Svjetlana Stekovic, forskningskoordinator vid Grants Office och forskare vid Institutionen för ekonomisk och industriell utveckling, koordinerar två projekt som arbetar för att förbättra material för flygplan. Material i flygplanens turbinmotorer påverkas av värme och mekaniskt slitage. Speciellt drabbas de roterande turbinskivorna som måste tåla stora variationer i temperatur och mekanisk påfrestning, samtidigt som skivornas hållfasthet är avgörande för säkerheten hos motorerna. Turbinskivan är också den del som avgör den totala effektiviteten av själva motorn.
– Turbinskivan roterar väldigt snabbt och den utsätts för extrema belastningar och temperaturer. Skivans mitt är tjockare än skivans yttre kanter och varierande tjocklek på materialet leder till att olika tjocka delar av skivan värms upp och kyls ner olika snabbt. Då bildas det spänningar i skivans mitt under start och stopp av motorn. Temperaturerna vid skivans mittpunkt och dess kanter blir då olika vid samma tidpunkt, vilket är påfrestande för materialet som skivan är gjord av, säger Svjetlana Stekovic.
Svjetlana Stekovic undersöker material för flyg på olika sätt. Foto: Susanna Lönnqvist.Utvecklingen av turbinmotorer har gått ut på att höja temperaturtåligheten och göra turbinskivorna tunnare för att skapa lättare motorer och flygplan. Hur vet vi att materialet som turbinskivorna är gjorda av klarar påfrestningarna och förändringarna?
Projektet DevTMF, där TMF står för den engelska termen för termomekanisk utmattning, har som mål att utveckla metoder och modeller för att kunna förutse hur material i turbinskivor beter sig under olika förhållanden. Då man utvärderar material tittar man på olika skeden i hur skador i materialet uppstår och hur de utvecklas. I dag finns inget standardiserat sätt att utvärdera propagering av skador under termomekanisk utmattning, det vill säga hur sprickor sprider sig och blir större i materialet, och hur propagering påverkas av materialets egenskaper.
– I projektet försöker vi förbättra en experimentell metod för att studera termomekanisk utmattning och samtidigt ta fram ett standardiserat sätt att utvärdera termomekanisk sprick-propagering, och kombinera båda med modellering och simuleringar, säger Svjetlana Stekovic.
Arbetet handlar i slutändan om att kunna förutse en mer exakt livslängd för turbinskivor. Det möjliggör en bättre drifttid och livslängd för turbinkomponenter, vilket i sin tur leder till färre servicetimmar av flygplan och mindre spill av material för maskindelar. Att använda material och motordelar fullt ut är också en del i effektiviseringen:
– Flyget påverkas positivt av att skapa så effektiva motorer som möjligt, med så bra material som möjligt då en mer optimerad motor använder mindre bränsle, vilket ger miljömässiga vinster men också fördelar för EU:s flygindustri, säger Svjetlana Stekovic.
Apparatur för test av termomekanisk utmattning. Foto: Svjetlana Stekovic.I projektet ingår också att utveckla nya material för Rolls-Royce turbinskivor, som i det här fallet tål högre temperaturer.
– Utvecklingen av material för turbindelar har varit imponerande under de senaste 40 åren, då temperaturförmågan stigit med 250 grader under den tiden. Vi är nästan på max i dag för temperaturanvändningsgräns, men om motorerna kan klara en mindre ökning, med bara 25 till 40 grader mer än i dag, skulle motorerna bli mer effektiva och använda upp till mellan en halv och en procent mindre bränsle, säger Svjetlana Stekovic.
En minskning som kan tyckas liten men som i det långa loppet kan bidra till minskade utsläpp av växthusgaser.
– Optimerade turbinskivor kan inte själva leda till stora sänkningar i koldioxidutsläpp, men tillsammans med annan forskning och innovativa tekniker kan vi göra skillnad.
– Komplexa flygplansdelar kräver tillverkning i flera steg som involverar flera leverantörer, vilket leder till längre ledtider och kräver resurser och koordinering. Vi utvecklar olika additiva tillverkningsprocesser av metalliska material, som kan 3D-printas lager för lager, för att skapa en dörrkomponent som väger mindre och är enklare att tillverka, säger Svjetlana Stekovic.
3D printing innebär en förenkling av hela tillverkningsprocessen i jämförelse med klassiska metoder, och resulterar i minskat materialspill. Utmaningen är att komponenten fortfarande ska ha samma mekaniska egenskaper och skadetålighet som de konventionellt tillverkade delarna som används i flygplan i dag.
– Med hjälp av 3D printing kan vi optimera och variera geometri, form och struktur, och samtidigt materialets mekaniska egenskaper genom att ändra materialets mikrostruktur. För tillfället är det ytan av materialet som är utmaningen eftersom hållfastheten kan påverkas av ojämnheter på ytan, vilket kan leda till sprickbildning.
