1. Projektets idé
Hållbar lättviktsdesign ligger i fokus hos tillverkningsindustrin. Globala miljöutmaningar, mål och lagstiftning medför att lättare och hållbara produkter är nödvändigt för konkurrenskraft. Det strategiska lättviktsarbetet för flygmotorindustrin innebär fokus på de unika möjligheter som tillverkningsmetoden fabricering medför, där kompletta motorstrukturer byggs genom att plåtformade detaljer svetsas samman med smiden och gjutgods vilka förstärks och interface skapas genom AM. Fabricering innebär att olika legeringar, godstjocklekar och materialtillstånd kan kombineras på ett optimalt sätt.
Detta projekt, som är en naturlig fortsättning på tidigare forskningsarbete inom varmformning och svetsning, syftar till att bygga upp kompetens kring, studera och demonstrera en tillverkningsprocesskedja som involverar additiv tillverkning (AM) och efterföljande varmformning för vikt- och hållfasthetsoptimerade bi-metalliska komponenter i nickelbaserade superlegeringar. Sådana komponenter har varierande tjocklek över längden och inkluderar ofta AM -förstärkningar eller fästelement som avsevärt minskar vikten samtidigt som de förbättrar komponentegenskaperna.
CAE-verktyg är idag en naturlig del av den industriella produktutvecklingsprocessen, men det finns fortfarande flera utmaningar för att fullt ut kunna använda virtuella verktyg vid framtagning av fabricerade motorkomponenter. Förenklingar görs fortfarande och historiken från de olika tillverkningsstegen är ännu inte helt utnyttjad och implementerad, vilket innebär en förlust av noggrannhet. Branschens mål är att tillverka robusta komponenter och kompensera för de formförändringar som uppstår vid de olika stegen i tillverkningskedjan. Idag är detta i hög grad ett manuellt förfarande som är kostsamt och tidskrävande.
En forskningsfråga för projektet som sammanfattar det tekniska innehållet lyder: Vilka aspekter inom material och processer för skräddarsydda plåtdetaljer med integrerade AM-geometrier är av största betydelse för att säkerställa hög precision i geometri och resulterande egenskaper?
2. Projektets mål och resultat
Projektets mål är att skapa möjligheter för implementering av lättvikt baserat på nya kombinationer av tillverkningsmetoder och material genom tillämpning av generisk metodik för kopplade finita element analyser av tillverkningskedjor. En del i detta är att påvisa den kostnads- och tidsbesparande potentialen och dess miljöeffektivitet Det finns en stor potential att minska motorvikten samtidigt som motoreffektiviteten ökar och därmed minskar koldioxidutsläppen. Effektiva förbättringar med hjälp av virtuella metoder kommer att väsentligt bidra till industriell konkurrenskraft för svensk industri.
Projektet kommer att skapa möjligheter att eliminera ett tillverknings- och monteringssteg, vilket minskar utvecklingstid, produktionstid, materialförbrukning och vikt samtidigt som hållfastheten ökar. Vidare kan referensgeometrier som används vid fixturering där detaljer sammansvetsas integreras i den AM-tillverkade geometrin vilket minskar materialspill ytterligare. Vinst skapas också möjlighet till att eliminera befintliga fästelement som idag stör flödet genom flygmotorn. Utvecklingsarbetet främjar små och medelstora företag i projektet att vidta nödvändiga teknisksteg för att kunna producera önskade AM-bearbetade plåtkomponenter för GKN.
Konkreta leveranser för projektet utgörs av verifierade virtuella metoder för sammansatta tillverkningskedjor med fokus på AM, vidareutveckling av testmetoder, tillverkade demonstratorer och ökad kompetens i projektkonsortiet samt via resultatspridning även svensk industri i närliggande branscher.
Projektresultatet är också av intresse för andra industrier t.ex. för tillverkning av landbaserade turbiner, till kärnkrafts- och energisektorn. Inom projektet planeras internationell forskningssamverkan initieras med framstående forskargrupp i Tyskland.
Utvalda resultat från projektet kommer att ingå i den doktorandkurs
inom lättviktsteknologier som ges till LIGHTer PhD-nätverk.
