Simuleringar kan lösa problem vid 3D-printing
Av Höga temperaturer och snabba temperaturförändringar ingår naturligt i processen vid additiv tillverkning. Därför är det extremt svårt att se hur mikrostrukturen i en legering förändras när den smälter och sedan stelnar igen. Simulering kan vara lösningen på problemet.
– Att additiv tillverkning revolutionerar tillverkningsindustrin är uppenbart. För ingenjörer öppnas möjligheter som inte finns i traditionella produktionsmetoder, slår doktoranden Chamara Kumara på Högskolan Väst fast.
Men med additiv tillverkning följer också behov av nya materialkunskaper, inte minst ifråga om legering 718 som är en av de mest använda inom gasturbinindustrin.
– Under den additiva tillverkningen utsätts legeringen för höga temperaturer. Det gäller vid både den additiva processen och efterbehandlingen. Temperatur och tid är två parametrar som har avgörande betydelse för den slutliga mikrostrukturen, och den är i sin tur avgörande för materialegenskaperna.
Det kan vara svårt att studera hur mikrostrukturen i en legering förändras när den smälter och sedan stelnar igen. Chamara har en lösning; en modelleringsteknik som simulerar förändringarna. Hans forskning om legering 718 kan visa vägen och minska behoven av tids- och kostnadskrävande experiment.
– Att kunna styra hela processen för att få en slutlig mikrostruktur som ger önskade materialegenskaper är en utmanande uppgift, konstaterar Chamara. Idag finns det nämligen ingen teknik som gör det möjligt att observera vad som faktiskt händer med mikrostrukturen i legering 718 vid temperaturförändringar.
Den enda vägen att studera detta har varit fysiska tester. Teststavar utsätts för olika temperaturförhållanden under olika tider. Vad som händer med mikrostrukturerna studeras sedan i efterhand. Men detta är en tids- och kostnadskrävande metod, särskilt med tanke på att tider och temperaturer kan varieras på tusentals olika sätt.
Det är detta som Chamaras forskning kan förändra. Istället för tester i verkliga livet gör han simuleringar med hjälp av moderna datorbaserade modeller. Där går det att se hur mikrostrukturen förändras beroende på temperatur och tid.
– Mina datoriserade simuleringar har högt kvalitativt värde och god precision, säger Chamara. De visar vilka vägar som det lönar sig att ta, och vilka vägar man ska undvika, i de efterföljande experimenten.
– Kort sagt bidrar min forskning till bättre konstruerade och mer målinriktade fysiska experiment.
Chamaras forskning ger också bättre förståelse och kunskap om mikrostrukturerna i legering 718; varför och hur de påverkas av olika parametrar under den additiva processen och efterbehandlingen.
Modellering av mikrostrukturer är en väl etablerad teknik. Den har använts i mer än 30 år för att studera gjutna komponenter. I additiv tillverkning är metoden däremot ny och inom det området är Chamara Kumaras forskning ett pionjärarbete.
Kärnan i forskningsinsatsen är att industrin sparar tid och pengar eftersom de fysiska experimenten snabbare kan komma fram till parametrarna som ska gälla vid tillverkningen för att legering 718 ska få önskade egenskaper. Detta banar vägen för ökad och mer kvalificerad användning av additiv tillverkning.
För Chamara har modellering varit en passion ända sedan han tog sin kandidatexamen på Sri Lanka och under sin tid som doktorand har hängivenheten blivit ännu större. Han kom till Sverige 2012 på en praktikplats inom termisk sprutning. Senare tog han sin masterexamen i produktionsteknik på Högskolan Väst.
– Jag uppskattar den svenska arbetslivskulturen. Här finns inga hierarkier. Du blir respekterad och det är inga problem att få prata med en professor.
– När jag är klar med min doktorsexamen, planerar jag att stanna kvar inom akademin och använda mitt kunnande till fortsatt spjutspetsforskning som ger värden till industrin och akademin. Jag vill också använda min kompetens till att utbilda nästa generation av ingenjörer och forskare.
Länk till Chamara Kumaras avhandling: ”Microstructure Modelling of Additive Manufacturing of Alloy 718”