Ny avhandling undersöker möjligheten att 3D‑printa rostfritt stål

– Hur man smälter och skapar sina produkter i rostfritt stål spelar stor roll för vilken egenskap materialet till slut får och med den här tekniken kan vi styra det väldigt noga, berättar Stefan Roos, nybliven doktor på Mittuniversitetet.

Additiv tillverkning, det som i dagligt tal brukar kallas 3D-printing, är på bred frammarsch. Forskningscentrumet Sports Tech Research Centre vid Mittuniversitetet, där Stefan Roos doktorerat, ligger i framkant och tillhör de ledande i Sverige och världen, främst inom metoden elektronstrålesmältning av metall. Den nya tekniken ses som ett komplement till både gjutning och fräsning av industriellt framställda metallprodukter.

– Slutsatsen i min avhandling är att det fungerar väldigt bra att använda en elektronstråle för att smälta det här materialet, fortsätter han.

Stefan har jobbat med olika processinställningar som exempelvis definierar hur varmt det är i kammaren där man smälter stålet, hur mycket energi det är i elektronstrålen samt hur snabbt den färdas och hur den rör sig när den smälter.

– Idag saknar teknologin mer eller mindre helt processparametrar för rostfritt stål bortom labb-nivå, därmed begränsas möjligheten för tillämpningar, trots att materialen används i allt från bestick och kastruller till avancerade industriella tillämpningar inom till exempel kemi-, kraft-, marin- och pappersmassaindustrin.

Kortfattat går processen i maskinerna ut på att värma upp en bit volfram – ett grundämne som tål extremt höga temperaturer – så att den blir så varm att den börjar avge elektroner. Därefter accelereras elektronerna till närmare halva ljusets hastighet och innehar därmed mycket energi i form av rörelse. De ”skjuts” sedan ner i materialet, som består av metall i pulverform. När elektronerna möter materialet överförs rörelseenergin och materialet värms upp och smälts. Detta sker väldigt lokalt då ytan som strålen träffar typiskt är cirka 250 mikrometer i diameter.

– Det här är en lager på lager-process där man smälter ett tunt lager i taget. Varje lager som adderas är mellan 50 och 100 mikrometer tjockt. Sedan upprepas processen med olika smälta i varje lager tills man har byggt den komponent man är ute efter.

Stefan Roos doktorsavhandling där en närbild på det metallpulver som används i processen pryder framsidan.

Stefans doktorsavhandling med titeln ”Electron beam powder bed processing of stainless steels” kan delas upp i två delar.

– Den första delen av doktorsavhandlingen är kopplad till forskningsprojektet TROJAM som undersöker hur väl ett av de vanligaste rostfria stålen, 316LN, fungerar tillsammans med elektronstrålesmältning.

– Den andra delen ingår i forskningsprojektet AMSUSS där ett mer högpresterande rostfritt stål av super-duplex typ, 2507, testas i kombination med elektronstrålesmältning. Projektet är ett samarbete mellan flera större företag och är i grund och botten riktat mot ett av företagen i projektet som vill kunna göra om en av sina komponenter till att tillverkas med den här metoden i stället. Det kan bidra till en klar förbättring om de slipper testa nya gjutformar eller genomföra flera ändringar i produktionsprocessen. I stället går det att lätt anpassa geometrin, berättar han.

Resultaten i doktorsavhandlingen kommer förhoppningsvis att kunna bidra till nya sätt att använda additiv tillverkning.

– Området har utvecklats otroligt mycket bara sedan jag började, då fanns knappt några vetenskapliga artiklar publicerade inom ämnet. Nu börjar det bli väldigt specifika grejer man forskar på. Jag ser mycket fram emot att fortsätta undervisa och forska vidare i liknande projekt framöver och försöka utveckla eller anpassa processen till olika material eller anpassa material till processen, avslutar Stefan.

Forskningsprojekten som Stefan Roos avhandling är kopplade till har finansierats av Europeiska regionala utvecklingsfonden och KK-stiftelsen.

Läs avhandlingen här