Han tar additiv tillverkning ett steg närmare flygindustrins mål

Flygindustrin jobbar intensivt för att minska flygets klimatpåverkan och här är additiv tillverkning en möjliggörare. Men för att tekniken ska uppfylla industrins extremt höga säkerhets- och kvalitetskrav krävs grundlig förståelse för processen. Ny forskning av Karthikeyan Thalavai Pandian bidrar med viktiga pusselbitar.

I dagens flygplan finns redan motorkomponenter som producerats med additiv tillverkning (AM) men de används för mindre kritiska applikationer. Eftersom tekniken har så många fördelar vill flygmotortillverkaren GKN Aerospace producera ännu fler komponenter i fler material med additiv tillverkning – även för de kritiska tillämpningarna. För att nå dit krävs omfattande forskning och testning.

Karthikeyan presenterade i slutet av maj sin doktorsavhandling där han fokuserat på additiv tillverkning med elektronstråle och pulverbäddsteknik (PBF-EB*) för titanlegeringar.

Additiv tillverkning har många fördelar

– Den här produktionstekniken är högintressant för vissa komponenter. Den möjliggör minskad materialåtgång, reducerar kostnader och ger på lång sikt mindre belastning på miljön. Dessutom öppnar tekniken nya möjligheter att tillverka mer komplicerade geometrier än vad som är möjligt med konventionella metoder som gjutning och smide, förklarar Karthikeyan.

Hans forskning har främst varit inriktad på mikrostrukturen och de mekaniska egenskaperna hos titanlegeringen Ti-6AI-4V. Legeringen används till komponenter som sitter i flygmotorers låg-temperatur-delar eftersom den ger mycket hög hållfasthet.

– Mitt fokus har varit att förbättra utmattningsegenskaperna i den aktuella titanlegeringen när man använder AM-tekniken PBF-EB. Med den här tillverkningstekniken kan ytkvalitet och defekter påverka utmattningsegenskaperna. Om ytskiktet blir för grovt och ojämnt kan utmattningsegenskaperna försämras. Flera olika processparametrar kan bidra till att ytan blir för grov och ojämn. Jag har undersökt hur några av dessa processparametrar påverkar ytkvaliteten och hur tillverkning med den aktuella AM-tekniken påverkar utmattningsegenskaperna.

– Samtidigt kan det uppstå defekter i de AM-tillverkade komponenterna som också kan påverka utmattningsegenskaperna negativt.

Ny efterbearbetningsmetod

Vanligtvis brukar komponenter efterbearbetas efter tillverkning med så kallad het-isostatisk pressning. Den efterbearbetningsmetod som används idag är framtagen för konventionella tillverkningstekniker. Metoden är inte optimal för AM-tillverkning eftersom den statiska styrkan påverkas negativt.

– Jag har utvärderat en ny metod som är anpassad för AM-tillverkning. Här används en lägre temperatur, vilket ger flera fördelar; titanlegeringen tappar inte i statisk styrka och utmattningsegenskaperna är jämförbara med den efterbearbetningsmetod som är standard idag.

För att flygindustrin ska kunna använda den nya metoden efter AM-tillverkning krävs att den standardiseras enligt branschens säkerhets- och kvalitetskriterier.

– När en standard väl är på plats kan industrin använda AM-tekniken mer effektivt för tillverkning av fler komponenter. Tekniken är också intressant för andra tillämpningar, exempelvis medicinteknisk industri som tillverkar implantat.

Vill minska behovet av efterbearbetning

Ett av Karthikeyans övergripande mål med forskningen har varit att utveckla AM-tekniken så man kan reducera behovet av efterbearbetning och samtidigt uppfylla kvalitetskraven. Det kan uppnås genom att förbättra ytkvaliteten på AM-tillverkade komponenter.

– Genom att minska efterbearbetningsdjupet från cirka 2 mm till 1 mm sparar man material och tid vid tillverkningen. Om man dessutom kan bygga komponenter helt färdiga i en AM-process utan att efterbearbetning behövs, ja, då kan vi på riktigt påstå att vi har skapat en hållbar tillverkningsmetod. Vi pratar idag om att uppnå ”near-net-shape” men målet borde vara att nå ”net-shape”, säger Karthikeyan.

Som nybliven doktor i produktionsteknik tar nu Karthikeyan sin forskning vidare i rollen som universitetslektor på Högskolan Väst.

– Förutom undervisningen, ser jag fram emot att arbeta med fler AM-processer och fler material med fokus på materialens utmattningsegenskaper och hur vi säkerställer kvaliteten med hjälp av AI.

– Efter elva år som produktutvecklare på Volvo Construction Equipment i Indien ville jag förstå hur materialens egenskaper spelar roll för slutprodukten. Nu, efter slutförda doktorandstudier, är jag övertygad om att mer forskning inom materialvetenskap kan göra stor skillnad, säger Karthikeyan.

Läs Karthikeyans avhandling: ”Microstructure and mechanical properties of Ti-6AI-4V manufactured by electron beam powder bed fusion”

Kontakt: Karthikeyan Thalavai Pandian, e-post: karthikeyan.thalavai-pandian@hv.se mobil: 072-943 60 98.

*PBF-EB – förkortning för engelska: Electron beam powder bed fusion.