Haiping Cao och Magnus Wesséns misslyckade experiment verkar nu leda till en helt ny metod att pressgjuta med halvstelande metaller, så kallad reogjutning, som har många fördelar.

Misstag resulterade i banbrytande processinnovation

Ibland är det bra att begå misstag!
Det var nämligen vad doktoranden Haiping Cao och lektorn Magnus Wessén vid Ingenjörshögskolan i Jönköping gjorde.
Misstaget har nu lett fram till en ny typ av process kallad Rapid Slurry Forming®, RSF, kring vilket innovationsbolaget Rheometal startats.
RSF-tekniken gör det möjligt att pressgjuta halvstelnade metaller, sk reogjutning, på ett helt nytt banbrytande sätt.
För idén har man belönats med flera fina innovationspris. Senast blev det t ex delat andrapris i årets SKAPA-final. Men än viktigare är att tekniken väckt stort intresse i industrin.

Det var alltså ur en serie forskningsexperiment hösten 2003 som Haiping Cao och Magnus Wessén insåg att de antagligen var en unik lösning vad det gäller så kallad reogjutning på spåren, dvs ett sätt som gör det möjligt att gjuta en halvstelnad metall istället för en flytande smälta.
– Vi gjorde en del klassiska strukturerade misstag kring de här experimenten. Dessa visade sig leda till någonting nytt som blev väldigt bra, vilket vi också insåg, berättar Magnus Wessén.
Utgångspunkten för experimenten var att försöka öka kornförfiningen av magnesium genom att tillsätta metall i vissa mängder.
– Vi hade hört från Kina om den här metoden och ville testa den. Men vi tillsatte lite mer metall än vad som var tanken och så hade vi lite för låg övertemperatur i smältan. Resultatet blev en halvstelnad metallslurry som visade sig vara mycket lämplig för reogjutning.

Två olika metoder
Att gjuta med halvstelnad metall, s k Semi Solid Metals (SSM), har många fördelar och provades för första gången för drygt 30 år sedan vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA.
Sedan dess har det utvecklats ett antal olika processer av företag i bland annat Schweiz, USA och Japan kring de två huvudmetoderna för att framställa gjutbar halvstelnad metall, reogjutning och tixogjutning.
Det som skiljer dessa metoder åt är att man vid reogjutning använder en process för att kyla en smälta, så att halvstelnad metall bildas, medan man i samband med tixogjutning värmer ett metallgöt, så att den delvis smälter och sedan pressas in i gjutformen.
Ett antal olika processer som främst bygger på tixogjutning har också kommersialiserats. Men dessa har ett antal nackdelar som lett till bland annat höga kostnader och därför inneburit att teknikerna fått begränsad spridning.
På senare år har dock även ett antal tekniker för reogjutning utvecklats. Dessa tekniker har haft den fördelen att de har kunnat användas med vanliga pressgjutmaskiner, vilket gjort dem betydligt mer tillgängliga.
Men det grundläggande problemet, både vad det gäller reo- och tixogjutning, har dock kvarstått och varit att åstadkomma en halvstelnad metallslurry på enkelt sätt. Något som kräver en globulär istället för dendritisk mikrostruktur (se bilder sid 8), vilket i så fall omöjliggör omformning av metallen.
– Med dagens SSM-tekniker görs detta utifrån. Det är därför svårt och kräver avancerad mätutrustning, vilket resulterar i allt för dyra komponenter, säger Magnus Wessén.

RSF-tekniken löser problemen
Men med RSF-tekniken löses problemen på ett principiellt helt nytt sätt. Detta eftersom man styr på massa istället för temperatur.
– Medan alla andra jobbar med att mäta och styra för att ta bort energi, kyler vi smältan infrån. Vi behöver därför inte kontrollera temperaturen, utan kan hela tiden räkna ut vilket sluttillstånd som systemet har och får via värmeinnehållet, säger Magnus Wessén och fortsätter.
– Det eleganta ligger i att vi kan göra både omrörningen i slurryn och värmebalansen i ett integrerat steg. Det förenklar och ökar möjligheterna väsentligt med reogjutning.

Så fungerar det
Enkelt uttryckt fungerar RSF-tekniken som så att man doppar ner en omrörare (metallpinne) med en pågjuten metallklump kallad EEM (Entalphy Exchange Material) med vilken man rör om i slurryn. Genom att föra ner ”EEM-klumpen” i smältan får man en mycket snabb avkylning. Resultatet blir därför en metallslurry med globulär mikrostruktur, vars konsistens kan liknas vid mjukglass. Genom att styra mängden smälta och EEM kan metallsluryns sammansättning och andel fast fas styras enkelt och exakt.
– Vi kontrollerar entalpin (värmeinnehållet) i systemet. Det leder till en extrem underkylning runt omkring klumpen som medför att det kärnbildas väldigt många fler kärnor i materialet än vad som sker i andra SSM-system.
– Och eftersom vi får en så uniform spridning av kärnor i hela materialet får vi en hålltid på ca 15 minuter medan övriga tekniker för reogjutning maximalt har en hålltid på mellan 5 sekunder och någon minut.

