Matematik för elektronstrålesmältning: 3D-skrivning i metall
- Diarienummer
- ID15-0058
- Start- och slutdatum
- 160101-201231
- Beviljat belopp
- 1 562 500 kr
- Förvaltande organisation
- Chalmers University of Technology
- Forskningsområde
- Beräkningvetenskap och tillämpad matematik
Summary
3D-skrivning, eller adderande tillverkning, är en framväxande teknologi som har rönt mycket uppmärksamhet på senare tid. Inom adderande tillverkning har elektronstrålesmältning (EBM), som utvecklats av det svenska företaget Arcam AB i Mölndal, tagit en unik position genom att framställa metalliska komponenter av högkvalitativa material för serieproduktion av medicinska implantat och flygplansdelar. I EBM-processen smälts ett metallpulver lager för lager av en högenergetisk, fokuserad elektronstråle. Lagren smälts på varandra och bildar en 3D-komponent direkt från CAD-data. Elektronstrålen smälter pulvret genom att scanna över lagret med hög hastighet. För att förbättra smältningsprocessen, och samtidigt göra 3D-skrivning med EBM mera tillgängligt för validering, kommer nya matematiska modeller och beräkningsalgoritmer för EBM-processen att utvecklas i projektet. Detta kommer att göra det möjligt att styra och validera EBM-processen från beräknade temperaturfördelningar. Det kommer även att bli möjligt att koppla den beräknade temperaturfördelningen till metoder för att beräkna mikrostrukturen i komponenten. Detta kan bli ett stort framsteg genom att kombinera materialdesign med 3D skrivning. Den beräkningsmetodologi som ska utvecklas, baserad på finita element och 'model order reduction', kommer att vara av vetenskapligt intresse i beräkningsmatematik.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.