Mathematics for electron beam melting - 3D printing in metal
- Reference number
- ID15-0058
- Start and end dates
- 160101-201231
- Amount granted
- 1 562 500 SEK
- Administrative organization
- Chalmers University of Technology
- Research area
- Computational Sciences and Applied Mathematics
Summary
3D printing, or additive manufacturing (AM), is an emerging technology that has gained a lot of attention recently. In the area of AM, electron beam melting (EBM), developed by the Swedish company Arcam AB in Mölndal, has taken a unique position by offering metallic parts of high quality materials for serial production of medical implants and aerospace parts. In the EBM process metallic powder is melted layer by layer by a high energy, focused electron beam. The layers are melted onto each other and form a 3D part directly from CAD data. The electron beam melts the powder by scanning over the layer at a high a speed. In order to improve the melting process, and at the same time make 3D printing by EBM more transparent for validation, new mathematical models and simulation algorithms for the EBM process will be developed. This will make it possible to control and validate the EBM process from computed temperature distributions. It will also be possible to couple the computed temperature distribution to methods for calculating the microstructure within the part. This would be a great improvement by combining designed materials with 3D printing. The developed computational methodology, based on finite elements and model order reduction, will be of scientific interest in computational mathematics.
Popular science description
Matematik för 3D-skrivning i metallpulver Adderande tillverkning (additive manufacturing) med så kallade 3D-skrivare är en teknologi under stark utveckling. Det svenska förtaget Arcam AB i Mölndal erbjuder en unik 3D utrustning för att direkt från digitala tredimensionella modeller producera komponenter ur metallpulver. Utrustningen som Arcam utvecklar och säljer är baserad på en elektronstrålekanon som smälter pulverkorn på ett precist och effektiv sätt. Processen kallas Electron Beam Melting (EBM). Den detalj som ska tillverkas med en EBM-maskin ritas upp i en tredimensionell digital ritning, CAD-ritning, som överförs till maskinens styrdator. Arbetskammaren laddas med metallpulver och sätts under vakuum. Systemets datorstyrda elektronstråle smälter med mycket hög energi metallpulvret och detaljen byggs successivt upp efter ritningen genom att ett tunt lager pulver adderas till detaljen och smälts. Processen upprepas gång på gång till dess att hela detaljen har byggts. I och med att detaljen byggs upp benämns denna process adderande tillverkning. I dagsläget används Arcams EBM-maskiner främst till för att producera flygkomponenter och medicinska implantat. Detaljerna kan i stort sett ha vilken geometri som helst bara de ryms i maskinens byggvolym som kan vara upp till 300 mm×200 mm. Genom att energikällan är en elektronstråle som styrs med mycket snabba elektromagnetiska spolar kan en mycket liten smälta erhållas. Snabbheten i tillverkningsprocessen fås genom att scanna elektronstrålen över pulverlagret med hög hastighet. Flexibiliteten i styrningen av elektronstrålen gör att möjligheterna att variera smältprocessen är stora. Den stora flexibiliteten i processen gör att en mängd olika material kan smältas och att det finns möjligheter att direkt i processen styra materialets mikroskopiska struktur. För att kunna göra detta på ett mer kontrollerat och effektivt sätt än idag måste EBM processen utvecklas med sofistikerade matematiska modeller och bättre styralgoritmer. Syftet med detta projekt mellan Chalmers Tekniska Högskola och Arcam AB är att formulera nya matematiska modeller som gör det möjligt att styra EBM-processen direkt mot beräknade temperaturfördelningar. Algoritmerna som löser de matematiska modellerna ska vara tillräckligt effektiva för att processen ska kunna styras väsentligen i realtid. På så vis blir det möjligt att utföra simuleringar, experiment och tillverkning på samma beräkningsplattform.