Industriell implementering av resultaten väntas påbörjas i nära anslutning till projektavslut och succesivt skalas upp påföljande år.
3. Projektets bidrag till programmålen
Genom att demonstrera det innovativa tillverkningskonceptet att fabricera med olika tillverkningstekniker med
hjälp av utveckling av metoder och virtuella verktyg blir det möjligt att introducera nya lättviktskomponenter.
Detta åstadkoms genom full kontroll över slutresultatet till följd av de förbättrade metoder och verktyg som möjliggörs av projektet. De ekonomiska, miljömässiga och tekniska fördelarna som följer av detta borgar för framgångsrik industriell implementering.
Projektet kommer, efter genomförandet inom fem år, att leda till minst 20% kortare utvecklingstid genom förbättrad numerisk modellering av processkedjor. Bidrag för att minska vikten med mer än 20% realiseras genom att kombinera olika materialtillstånd och legeringar där produktens egenskaper förbättras genom kombinationer av innovativa tillverkningskedjor för skräddarsydda lätta komponenter. Projektet bidrar också till att uppnå en viktminskning på 10% vart tionde år för motorstrukturer inom flygindustrin. Projektet beräknas kunna bidra till en 10% ökad hållbarhet för den nuvarande produkttypen på medellång sikt.
4. Projektets aktörskonstellation
Projektkonsortiet består av små och medelstora företag, forskningsaktör och slutanvändare. GKN är projektkoordinator och representerar branschen med krav och behov för att utveckla skräddarsydda lättviktsdelar i plåt med AM-integrerade geometrier i nickelbaserade superlegeringar för deras framtida flygmotorkomponenter i internationella motorprogram. GKN siktar på att vidareutveckla modelleringsstrategier för AM och implementera virtuella verktyg i sin produktutvecklingsprocess för att
minimera kostsamma tester och iterationer med kompensering. SMF Rydverken är beläget i Ryd, Småland.
De är specialiserade på bearbetning och tillverkning av komponenter och verktyg för flyg- och fordonsindustrin. Rydverken är en av tre flyg-godkända underleverantörer enligt AS9100 i Sverige. I detta projekt bidrar de med sin expertis inom plåtformning och bearbetning av verktyg och detaljer. SMF Procada är ett företag som specialiserat sig på den additiva tillverkningsmetoden DED laser wire, inom projektet bidrar de med sin kompetens, utför AM-tester och validerar tillverkning. SMF MagComp i Furulund är ett avknoppningsföretag från och med nära relation till Lunds universitet. Företaget arbetar främst med induktiva värmesystem för tillverkningsindustrin. Inom projektet bidrar de med sin kompetens kring induktiv uppvärmning i relation till varmformning av detaljer med integrerade AM-geometrier. RISE IVF är specialiserat på materialkarakterisering och FE-modellering av termo-mekaniska tillverkningsprocesser som varmformning, svetsning och AM i olika lättviktsmaterial såsom nickelbaserade superlegeringar, titan och aluminium. Deras erfarenhet och testanläggningar för varmformning kommer i hög grad att bidra till projektet när det gäller validering och jämförelse mellan predikterade och uppmätta responser.
Ansvariga inom varje organisation bildar en styrgrupp som träffas var sjätte månad för att följa upp och diskutera specifika behov. Projektuppföljning kommer att ske via Teams-möten varje månad inom projektgruppen, mötesprotokoll upprättas. Projektdeltagarna träffas fysiskt eller online två gånger om året där partnerna presenterar pågående aktiviteter, resultat och skickar en statusrapport. Möten mellan SMF och RISE IVF äger rum regelbundet beroende på de olika behov som uppstår.
GKN Aerospace, Fredrik Niklasson, fredrik.niklasson@gknaerospace.com
Rydverken, Fredrik Emilsson, fredrik.emilsson@rydverken.se
Procada, Almir Heralic, almir@procada.se
Magcomp, Fredrik Krantz, fredrik.krantz@magcomp.se
RISE IVF, Eva-Lis Odenberger, eva-lis.odenberger@ri.se