Robust additiv tillverkning av komponenter med tunna sektioner

För komponenter vars prestanda är starkt beroende av tunna sektioner (t ex värmeväxlare) och tunna kanaler (t ex för transport av flytande media) är robust tillverkning med PBF-LB kritisk för att säkerställa vätsketäthet, hög mekanisk prestanda och dimensionstolerans. I dagsläget finns en osäkerhet kring PBF-LBs robusthet och detta anses vara ett stort hinder för industrialisering av tekniken med avseende på serietillverkning.

En fullskalig utredning av robusthet är kostsam och kräver omfattande empiriska försök. Målet med detta projekt var att utveckla en ny kostnadseffektiv metodik för utvärdering av processens robusthet. Den baserades på prediktering via processimulering som sedan korrelerades med data genererad av processens övervakningssystem, lager för lager.

Hela värdekedjan med i konsortiet

Projektets konsortium innefattade hela produktionskedjan. Gruppen bestod av två slutanvändare (Alfa Laval och Siemens), tre huvuddistributörer av teknologi inom processimulering (MSC Software), produktionssystem (SLM Solutions) och efterbearbetning (Rena). En materialleverantör (Höganäs) och två tjänsteleverantörer med erfarenhet inom kvalitetssäkring (Nikon), och produktdesign och processimulering (Etteplan) stöttade projektet. Den industriella gruppen hade ett nära samarbete med RISE och Chalmers tekniska högskola.

Projektet ProThin utfördes inom det strategiska innovationsprogramet Produktion2030, en gemensam satsning av Vinnova, Energimyndigheten och Formas.

Projektresultat

Projektet ProThin syftade till att utveckla en ny metodik för att utvärdera processrobusthet som är både kostnadseffektiv och mindre beroende av omfattande fysiska tester. Detta innovativa tillvägagångssätt använde sig av prediktioner från processimuleringar för PBF-LB, icke-destruktiva kvalitetsbedömningar och avancerade ytbehandlingar.

Caset med vätskeseparatorn gav tre huvudsakliga resultat:

1. Processtabilitet: Kombinationen av design för additiv tillverkning och processimuleringar förbättrade PBF-LB-processens stabilitet avsevärt.
2. Viktminskning: Optimerad design minskade komponentens vikt samtidigt som den strukturella styrkan bibehölls.
3. Kostnadsbesparingar: Strategisk stapling av komponenter och strukturer förkortade printtiden, vilket maximerade utdelningen och minskade kostnaderna.

För caset med styrskovlar var insikterna följande:

1. Deformationsprediktion: Kommersiella simuleringsverktyg förutsåg effektivt deformationer, vilket bekräftades av 3D-skanningsresultat.
2. Kvalitet på interna kanaler: CT-skanningar bekräftade homogenitet i väggarna hos interna kanaler.
3. Resultat från luftflödestester: Tester visade avvikelser i kanaler under 1 mm, vilket troligen beror på relativt hög ytojämnhet.

Huvudslutsatser

Projektet visade att simuleringsverktyg effektivt minskar printfel, vilket resulterat i att vissa användargrupper har börjat tillämpa dessa metoder i sin dagliga process. Simuleringsverktyg kan även belysa strukturens påverkan på PBF-LB-kostnader, vilket underlättar identifiering av lämpliga användningsområden.

CT-skanning visade sig vara effektivt för att bedöma väggtjocklek i smala kanaler och anses därför vara värdefullt att integrera i kvalitetskontrollen.

Att förbättra reproducerbarheten i PBF-LB-processen är fortsatt avgörande. Gasflödet påverkar defektfördelningen avsevärt och behöver optimeras, medan pulveregenskaper påverkar processen och kräver mer effektiva karaktäriseringsmetoder. Simulering och kvalitetsbedömning på plats är nyckeln till ökad användning av PBF-LB, tillsammans med robust efterbehandling anpassad efter material och egenskaper. Pulveravlägsning hade liten effekt på luftflödet i komponenter med smala kanaler, och mer arbete krävs för att utveckla lämpliga efterbehandlingsmetoder för olika Ni-baserade superlegeringar.

Genom att hantera tekniska utmaningar och identifiera lämpliga tillämpningar för att påskynda implementeringen av PBF-LB, gav projektet värdefulla insikter kring vilken långsiktig utveckling tillsammans med slutanvändare som behövs framåt.

Publicerade artiklar

Influence of microstructure and surface topography on material removal by the Hirtisation® process, Rasmus Gunnerek, Gowtham Soundarapandiyan, Michael Christoph Doppler, Eduard Hryha & Uta Klement