Kombination av värmemetoder effektiviserar additiv tillverkning

Doktoranden William Sjöström har tillsammans med bland annat Carlos Botero, som är hans handledare vid Sports Tech Research Centre, undersökt hur additiv tillverkning (3D-printing) med pulversmältningsmetoder kan utvecklas.

– I vårt projekt har vi tittat på hur vi kan tillföra mer energi som inte är beroende av elektronstrålen för att på så sätt kunna bygga komponenter effektivare, berättar William.

I nuläget begränsas tekniken av att det bara finns en elektronstråle som värmer hela ytan i tillverkningsprocessen. Ju större area man vill bygga, desto längre tid tar det.

– För att få additiv tillverkning produktivt är det viktigt att ha en extra värmekälla. Vi har använt oss av en elektromagnetisk värmare som arbetar i det nära infraröda spektrat. Dels är den väldigt snabb, dels är den helt separat från elektronstrålen. Genom att använda elektromagnetisk strålning för att värma pulvret och elektronstrålen för att smälta det kan vi öka både hastighet och effektivitet.

William Sjöström, doktorand i maskinteknik vid Mittuniversitetet.

Så fungerar additiv tillverkning med hjälp av elektronstrålar

Traditionell additiv tillverkning med elektronstrålesmältning sker genom att en pulverbädd smälts lager efter lager i en vakuumkammare. Pulvret smälts punktvis när de accelererade elektronerna träffar ett bestämt ställe. Det möjliggör komplexa geometrier med en lagertjocklek på 50 mikrometer, vilket motsvarar ungefär halva diametern av ett hårstrå.

– Det skulle kunna beskrivas som att man bombarderar en kontrollerad area med elektroner tills det smälter. Fördelen med att använda elektroner är att man kan styra dem utan mekanisk påverkan, så det är helt elektromagnetiskt, vilket gör att man kan hoppa snabbt mellan olika punkter. Man använder traditionellt endast en stråle eftersom elektronerna påverkar varandra, förklarar William.

Tekniken är relativt dyr och används främst för att skapa högpresterande komponenter inom bland annat flyg- och medicinindustrin.

Fördelar med den nya tillverkningsmetoden

– Vi såg potentialen att integrera en ny typ av värmemetod. Det var ingen som hade försökt med det innan vi sökte forskningsmedel för att undersöka möjligheten. Utöver att metoden är mycket snabbare så finns det andra fördelar med den här lösningen. I traditionell 3D-printing kan olika sorters metaller vara känsliga för ”ryk”, vilket innebär att ett moln av partiklar kan uppstå som i sin tur kraschar processen. Det kan vi undvika nu, berättar William.

Forskargruppen fortsätter att förfina och utveckla metoden i det dagliga materialutvecklingsarbetet i labbet.

– Artikeln visar att den här tekniken fungerar på vanliga legeringar med den här typen av utrustning. Företagen som vi samarbetar med i projektet tror väldigt mycket på det här och har redan tagit patent på metoden, avslutar han.

Artikeln kommer att ingå i William Sjöströms kommande avhandling. Forskningen är finansierad av Rolf och Gunilla Enströms stiftelse för forskning och utveckling.

Läs artikeln här