXIBELT KONSTRUKTIONSARBETE
– Slutligen har jag undersökt hur man kan skräddarsy specifika egenskaper hos metallen genom att styra olika processparametrar vid tillverkningen. Det var nog den svåraste och samtidigt den roligaste delen av mitt arbete.
– Jag har utvecklat strategier som gör det möjligt att designa mikrostrukturen så att legeringen får mer homogena egenskaper. Det innebär att metallen beter sig mer likartat oavsett vilka belastningar den utsätts för. Detta kan ge stora fördelar för tillverkare av flygmotorkomponenter eftersom det ger dem större flexibilitet i konstruktionsarbetet.
Paria Karimi nämner att det kvarstår en del utmaningar vad gäller egenskaper på färdiga komponenter tillverkade med EB-PBF. Ett exempel är att ytskikten kan behöva efterbearbetning.
– Kraven på finish ser förstås olika ut beroende på vad komponenten ska användas till. Men generellt kan man säga att den här typen av additiv tillverkning än så länge inte levererar en hundraprocentig finish på produkten.
VÄRDEFULL INPUT FRÅN INDUSTRIFÖRETAG
I det stora forskningsprojekt som Parias arbete är en del av, SUMAN-Next, har andra forskare undersökt lämpliga tekniker för efterbearbetning. Forskarteamet har arbetat i nära samarbete med GKN Aerospace, Sandvik Additive Manufacturing, Arcam-EBM och Siemens Energy.
– Vi träffades regelbundet för att presentera resultat och industriföretagen gav oss forskare värdefull input.
ARBETADE I KANADA
Under doktorandstudierna arbetade Paria några månader på Waterloo University i Kanada i ett forskarteam som också är inriktat på pulverbäddsbaserad additiv tillverkning.
– Det var spännande och lärorikt att ta del av deras forskningsarbete och möta nya personer som också har stor passion för sin forskning.
Mycket har hänt i Parias liv det senaste året. Bara 47 dagar före disputationen födde hon en flicka och strax därefter fick hon en post-doc-tjänst på Waterloo University. I april flyttar hela familjen till Kanada.
– Jag ser mycket fram emot att forska vidare tillsammans med det kanadensiska teamet. Uppdraget skiljer sig en hel del från det jag forskat om hittills, men det finns gemensamma nämnare. Här ska jag titta närmare på additiv tillverkning med både elektronstråle och laserstråle som energikällor och med material som aluminium och titan.
Paria Karimis avhandling: ”Electron beam-powder bed fusion of Alloy 718: Effect of process parameters on microstructure evolution”
