Thermal conditions affecting heat transfer in FDM/FFE: a contribution towards the numerical modelling of the process

The performance of parts produced by Free Form Extrusion (FFE), an increasingly popular additive manufacturing technique, depends mainly on their dimensional accuracy, surface quality and mechanical performance. These attributes are strongly influenced by the evolution of the filament temperature and deformation during deposition and solidification. Consequently, the availability of adequate process modelling software would offer a powerful tool to support efficient process set-up and optimisation. This work examines the contribution to the overall heat transfer of various thermal phenomena developing during the manufacturing sequence, including convection and radiation with the environment, conduction with support and between adjacent filaments, radiation between adjacent filaments and convection with entrapped air. The magnitude of the mechanical deformation is also studied. Once this exercise is completed, it is possible to select the material properties, process variables and thermal phenomena that should be taken in for effective numerical modelling of FFE.

Impressão FDM de pares de materiais funcionais

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Materiais

Development of advanced cell/tissue culture systems, based on enhanced polymeric scaffolds and sophisticated bioreactors, for tissue engineering applications

Programa Doutoral em Engenharia Biomédica

Jätteenpolton tuhkien käsittelytekniikoiden ympäristövaikutukset

Jätteenpoltossa syntyvät tuhkat sisältävät paljon haitta-aineita, joiden vuoksi niitä ei yleensä voida suoraan sijoittaa kaatopaikoille. Käsittelyllä pyritään parantamaan tuhkien ominaisuuksia ja vähentämään haitta-aineiden liukoisuutta. Samalla kuitenkin käsittely kuluttaa raaka-aineita ja energiaa sekä aiheuttaa päästöjä. Tuhkien käsittelyn kokonaishyötyjä ja -haittoja ympäristön kannalta arvioitaessa tulisikin ottaa huomioon sekä käsiteltävän tuhkan parantuneet ominaisuudet että käsittelystä aiheutuneet ympäristökuormitukset. Tämän diplomityön tavoitteena oliselvittää jätteenpolton tuhkien käsittelystä aiheutuvia ympäristövaikutuksia tarkastelemalla esimerkinomaisesti neljää erilaista käsittelytekniikkaa (pesua, sementtikiinteytystä, Ferrox-prosessia ja vitrifiointia) sekä kahta muuta loppusijoitusvaihtoehtoa (mahdollisuutta sijoittaa tuhkat kaatopaikalle ilman käsittelyä ja kuljettamista Norjassa sijaitsevalle käsittely- ja loppusijoituslaitokselle). Tarkastelussa keskityttiin jätteenpolton ongelmallisimpiin tuhkajakeisiin, lentotuhkaan ja savukaasujen puhdistusjätteisiin eli APC-jätteisiin. Tavoitteena oli selvittää käsittelyvaihtoehdoista syntyvät ympäristökuormitukset ns. koko niiden elinkaaren ajalta, eli huomioiden käsittelyyn tarvittavien lisäaineiden valmistuksesta, itse käsittelyprosessista sekä loppusijoituksesta aiheutuvat kuormitukset. Tarkastelun perusteella eri käsittelyvaihtoehdot aiheuttavat hyvin erilaisia ja erisuuruisia ympäristökuormituksia. Lisäksi käsitellyn materiaalin ominaisuudet vaihtelevat huomattavasti käsittelytavasta riippuen. Tarkastelluista käsittelyvaihtoehdoista suurimmat ympäristökuormitukset ilmapäästöjen osalta aiheutuivat tyypillisesti joko käsittelyyn tarvittavien raaka-aineiden valmistuksesta tai itse käsittelyprosessin energiankulutuksesta. Loppusijoituksesta sen sijaan aiheutui ympäristöhaittoja kaatopaikkarakenteiden muodostamisesta sekä maaperään vapautuvista haitta-aineista, joiden määrä riippuu tuhkan käsittelyn tehokkuudesta.