– Turbinskivan roterar väldigt snabbt och den utsätts för extrema belastningar och temperaturer. Skivans mitt är tjockare än skivans yttre kanter och varierande tjocklek på materialet leder till att olika tjocka delar av skivan värms upp och kyls ner olika snabbt. Då bildas det spänningar i skivans mitt under start och stopp av motorn. Temperaturerna vid skivans mittpunkt och dess kanter blir då olika vid samma tidpunkt, vilket är påfrestande för materialet som skivan är gjord av, säger Svjetlana Stekovic.
Projektet DevTMF, där TMF står för den engelska termen för termomekanisk utmattning, har som mål att utveckla metoder och modeller för att kunna förutse hur material i turbinskivor beter sig under olika förhållanden. Då man utvärderar material tittar man på olika skeden i hur skador i materialet uppstår och hur de utvecklas. I dag finns inget standardiserat sätt att utvärdera propagering av skador under termomekanisk utmattning, det vill säga hur sprickor sprider sig och blir större i materialet, och hur propagering påverkas av materialets egenskaper.
– I projektet försöker vi förbättra en experimentell metod för att studera termomekanisk utmattning och samtidigt ta fram ett standardiserat sätt att utvärdera termomekanisk sprick-propagering, och kombinera båda med modellering och simuleringar, säger Svjetlana Stekovic.
Arbetet handlar i slutändan om att kunna förutse en mer exakt livslängd för turbinskivor. Det möjliggör en bättre drifttid och livslängd för turbinkomponenter, vilket i sin tur leder till färre servicetimmar av flygplan och mindre spill av material för maskindelar. Att använda material och motordelar fullt ut är också en del i effektiviseringen:
– Flyget påverkas positivt av att skapa så effektiva motorer som möjligt, med så bra material som möjligt då en mer optimerad motor använder mindre bränsle, vilket ger miljömässiga vinster men också fördelar för EU:s flygindustri, säger Svjetlana Stekovic.
– Utvecklingen av material för turbindelar har varit imponerande under de senaste 40 åren, då temperaturförmågan stigit med 250 grader under den tiden. Vi är nästan på max i dag för temperaturanvändningsgräns, men om motorerna kan klara en mindre ökning, med bara 25 till 40 grader mer än i dag, skulle motorerna bli mer effektiva och använda upp till mellan en halv och en procent mindre bränsle, säger Svjetlana Stekovic.
En minskning som kan tyckas liten men som i det långa loppet kan bidra till minskade utsläpp av växthusgaser.
– Optimerade turbinskivor kan inte själva leda till stora sänkningar i koldioxidutsläpp, men tillsammans med annan forskning och innovativa tekniker kan vi göra skillnad.
3D printade material
Av nya och optimerade material kan också nya komponenter byggas. För flygplan är det fördelaktigt på många sätt att varje del det består av är så lätt som möjligt; ett lättare flygplan drar mindre bränsle och ger mindre utsläpp. Den komplexiteten som finns hos flygplansdelar är också något som kan optimeras under tillverkningen. I det andra projektet som Svjetlana Stekovic koordinerar, AddMan, undersöker de användningen av additiv tillverkning, det vill säga 3D-skrivarteknik. Tillsammans med SAAB utvecklar projektet en komponent i en dörr i ett flygplan.– Komplexa flygplansdelar kräver tillverkning i flera steg som involverar flera leverantörer, vilket leder till längre ledtider och kräver resurser och koordinering. Vi utvecklar olika additiva tillverkningsprocesser av metalliska material, som kan 3D-printas lager för lager, för att skapa en dörrkomponent som väger mindre och är enklare att tillverka, säger Svjetlana Stekovic.
3D printing innebär en förenkling av hela tillverkningsprocessen i jämförelse med klassiska metoder, och resulterar i minskat materialspill. Utmaningen är att komponenten fortfarande ska ha samma mekaniska egenskaper och skadetålighet som de konventionellt tillverkade delarna som används i flygplan i dag.
– Med hjälp av 3D printing kan vi optimera och variera geometri, form och struktur, och samtidigt materialets mekaniska egenskaper genom att ändra materialets mikrostruktur. För tillfället är det ytan av materialet som är utmaningen eftersom hållfastheten kan påverkas av ojämnheter på ytan, vilket kan leda till sprickbildning.
Clean Sky
DevTMF och AddMan är finansierade under Clean Sky 2, som är ett EU-finansierat program för förbättring och utveckling av olika flygrelaterade innovativa teknologier i Europa. Clean Sky 2 pågår till 2024 och strävar efter att uppfylla målen för Flightpath 2050 som är den Europeiska kommissionens vision för flyg och flygindustrin i Europa. Målen är att minska bränsleförbrukningen och tillhörande koldioxidutsläpp med 75 procent och utsläpp av kväveoxider med 90 procent fram till år 2050. Även buller från flyg ska sänkas med 65 procent. Målen är i förhållande till typiska värden för nya flygplan år 2000.
