Forskningsframsteg breddar användningen av additiv tillverkning

På bara fyra år har Högskolan Västs forskare utvecklat additiv tillverkning med laser och tråd för ett helt nytt material; duplext rostfritt stål. Teknologin har med framgång testats för tillverkning av en komponent hos Alfa Laval. Inom några år kan tekniken vara mogen för skarp industriproduktion.

Fördelarna och möjligheterna med additiv tillverkning (AM, för Additive Manufacturing) är stora och många. Teknologin ses som en viktig del i nästa generation av industriell produktion där kraven på hållbarhet är stora. Inom vissa produktområden och branscher används redan olika varianter av tekniken. Men för varje ny applikation krävs omfattande forskningsarbete för att utveckla och anpassa tekniken till olika material så att kvalitetskraven uppfylls.

– Våra forskare har mer än 15 års erfarenhet av AM med laser och tråd. Det gör att vi på relativt kort tid har kunnat utveckla tekniken för duplext rostfritt stål. Idag används ofta dyra smidesämnen vid tillverkning av högpresterande komponenter som exempelvis flygmotordelar. Dessutom är ledtiden för den typen av material ofta lång, förklarar Robert Pederson, professor i materialteknik.

Betydligt kortare produktionstid

– Additiv tillverkning ger effektivare materialanvändning, lägre energiåtgång och kortare ledtider jämfört med traditionella tillverkningsmetoder för smiden som kräver omfattande skärande bearbetning.

– Vårt test med en av Alfa Lavals komponenter visar att produktionstiden kan minskas från 20 veckor till endast 2 veckor. Om man skalar upp AM-processen för serieproduktion av två av deras detaljer finns potential att spara cirka 170 ton material per år. Det motsvarar 170 000 kg CO²-utsläpp.

– Om tekniken visar sig fungera fullt ut för serietillverkning med dessa två komponenter finns potential att utöka med fler av företagets detaljer, konstaterar Robert.

För att AM med laser och tråd ska slå igenom måste hela tillverkningsprocessen vara automatiserad, robust och pålitlig. En viktig uppgift för projektgruppen har därför varit att utveckla och bygga ett automatiskt produktionssystem med återkopplad styrning. Sommaren 2019 lyckades teamet genomföra detta för en detalj i nerskalad storlek och var därmed bland de första i världen med en sådan lösning.

Värdefull samverkan

Projektgruppen har även utvecklat en avancerad simuleringsmodell som ger ökad processförståelse genom att den visar hur olika processparametrar påverkar materialkvaliteten.

– GKN Aerospace har hjälpt oss att genomföra valideringsexperiment med titan för att kunna validera modellen för det materialet. Utvecklingen av simuleringsmodeller överlappar flera olika kompetensområden inom projektet, och det upplägget har visat sig vara en styrka i vårt arbete.

Forskningen som finansierats av KK-stiftelsen, har genomförts i nära samverkan med industriföretagen Alfa Laval, GKN Aerospace, Permanova och ITW Welding. Alla har bidragit med olika kunskaper och intressen i projektet. Därutöver har konsultföretaget Procada medverkat i tillverkningen av demonstratorn som användes vid testkörningen.

– För oss är både den förväntade kostnadsminskningen och det reducerade CO²-avtrycket som materialbesparingen innebär naturligtvis mycket välkomna, säger Andreas Bergman, Program Manager, Alfa Laval.

– När man sedan beaktar potentialen att reducera det bundna kapitalet som är en följd av lagerhållning på grund av långa och osäkra ledtider, så tror vi att vi har en riktig vinnare här, säger Andreas.

Forskningen fortsätter i nya projekt

För att teknologin ska bli användbar för industrier som tillverkar produkter i duplext rostfritt stål krävs ytterligare forskning och utvecklingsarbete. I september startade högskolans AM-forskare det 3-åriga Vinnova-finansierade projektet SESAM där vissa tekniska delar av AM med laser och tråd ska utvecklas för att göra tekniken mogen för serietillverkning.

I höst startar även ett 8-årigt spetsforskningsprojekt, DEDICATE*, där Högskolan Väst vidareutvecklar additiv tillverkning med tråd och pulver för metaller av Ni-bas, titan, aluminium och stål.

– I projektet deltar elva företag som alla har olika intressen och roller i vårt forskningsarbete. Här finns slutanvändare i en rad olika branscher, bland andra GKN Aerospace, BAE Systems Hägglunds, Volvo Lastvagnar, Esab och Alfa Laval, säger Robert.

Växlar upp AM-forskningen

–Målet är att bygga vidare på den kompetensbank som Högskolan Väst redan har inom additiv tillverkning och profilera vår forskning ytterligare. Under flera år har vi målmedvetet växlat upp vår AM-forskning genom att gå från flera mindre projekt till några få stora forskningssatsningar.

Parallellt med DEDICATE drivs ett annat 8-årigt AM-projekt, PODFAM*, där fokus ligger på pulverbaserad AM.

– Dessa två stora spetsforskningsprojekt kan ses som ”lokomotiven” i vår AM-forskning. Till dem kopplar vi flera mindre AM-forskningsprojekt för att skapa maximala synergieffekter. Men ytterst handlar det om att stärka den svenska industrins konkurrenskraft, säger Robert.

Kontaktperson: Robert Pederson, professor i materialteknik, Högskolan Väst.

*Projekten DEDICATE och PODFAM är finansierade av KK-Stiftelsen.