Material från 3D-skrivare under luppen

Johan Moverare och hans forskargrupp ger sig nu in i de additivt tillverkade produkternas inre. Mikrostruktur, hållfasthet, slitstyrka med mera ska studeras i detalj. En industriell revolution hägrar om materialen håller måttet.

Johan Moverare, professor i konstruktionsmetarialFoto: Charlotte PerhammarAdditiv tillverkning, eller 3d-printning, har potential att revolutionera tillverkningsindustrin. Prylar som man hittills producerat exakt likadana i miljonupplagor kan tillverkas till ungefär samma kostnad i några få exemplar och som dessutom inte behöver vara exakt lika. Maskiner finns för tillverkning , utskrift, i plast, gips och metaller, men också i biologiska material.

3D-utskrivna detaljer Foto: Charlotte PerhammarUtvecklingen går snabbt: behövs en reservdel till bilen kan du kanske i framtiden gå till verkstaden som snabbt skriver ut just den del du behöver från sina lagrade cad-ritningar för just din bilmodell. Inga lager behövs och ingen stor maskinpark. Fabriker finns i varje kvarter

Skapar materialet

Det mest är möjligt i teorin, men hur ser det ut i praktiken?

– Vid additiv tillverkning skapar man materialet samtidigt som man bygger komponenten, på samma vis som kompositmaterial. Det betyder att geometrin och tillverkningsprocessen påverkar materialets egenskaper. Ska tekniken bli till verklig nytta inom exempelvis bil- eller flygindustrin måste vi vara säkra på vilka egenskaper materialet har i slutprodukten, säger Johan Moverare, professor vid Avdelningen för konstruktionsmaterial.

Inom stålindustrin finns mängder av kunskaper om höghållfasta stål, inom den bearbetande industrin finns kunskaperna om hur stålet bäst ska bearbetas, men när det handlar om additiv tillverkningen behövs allt på en gång, och lite till.

– I avancerade produkter, som flygplan, måste vi veta exakt vilka egenskaper det material har som vi stoppar i produkterna, tillfogar Magnus Kahlin, industridoktorand på avdelningen.

Han är verksam på Saab och hans doktorandprojekt handlar om att studera egenskaperna hos material som aluminium och titan, båda viktiga för flygindustrin.

Stora fördelar 

Fördelarna med den additiva tillverkningen är uppenbara, en liten designändring i dag innebär inte bara en ny ritning utan också att nya verktyg behöver tas fram, en kostnad på flera miljoner.

– Men industrin vill ha robusta processer, materialegenskaperna får inte variera annat än inom ett mycket litet spann när man ändrar en liten detalj, köper en ny maskin eller återanvänder pulvret, förklarar han.
Magnus Kylin, Johan Moverare, Dunyong Deng och Jonas SaarimäkiFoto: Charlotte Perhammar
Forskargruppen studerar nu de additiva tekniker som innebär att ett pulver av en metall sprids ut i tunna lager på lager där varje lager smälts samman med det föregående med hjälp av laser eller en elektronstråle. En 3D-ritning i datorn styr strålen, metallen smälts samman bara där strålen går fram medan pulvret runt om och i eventuella håligheter i formen förblir pulver. Det samlas ihop och används till nästa utskrift vilket innebär att materialspillet blir minimalt.

När det gäller additiv tillverkning är inte heller pulvret, metallen, den stora kostnaden, utan själva byggtiden. Pulvret kostar ungefär lika mycket oavsett vilken metall det är, vilket också förändrar ekonomin i tillverkningen.

Titan, aluminium och nickellegeringar

Magnus Kahlin studerar mikrostrukturen i detaljer i titan och aluminium i elektronmikroskop. Små provstavar utsätt för både statisk och dynamisk belastning tills de brister och jämförs med motsvarande valsade eller extruderade (metallen pressas eller sprutas genom en form) detaljer. Dunyong Deng, även han doktorand ska istället studera de höghållfasta nickellegeringar som är så vanliga i exempelvis gasturbiner. Han ska i sitt projekt även jämföra gjutna och smidda detaljer med additivt tillverkade i samma legering.

– Vi börjar förstå hur mikrostrukturen påverkar sprickbildningen i de konventionella materialen. Vi ska nu titta på samma material i additiv tillverkning. Baserat på de kunskaper vi har idag misstänker jag att det kommer att bli problem med sprickbildning för vissa tillämpningar, konstaterar Johan Moverare.

Men hittills är det bara misstankar, forskningen ska ge svar.

– Vi studerar även metaller som ofta behöver värmebehandlas i komplicerade processer för att få de egenskaper som industrin eftersträvar. Det additivt tillverkade materialet uppför sig troligen på ett annat sätt och gissningsvis behövs helt andra processer, säger han

Industrinära forskning

Finansieringen kommer från flera olika håll, Stiftelsen Strategisk forskning, SSF, finansierar exempelvis tillsammans med Saab Magnus Kahlins industridoktorandtjänst. Dunyong Deng utför sina doktorandstudier på stipendium från hemlandet Kina och pengar kommer även från den strategiska satsningen på avancerade funktionella material, AFM, vid LiU som får årliga anslag från SSF. Ytterligare en doktorand är knuten till gruppen, Jonas Saarimäki, som forskar på mekanismerna för sprickpropagering i nickelbaserade material för turbiner.

– Det finns naturligtvis fler forskargrupper i Sverige och världen som tittar närmare på de additivt tillverkade materialen, men vissa egenskaper är väldigt produktnära och vi ska försöka efterlikna de skademekanismer som finns i industrin så mycket som möjligt, säger Johan Moverare.

Additiv tillverkning

Additiv tillverkning innebär att man sammanfogar material lager för lager för att skapa objekt från digitala 3D-modeller. Kallas också 3D-printing, friformstillverkning eller rapid prototyping.
Utskrift i 3D-skrivareFoto: Charlotte Perhammar
Ett objekt eller en produkt produceras genom att 3d-modellen i datorn delas upp i mycket tunna lager där lagren byggs på varandra tills objektet är klart. Materialen varierar, det finns maskiner som skriver ut i gips, plaster, metaller och biologiska material.

Tekniken används i dag industriellt där färdiga produkter tillverkas i exempelvis titan, aluminium och olika plastmaterial.

Tillverkade produkter av metall har funnits på marknaden i mer än tio år. Två tillverkningstekniker dominerar: smältning med laser, Selective Laser Melting, SLM, respektive smältning med en elektronstråle, Electron Beam Melting, EBM. Svenska företaget Arcam är ett av de ledande inom området med sina EBM-maskiner som används såväl för ortopediska implantat som reservdelsproduktion.

Bläckstråletekniken används också speciellt för tillverkning i biologiska material och olika polymerer.

Forskarna vid LiU studerar material från olika typer av maskiner som bygger av metallpulver exempelvis titan, aluminium, nickel-legeringar och stål. De studerade objekten kommer från flera olika håll och de tillverkas i industrinära processer.

Kontakt

Nyheter

Forskning