Influence of process parameters on part quality and mechanical properties for DMLS and SLM with iron-based materials

Rapid manufacturing is an advanced manufacturing technology based on layer-by-layer manufacturing to produce a part. This paper presents experimental work carried out to investigate the effects of scan speed, layer thickness, and building direction on the following part features: dimensional error, surface roughness, and mechanical properties for DMLS with DS H20 powder and SLM with CL 20 powder (1.4404/AISI 316L). Findings were evaluated using ANOVA analysis. According to the experimental results, build direction has a significant effect on part quality, in terms of dimensional error and surface roughness. For the SLM process, the build direction has no influence on mechanical properties. Results of this research support industry estimating part quality and mechanical properties before the production of parts with additive manufacturing, using iron-based powders

Permuurahaishapon valmistaminen mikroreaktorissa

Kandidaatintyön teoriaosassa perehdytään mikroreaktoreihin sekä niiden etuihin ja haasteisiin. Lisäksi esitellään lyhyesti, kuinka sekoitus näissä reaktoreissa voidaan järjestää erilaisten sekoituselementtien avulla sekä uusien ainetta lisäävien valmistusmenetelmien tarjoamat mahdollisuudet reaktorien valmistukselle. Mikroreaktorien edut liittyvät pääasiassa prosessin helpompaan hallittavuuteen, mikä johtaa mm. turvallisuuden lisääntymiseen ja energiasäästöihin. Lisäksi esitellään kokeellisessa osassa lähtöaineina käytettävät vetyperoksidi ja muurahaishappo, sekä tuotteena syntyvä permuurahaishappo ja sen käyttökohteita. Permuurahaishappoa käytetään mm. desinfiointiaineiden yhtenä komponenttina. Sitä voidaan käyttää myös paperikoneen vesikierron bakteerien tappamiseen. Epästabiiliutensa vuoksi permuurahaishappo voi räjähtää jopa huoneenlämmössä, mikä aiheuttaa merkittävän riskin sen varastoinnille ja kuljetukselle. Tästä syystä työssä tutkittu menetelmä permuurahaishapon valmistamiseksi mikroreaktorissa tarjoaa hyvän vaihtoehdon permuurahaishapon tuottamiseksi suoraan tarpeeseen. Kokeellisessa osassa permuurahaishappoa valmistettiin muurahaishaposta ja vetyperoksidista käyttäen rikkihappoa katalyyttinä reaktion nopeuttamiseksi. Lämpötilan ja viipymäajan vaikutusta tutkittiin permuurahaishapon muodostumiseen. Molempien nosto vaikutti edullisesti permuurahaishapon saantoon, mutta lämpötilan nosto lisää samalla räjähdysriskiä. Mikroreaktorissa lämpötilan nosto on kuitenkin suhteessa turvallisempaa makroreaktoriin verrattuna.

Laserpohjaisen ainetta lisäävän menetelmän kykenevyys kapeiden muotojen sekä terävien kulmien valmistuksessa

Tässä työssä tarkastellaan laserpohjaisen ainetta lisäävän työstön kykenevyyttä kapeiden muotojen sekä terävien kulmien valmistuksessa. Tarkkuuteen sekä kykenevyyteen vaikuttavia tekijöitä selvitetään aimmissa tutkimuksissa havaittujen seikkojen pohjalta, sekä menetelmän ominaisuuksien perusteella. Selvityksen pohjalta valmistetaan koekappaleet, jotka koettelevat valmistuslaitteiston kykenevyyttä. Lopuksi suoritetaan vertailu teoreettisten sekä käytännön haasteiden välillä.

