Additiv tillverkning för högeffektiva motorer
- Diarienummer
- ID25-0024
- Projektledare
- Moverare, Johan
- Start- och slutdatum
- 260101-301231
- Beviljat belopp
- 3 250 000 kr
- Förvaltande organisation
- Linköping University
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
Det föreslagna projektet fokuserar på additiv tillverkning av stora strukturella komponenter för högeffektiva elmotorer, med hjälp av Directed Energy Deposition (DED). Vi kommer att anta en holistisk ansats för att undersöka processen, strukturen och utmattningsegenskaperna hos tunnväggiga komponenter av 316L rostfritt stål som tillverkas med DED utan efterföljande maskinbearbetning eller värmebehandling. Projektets huvudsakliga fokus är att förstå utvecklingen av materialets mikrostruktur och dess resulterande egenskaper, särskilt när det gäller utmattningsmotstånd. Målet med projektet är att möjliggöra livslängdsprediktion och säkerställa strukturell integritet för komponenter oavsett geometri eller storlek, utan att behöva genomföra experimentella iterationer och tester för varje konfiguration. Att uppnå detta mål kommer att bana väg för storskalig industriell implementering av teknologin, med stora energibesparingar och minskade CO2-utsläpp. För detta krävs en detaljerad förståelse av mikrostrukturell utveckling under DED-processen samt en kvantitativ koppling mellan dominerande brottmekanismer, mikrostrukturella egenskaper och inneboende defekter. Den största vetenskapliga utmaningen ligger i att exakt förutsäga strukturens utveckling över längdskalor som sträcker sig över ungefär sex storleksordningar. På den mekaniska sidan är det också avgörande att överbrygga dessa skalor på ett fysikaliskt korrekt sätt, vilket möjliggör inkludering av flera skademekanismer.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.