Nya framsteg inom additiv tillverkning: Smälta keramer och optimerade värmemetoder
Av William Sjöström, doktorand i maskinteknik vid Sports Tech Research Centre på Mittuniversitetet, har precis försvarat sin lic-avhandling som presenterar nya metoder för att skapa unika materialegenskaper genom additiv tillverkning.
Den har resulterat i att två av de samarbetande företagen, Adphos och Aim Sweden, tog patent som är relaterade till uppvärmningsmetoder. Personligen brinner han dock för motorer och flygplansmotorer.
– Många som forskar i dag vill ju inte ens tänka åt det hållet med tanke på fossila bränslen men samtidigt - om man kan byta till keramiska material kan man öka verkningsgrader i de motorer man utvecklar och det finns i dag hållbara bränslen.
Slutsatserna han kommer fram till i avhandlingen "Material Development for Electron Beam-based Powder Bed Fusion", menar han dock kan komma till nytta inom många branscher och applikationer. I korthet fokuserar den på tre delar i processen kring additiv tillverkning: Utvecklingen av nya värmemetoder för processer, möjligheten att välja dem kemiska kompositionen i varje lager för att kunna producera multimaterial och smältning av keramer.
– Och det är väl just det med keramer som är det mest uppseendeväckande, säger han och förklarar att han tillsammans med kollegor forskat fram en helt ny teknik för att smälta keramer, då den additiva tekniken i grunden är byggd för att smälta metaller.
– Metaller är bra men keramer har oftast mycket bättre mekaniska egenskaper. Därför ville vi testa smälta keramer, det möjliggör många applikationer inom keramiskt material, och ingen hade lyckats med det förut. Man har väl tänkt att det var omöjligt eftersom processen kräver att man har ett levande material, säger William och förklarar hur de knäckte nöten.
– Vi löste det genom att belägga materialet med en tunn metallisk beläggning som förångas innan man kommer in i processtemperaturen.
Vi vet att flera arbetar med det här, men vi var de första som lyckades!
Vanligtvis är utrustningen specificerad för uppvärmning till 1100 grader, men nu lyckades de slå ”världsrekord” i processtemperatur, 1600 grader, vilket innebär att de lyckades bygga helt i keramiska material.
– Vi vet att flera arbetar med det här, men vi var de första som lyckades! Keramer har ofta betydligt bättre mekaniska egenskaper jämfört med metaller så jag ser stor potential att i framtiden kunna ersätta många metaller för att öka verkningsgrad, livslängd och prestation.
Nu går William Sjöström in i andra fasen av sin doktorsavhandling, som planerar avslutas 2026. Nu vill han optimera stålmaterial som redan från start har egenskaper passande additiv tillverkning.
– Det flesta materialen som finns tillgängliga för den här tekniken är ju inspirerade från material som fanns innan ens processen fanns, från till exempel svetsning.
Han förklarar att svetsningslegeringar har svårt att utnyttja hela sin kapacitet i processen, då de inte är anpassade för hög kontroll på mikrostrukturer. Dessutom kräver många av dem en värmebehandling efter processen.
– Men om man istället utvecklar legeringen för att få skapa den mikrostrukturen man vill ha direkt, så kan man bredda möjligheterna för varje legering. En tanke är att slippa värmebehandlingen, och även om vi inte lyckas göra det, så är tanken att kunna få bättre egenskaper från låglegerande material. Höglegerande material är ofta väldigt dyra och ofta vill man bli av med vissa legeringsämnen. Kobolt till exempel, är både dyrt och oetiskt, sett till larm om barnarbete och så vidare.
Planen är att räkna ut en legering med rätt egenskaper redan från start.
– Sedan producerar vi pulvret, tillverkar material från det och utvärderar – och den processen kommer vi att göra om och om igen – tills vi kommer närmare en optimal legering.
Avhandlingen går att läsa här.