Matematik för elektronstrålesmältning: 3D-skrivning i metall

Forskningsprojekt, 2016 – 2020

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.