Additiv tillverkning inom flygindustrin kan bli mer flexibel och effektiv

Andreas Segerstarks forskning visar helt nya möjligheter att producera motorkomponenter effektivare med additiv tillverkning med pulver (LMPD). Produktionen blir mer flexibel samtidigt som svinnet av dyra superlegeringar kan minskas med upp till 90 procent.

– Jag har hittat viktiga samband mellan de primära processparametrarna och deras påverkan på materialet under tillverkningsprocessen, säger Andreas Segerstark, som presenterade och försvarade sin doktorsavhandling på Högskolan Väst några dagar före jul.

^{Anderas Segerstark. Foto: Högskolan Väst}

För GKN Aerospace och andra tillverkare inom flygindustrin kan de nya kunskaperna bidra till att deras additiva tillverkning med lasermetalldeponering med pulver (LMPD) blir mer effektiv. Större flexibilitet, kortare ledtid och väsentligt mindre materialsvinn är några nyttoeffekter som doktoranden Andreas Segerstark nämner när han berättar om sina forskningsresultat.

Enkelt förklarat fungerar LMPD-teknologin så att en robot svetsar flera tunna svetssträngar av metallpulver intill varandra och i flera skikt tills komponenten får rätt form.

– LMPD-teknologin kompletterar dagens konventionella tillverkningsmetoder. Man bygger till exempel komponenter med komplexa former genom att addera metallskikt på enklare gjutgods eller smidesgods, säger Andreas Segerstark.

– Teknologin används också för att reparera skador på komponenter som skadas om värmetillförseln blir för stor. Pulverdeponeringen kan med fördel läggas på de områden som behöver lagas eller förstärkas med en kontrollerad värmetillförsel.

Andreas fokus har varit att undersöka hur de olika parametrarna i tillverkningsprocessen samverkar och hur de påverkar materialets egenskaper under produktionen.

– De parametrar som har störst inverkan på materialet är lasereffekten, framföringshastigheten, pulvermatningshastigheten och pulverfokusförskjutningen. Och de påverkar markant materialets fasformation, fasomvandling, kornstruktur och sprickbildning.

Andreas har arbetat med den dyra superlegeringen Alloy 718 i sin studie eftersom det är ett vanligt material i kommersiella flygjetmotorer.

– Genom att använda LMPD-teknologin i tillverkningen på ett optimalt sätt kan man minska materialsvinnet med upp till 90 procent för vissa komponenter.

– Men en stor vinst är också den ökade flexibilitet som tillverkning med LMPD ger. Man vinner både tid och pengar på att produktionen går snabbare och enkelt kan ställas om för tillverkning av nya komponenter. Tack vare digital styrning behöver man till exempel inte ta fram nya verktyg till produktionen, säger Andreas Segerstark.

En stor utmaning under forskningsprojektet var att kunna mäta temperaturförändringarna i materialet på ett tillförlitligt sätt under tillverkningsprocessen. För att klara det utvecklade Andreas en ny temperaturmätningsmetod parallellt med sitt ordinarie forskningsarbete.

– Vi använde tunna rostfria plåtar för att skydda de små termoelement som vi mätte temperaturen med. Plåtarna gav skydd för laserstrålens påverkan och förhindrade att värmen från laserstrålen påverkade mätningarna.

Idén till forskningsprojektet kommer från ett långvarigt samarbete mellan GKN Aerospace i Trollhättan och Högskolan Väst. Eftersom det inte gjorts mycket forskning kring lasermetalldeponering med pulver ville de ta reda på mer.

– När doktorandtjänsten annonserades för fyra år sedan var forskning inom additiv tillverkning inte så vanlig, särskilt inte inom lasermetalldeponering med pulver. Jag lockades av att projektet handlade om en form av svetsning och att det var ett nytt område jag ville lära mig mer om.

GKN Aerospace har följt Andreas forskningsprojekt med stort intresse och samarbetet fortsätter efter doktorsexamen. Andreas börjar arbeta på företagets R&D-avdelning i januari 2018.

– Det återstår mycket arbete med att tillämpa forskningsresultaten i produktionen. Additiv tillverkning är hett idag och det finns mycket att utveckla inom det området. Det vill jag gärna fortsätta arbeta med.

Andreas Segerstarks forskningsprojekt har finansierats av Högskolan Väst, GKN Aerospace Sweden AB, Västra Götalandsregionen, Rymdstyrelsen, Tillväxtverket och Vinnova.