Så kan problem med additiv tillverkning i rymdindustrin lösas

Additiv tillverkning (AM), allmänt känd som 3D-printing, har stor potential att minska materialspill och monteringstider för produkter inom rymdindustrin, samtidigt som det ökar designfriheten och innovationsförmågan. Metoden medför dock en del problem. I en ny avhandling i produktinnovation föreslås ett ramverk för designstöd för att hantera dessa problem.

AM bygger tredimensionella objekt lager för lager från en digital modell, till skillnad från traditionell subtraktiv tillverkning, där material tas bort från ett arbetsstycke.

Det finns många olika former av AM. Den metod som undersökts i avhandlingen är Laser Powder Bed Fusion (LPBF). LPBF innebär att ett lager av metallpulver sprids på en plattform som sedan selektivt smälts med laser för att bilda varje del av komponenten. Plattformen sänks sedan ned och processen upprepas tills den slutliga komponenten är färdig

– I teorin innebär LPBF att man kan använda exakt den mängd pulver man behöver och därmed minimera materialspillet, säger Didunoluwa Obilanade, som skrivit avhandlingen.

Utöka designfriheten

För komplexa produkter som raketmotorer kan AM förenkla produktionen, förkorta monteringstiden och öka designfriheten.

– Man kan kan ha många fler iterationer i en designprocess med additiv tillverkning än i en traditionell process. Det är också enklare att tillverka prototyper för testning. Det gör det lättare att modifiera designen sent i produktutvecklingsprocessen.

I LPBF-processen sipprar emellertid överskottsvärme in i det omgivande pulvret, varvid det smälter och fastnar på komponentens yta, vilket leder till att ytan blir grov. Ojämnheten gör materialet mindre tåligt. Genom att ta bort ojämnheter stärks materialet, men det minskar också kostnadsfördelarna med AM, eftersom det krävs mer material och längre tillverkningstid. Viss ojämnhet kan vara acceptabel. Problemet är välkänt, vilket belyses i avhandlingens litteraturgenomgång som visar att det finns relativt lite vägledning för hur ytrelaterade problem i AM-design ska hanteras. En viktig del av avhandlingen handlar därför om att utveckla en designmetod för att förstå balansen mellan ojämnhet, avlägsnande av ojämnhet och dess inverkan på materialegenskaperna.

Delning av data

I avhandlingen presenteras en studie som omfattar djupintervjuer med 20 ingenjörer, VD:ar, konstruktörer och tekniker från rymd- och flygindustrin i en rad olika länder. Flera av intervjupersonerna efterlyser förbättrad datainsamling av metallurgiska egenskaper och delning av data mellan företag för att hantera AM-designfrågor.

Inom AM-design är det vanligt att använda olika simuleringsverktyg. Konstruktörerna är dock beroende av olika programvaror i simuleringsprocessen. Filöverföring mellan programvaror leder till dataförlust. Intervjupersonerna uttryckte en önskan om en integrerad mjukvarulösning som hanterar hela processen.

Didunoluwa Obilanade har, baserat på en litteraturgenomgång och en fallstudie av en verklig produkt för raketmotorer, utvecklat ett 11-punkts ramverk för att utvärdera och förbättra designstöd. I avhandlingen presenteras också en sjustegsmodell för AM-design av flyg- och rymdprodukter, som integrerar design och tillverkning för att visa fördelarna med iterativ återkoppling inom AM.