Additive Manufacturing for High Efficiency Motors
- Reference number
- ID25-0024
- Project leader
- Moverare, Johan
- Start and end dates
- 260101-301231
- Amount granted
- 3 250 000 SEK
- Administrative organization
- Linköping University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The proposed project focuses on the additive manufacturing of large structural components for highly efficient electric motors using Directed Energy Deposition (DED). We will adopt a holistic approach to investigate the process, structure, and fatigue properties of thin-walled 316L stainless steel components produced via DED without subsequent machining or heat treatment. The primary focus is on understanding the evolution of the material’s microstructure and its resulting properties, particularly with respect to fatigue resistance and durability. The project aims to enable lifetime prediction and ensure structural integrity for components of any geometry or size, without requiring experimental iteration and testing of each configuration. Achieving this goal will facilitate the full-scale industrial implementation of the technology, with large energy savings and reduced CO2 emissions as a result. To reach such predictive capabilities, a detailed understanding of microstructure evolution during the DED process is essential, as well as a quantitative link between key failure mechanisms, microstructural characteristics, and inherent defects. The main scientific challenge lies in accurately predicting structural evolution across length scales spanning approximately six orders of magnitude. Likewise, from a mechanical perspective, it is crucial to bridge these scales in a physically sound manner, allowing for the inclusion of multiple damage mechanisms.
Popular science description
Elmotorer som länk mellan mekanisk och elektrisk energi fyller viktiga funktioner i stora delar av vårt samhälle. Elmotorer driver elbilar, tåg, ventilationssystem, pumpar, valsverk och andra industriella maskiner. Enligt International Energy Agency så förbrukas över 40% av all elektricitet i världen till att driva elmotorer. Det gör elmotorer till den produkt som enskilt förbrukar mest elektricitet i världen. ABB tillverkar elmotorer till tåg, arbetsfordon och industriella maskiner. De största maskinerna har en effekt så hög som 50 MW vilket gör varje enskild maskin till en enorm konsument av elektricitet och utsläpp, speciellt i geografiska områden med ogynnsam energimix. Den stora energiåtgången gör att de finns starka miljömässiga såväl som för kunden ekonomiska incitament att effektivisera motorerna. Flertalet effektiviseringsmöjligheter är välkända men är idag begränsade av produktionsteknik och kvalitetssäkring. Vi har i tidigare förstudie dragit slutsatsen att additiv tillverkning kan möjliggöra några av de effektiviseringsmöjligheter som finns för elmotorer. Mer specifikt ”direct energy deposition”-tekniker (DED), där pulver eller tråd beläggs direkt via smältning i ljusbåge eller laser. En utmaning med dessa högproduktiva tekniker är kvalitetssäkring. Vi har i förstudien sett att struktur och mekaniska egenskaper är känsliga för små processförändringar, vilket idag stoppar tekniker från att användas för denna applikation. Sett till tillgänglig litteratur för avsedd process, material och geometri så finns det grundläggande arbeten att inspireras av, men det är ett tydligt gap har identifierats med avseende på tunnväggiga strukturer och komponenter där efterföjande värmebehandling inte är möjlig. Detta projekt syftar till att ta ett helhetsgrepp kring process, struktur och utmattningsegenskaper för tunnväggiga strukturer av rostfritt stål 316L tillverkade med DED utan efterföljande värmebehandling. Komponenter kommer tillverkas och systematiskt studeras med bästa tillgängliga teknik med avseende på olika typer av defekter och dess koppling till mekaniska egenskaper. Den akademiska utmatningen ligger i att förstå hur olika defekter vars storlek kan variera 5-6 storleksordningar bidrar till komponentens makroskopiska egenskaper, och hur detta kan beskrivas med lämpliga modeller. Om projektet lyckas finns det ett stort värde för industrin och väldigt goda chanser för implementering av tekniken.