Welding of additively manufactured stainless steel parts: Comparative study between sheet metal and selective laser melted parts

Additive manufacturing is a fast growing manufacturing technology capable of producing complex objects without the need for conventional manufacturing process planning. During the process the work piece is built by adding material one layer at a time according to a digital 3D CAD model. At first additive manufacturing was mainly used to make prototypes but the development of the technology has made it possible to also make final products. Welding is the most common joining method for metallic materials. As the maximum part size of additive manufacturing is often limited, it may sometimes be required to join two or more additively manufactured parts together. However there has been almost no research on the welding of additively manufactured parts so far, which means that there has been very little information available on the possible differences compared to the welding of sheet metal parts. The aim of this study was to compare the weld joint properties of additively manufactured parts to those of sheet metal parts. The welding process that was used was TIG welding and the test material was 316L austenitic stainless steel. Weld joint properties were studied by making tensile, bend and hardness tests and by studying the weld microstructures with a microscope. Results show that there are certain characteristics in the welds of additively manufactured parts. The building direction of the test pieces has some impact on the mechanical properties of the weld. Nevertheless all the welds exhibited higher yield strength than the sheet metal welds but at the same time elongation at break was lower. It was concluded that TIG welding is a feasible process for welding additively manufactured parts.

Katsaus lisäävän valmistuksen (aka 3D-tulostus) mahdollisuuksiin ja kustannuksiin metallisten tuotteiden valmistuksessa: Case jauhepetitekniikka

Suurelle yleisölle lisäävä valmistustekniikka eli ns. 3D-tulostustekniikka näyttäytyy lehtien otsikoissa ja artikkeleissa esiin pulpahtavana ”muotiaiheena”, mutta sekä muovien 3D-tulostustekniikka että metallienkin vastaava valmistustekniikka on ollut olemassa maailmalla ja Suomessa 80-luvun puolivälistä alkaen. Yhdysvalloissa ja Saksassa tekniikkaa käytetään valmistavassa teollisuudessa toiminnallisten osien tuotannossa. Esimerkiksi lentokoneen suihkumoottorien osia ja lääketieteellisiä välineitä tehdään metallijauheesta lisäävän valmistuksen avulla. Itse asiassa eräs menetelmä metalliesineiden valmistamiseksi lasersäteen avulla keksittiin Suomessa ja sitä myös kehiteltiin täällä, mutta teollisuudenala lähti aikanaan nousuun Saksassa. Lisäävä valmistus on tällä hetkellä maailmanlaajuisesti eräs kiinnostavista tuotantotekniikoista, jonka uskotaan muuttavan monia asioita tuotteiden suunnittelussa, toiminnoissa ja valmistuksessa. Tämä tekniikka ei kiinnosta pelkästään valmistavaa teollisuutta, vaan tietotekniikan, lääketieteen, koruvalmistuksen ja muotoilun osaajat sekä uusien liiketoimintamallien kehittäjät ja logistiikka operaattorit ovat teknologiasta kiinnostuneita. Suomelle 3D-tulostustekniikka on suuri mahdollisuus, sillä maassamme on vahva teollinen tieto- ja viestintätekniikkaosaaminen sekä lisäksi olemme maassamme erikoistuneet varsin vaativien teollisiin laitteiden valmistukseen. Eräät suurimmista mahdollisuuksista tällä tekniikalla ovat toimitusketjuihin liittyvät muutokset. Uutta on, että pienetkin yritykset ja organisaatiot voivat soveltaa tätä tekniikkaa valmistuksessa ja jopa kehitellä täysin uusia tuotteita. On myös arvioitu, että lisäävän valmistuksen merkitys valmistustapoihin ja toimitusketjuihin voi olla suurempi kuin koskaan aikaisemmin minkään teknologisen uudistuksen kohdalla. Lisäävästä valmistuksesta usein puhutaankin kolmantena teollisena vallankumouksena juuri tämän takia. 3D-tulostuksen kustannuksia tarkasteltaessa on tärkeätä huomata että vain sulatetun jauheen määrä ratkaisee, ei käytettävän geometrian monimutkaisuus. Tämä erottaa perinteisen ja lisäävän valmistuksen toisistaan. Perinteisesti kappaleen keventäminen on maksanut ”ylimääräistä”, kun taas lisäävässä valmistuksessa kappaleen keveys on jopa kustannusta alentava tekijä. Valmistettavan kappaleen korkeus on yksi kriittisimpiä kustannuksiin vaikuttavia tekijöitä. Tämän vuoksi useamman kappaleen valmistus yhdellä kertaa parantaa kannattavuutta huomattavasti. Samalla kertaa voi ja itse asiassa kannattaakin valmistaa keskenään erilaisia kappaleita. Perinteiset valmistustavat sen sijaan ovat nykyajan vaatimuksille liian hitaita; ne joustavat huonosti, kun kyseessä on pienet, asiakaslähtöiset erät. Trendi on globaalisti kohden yksilöllisiä asiakaslähtöisiä tuotteita, jolloin myös valmistustekniikoiden on oltava joustavia pysyäkseen näiden vaatimusten perässä. Lisäävä valmistus sopii erityisesti hyvin piensarjatuotantoon. Suuremmissa valmistuserissä kuitenkin perinteiset tekniikat ovat kustannustehokkaampia.