Teknik med många fördelar
Att gjuta med halvstelnad metall, SSM-teknik, har alltså många fördelar framför konventionell pressgjutning, där smältan under ett antal millisekunder sprejas in i verktyget med stor kraft.
Men med RSF-metoden blir SSM-teknikens fördelar också möjliga att komma åt på ett produktions- och processekonomiskt effektivt sätt. Dessa är bland annat:
• Låg porhalt till följd av lugn formfyllnad och att den s k stelningskrympningen minskar med 30-50 procent.
• Gods gjutet med RSF-teknik är till skillnad från konventionellt pressgjutet gods möjligt att värmebehandla/härda.
• Det gjutna godset får mycket goda mekaniska egenskaper. Brottgränsen, brottförlängningen samt utmattningshållfastheten blir i nivå med smidda legeringar. Med RSF öppnas även möjligheten att kunna gjuta höghållfasta aluminiumlegeringar som normalt inte kan gjutas.
– Med vår teknik kan vi pressgjuta ett stort spektrum av legeringar. Hittills har vi huvudsakligen arbetat med aluminium-, magnesium- och kopparlegeringar. Och vet slutanvändaren att komponenternas egenskaper förbättras, så kan de ta hänsyn till detta och i sin tur dimensionera ner sina komponenter, vilket är en stor fördel, påpekar Magnus Wessén.
Men det finns fler fördelar att uppnå med RSF-tekniken:
• Produktiviteten kan ökas eftersom cykeltiderna sänks med ca 20 procent, vilket beror på minskat värmeinnehåll i slurryn. Lägre värmeinnhåll minskar också behovet av formsmörjning med upp till 50 procent.
• Verktygslivslängden kan mer än fördubblas på grund av mindre temperaturväxlingar mellan skotten. Därmed minskar verktygets termiska utmattning liksom den mekaniska åverkan som annars sker under formfyllnadsfasen.
• Formfriheten ökar till följd av minskad krympning och lägre temperatur. Det gör att man kan använda mindre släppningsvinklar än vid konventionell pressgjutning samt gjuta mindre hål i komponenten.
• Med RSF-tekniken kan smältan också varmhållas vid en temperatur som är minst 100°C lägre än vid konventionell pressgjutning. Något som leder till väsentligt minskat behov av energi.
– Till skillnad från andra SSM-tekniker som oftast resulterat i dyra komponenter, så leder RSF-tekniken till att det blir samma eller billigare att producera komponenter än vid konventionell pressgjutning, säger Staffan Zetterström, sälj- och marknadsansvarig i Rheometal och Magnus Wessén tillägger.
– Och med andra SSM-tekniker har man hittills bara klarat skott på upp till 9 kilo med någon/några minuters cykeltid. Med RSF-tekniken har vi i princip inga begränsningar i mängd tillverkad slurry. Vi har idag tillverkat upp till ca 130 kilo på ca 30 sekunder, vilket öppnar helt nya möjligheter att gjuta stora och komplexa komponenter, vilket naturligtvis är en väsentlig förbättring jämfört med övriga tekniker.

Har väckt stort intresse
Mellan åren 2003 och 2005 har Haiping Cao och Magnus Wessén vidareutvecklat RSF-tekniken i tysthet. Något som bl.a. skett med finansiellt stöd från Verket för Innovationssystem, VINNOVA, och industrikoncernen Finnveden samt företaget Stena Aluminium via ett forskningsprojekt vid Ingenjörshögskolan i Jönköping.
– Under 2005 kände vi oss mogna att kommersialisera vår idé och startade därför företaget Rheometal. Och sedan i somras har vi närmat oss marknaden ytterligare, säger Magnus Wessén.
Såväl forskningsmässigt som från industrin har RSF-tekniken också väckt stort intresse.
– Vi diskuterar nu med de främsta industriföretagen i Sverige. Samtidigt är intresset så stort att vi har problem att hinna med, säger Staffan Zetterström, som i dagsläget har slutkunder med ett 30-tal applikationer som de mer eller mindre vill testa med RSF-tekniken.
– Eftersom många är intresserade är tanken att välja ut de mest intressanta projekten och samarbetspartnerna och arbeta vidare med dessa kring vår teknik. För oss är det samtidigt viktigt att få med oss slutanvändarna för då får vi även med oss gjuterierna, säger Magnus Wessén.
För trion bakom Rheometal, Haiping Cao, Magnus Wessén och Staffan Zetterström, gäller det nu därför att hitta och välja rätt detaljapplikationer där styrka, känslighet för porositet och minskat verktygsslitage eftersträvas. Detta för att kunna prova, utveckla och bevisa att metoden verkligen håller vad den verkar lova.
– Det kan t ex handla om oljelabyrinten till bilens automatlåda eller ett radiofilter till en telefonapplikation.

Parallella utvecklingssteg
Parallellt med att leta projekt och samarbetspartners, håller man emellertid även på och utvecklar två s k alfamaskiner samtidigt som man för diskussioner med olika maskintillverkare.
– I dag har vi tillgång till test-riggar och kan gjuta i maskin och göra enklare konstruktioner. Men för att komma hela vägen fram, för att kunna sätta sekunder och procent på applikationerna i form av produktivitet, håller vi på och designar våra två första alfamaskiner. Dessa räknar vi med ska byggas under våren 2007 och vara i produktion till nästa höst. Så det går ganska fort, säger Staffan Zetterström.
Men för att klara den fortsatta utvecklingen krävs inte bara en bra metod och ett stort intresse utan även kapital.
– Den närmaste tiden kommer vi ”konsumera” ett antal miljoner kronor, både i form av patent- och utvecklingskostnader. Nu arbetar vi därför hårt med finansieringsfrågan. Och det ser väldigt lovande ut, men inget är helt klart ännu. Vi har ett antal saker vi gått igenom, en del saker som hänger i luften, och en del drömmer vi om(!), säger Magnus Wessén.