Weldability of powder bed fusion fabricated stainless steel 316L sheets to cold rolled sheet metal

Weldability of powder bed fusion (PBF) fabricated components has come to discussion in past two years due to resent developments in the PBF technology and limited size of the machines used in the fabrication process. This study concentrated on effects of energy input of welding on mechanical properties and microstructural features of welds between PBF fabricated stainless steel 316L sheets and cold rolled sheet metal of same composition by the means of destructive testing and microscopic analysis. Optical fiber diameter, laser power and welding speed were varied during the experiments that were executed following one variable at a time (OVAT) method. One of the problems of welded PBF fabricated components has been lower elongations at break comparing to conventionally manufactured components. Decreasing energy input of the laser keyhole welding decreased elongations at break of the welded specimens. Ultimate tensile strengths were not affected significantly by the energy input of the welding, but fracturing of the specimens welded using high energy input occurred from the weld metal. Fracturing of the lower energy input welds occurred from the PBF fabricated base metal. Energy input was found to be critical factor for mechanical properties of the welds. Multioriented grain growth and formation of neck at fusion zone boundary on the cold rolled side of the weld was detected and suspected to be result from weld pool flows caused by differences in molten weld pool behaviour between the PBF fabricated and cold rolled sides of the welds.

Näkökulmia 3D-tulostuksen opetukseen ja koulutukseen

Additive manufacturing, or 3D printing, is globally one of most interesting area in developing of manufacturing technologies. This technology is suitable for fabrication off industrial products and it interests actors in fields of computer sciences, economics, medical sciences and design&arts. Additive manufacturing is often referred as third industrial revolution: first revolution was invention of steam engines in 18th century and second was industrial revolution started by Henry Ford in 1920s. Companies should be able to test suitability of their products for additive manufacturing and 3D printing but also how much better products could be when products are totally re-designed so that all potential of this new technology can be utilized. This is where education has its importance; new generations who enter working life should be educated to know of additive manufacturing and 3D printing, its advantages but also of it limits. There has to be also possibility to educate industry and people already working there, so that industrial implementation could be done successfully. This is especially very valid for Finland. Education is strongly needed so that Finnish industry can maintain its competence in global markets. Role of education is extremely important when a new technology is industrially implemented. Additive manufacturing and 3D printing offers freedom to design new products, production and generally ways of doing things. Development, planning and execution of education for additive manufacturing and 3D printing is challenging as this area develops very fast. New innovations are coming almost every month. Planning of education for additive manufacturing and 3D printing requires collection pieces of data from various of sources. Additive manufacturing and 3D printing industry and its development has to be followed frequently, and material for additive manufacturing and 3D printing has to be renewed frequently.

Näin opetan lisäävää valmistusta ja 3D-tulostusta: Pohdintoja uuden teknologian opetuksesta ja koulutuksesta

Additive manufacturing (shortened as AM), or more commonly 3D printing, consists of wide variety of different modern manufacturing technologies. AM is based on direct printing of a digital 3D model to a final product which is fabricated adding material layer by layer. This is from where term additive manufacturing has its origin. It is not only material what is added, but it is also value, properties etc. which are added. AM enables production of different and even better products compared to conventional manufacturing technologies. An estimation of potential of additive manufacturing can be gathered by considering the potential of laser cutting, which is one of the most widely used modern manufacturing technologies. This technique has been used over 40 years, and whole market around this technology is at the moment c. four billion euros and yearly growth is around 10 %. One factor affecting this success of laser cutting is that laser cutting enables radical improvements to products made of flat sheet. AM and 3D printing will do the same for three dimensional parts. Laser devices, which are at the moment used in 3D printing, are globally at the moment only around 1% of all laser devices used in any fabrication technology, so even with a cautious estimate the potential growth of at least 100 % is coming in next few years. Role of education is very important, when this kind of modern technology is industrially implemented. When both generation entering to work life and also generation who has been a while in work life understands new technology, its potential and limitations, this is the point when also product design can be rethought Potential of product design is driving force for wide use of additive manufacturing and 3D printing. Utilization of additive manufacturing and 3D printing is also opportunity for Finland and Finnish industry. This technology can save Finnish manufacturing industry. This technique has stron potential, as Finland has traditionally strong industrial know-how and good ICT knowledge.

Lisäävän valmistuksen tarpeen kartoitus Kaakkois-Suomessa

Lisäävä valmistus (additive manufacturing, AM) on nykyaikainen menetelmä teollisuuskäyttöön tarkoitettujen kappaleiden valmistukseen. Vaikka Suomessa on vahva tieto lisäävästä valmistuksesta ja tutkimusta tehdään aktiivisesti, on menetelmän käyttö teollisuudessa vielä vähäistä. Tämän diplomityön tarkoituksena on kerätä tietoa kiinnostuksesta lisäävään valmistukseen Kaakkois-Suomen alueen yrityksiltä, jotka tekniikkaa voisivat hyödyntää. Työn tarkoituksena on myös tutkia vaatimuksia käyttöönotolle ja käyttökohteiden mahdollisuuksia Kaakkois-Suomen alueella. Työn tuloksena voidaan todeta, että kaksi syytä, jotka hidastavat lisäävän valmistuksen käyttöönottoa teollisuudessa, ovat ennakkoluulot teknologiaa kohtaan sekä perustiedon puuttuminen. Median luoma 3D-innostus luo myös paljon väärinkäsityksiä. Kaikesta huolimatta Kaakkois-Suomen alueen paperiteollisuudesta lähtenyt korkeatasoinen teollisuus- ja konepajaosaaminen pystyy toimimaan perustana teknologian käyttöönotolle.

Perspectives de l'usage de poudre de jaunes d’oeuf comme additif alimentaire contre Campylobacter jejuni chez le poulet : mode d'immunisation et effet de l’encapsulation

La campylobactériose est une zoonose causée par Campylobacter jejuni, une bactérie commensale du poulet, considérée comme la principale source de contamination humaine. C. jejuni est rarement retrouvé dans le tube digestif des poulets avant deux ou trois semaines d'âge. Ce qui pourrait s'expliquer par la transmission d'une immunité maternelle (anticorps IgY) transmise aux poussins via le jaune d'œuf. À la Chaire de recherche en Salubrité des Viandes (CRSV), la caractérisation d'anticorps IgY extraits de jaunes d'œufs frais a montré des niveaux de production d’anticorps différents selon le mode d’immunisation et suggère, in vitro, des effets sur ce pathogène. Ce qui laisse penser qu'en tant qu'additif alimentaire, une poudre de jaunes d'œuf potentialisée permettrait de lutter contre C. jejuni chez le poulet à griller. Dans ce travail, le processus de fabrication de l'additif (déshydratation par « Spray dry » puis encapsulation) a été évalué et les différents modes d'immunisation des poules pondeuses ont également été comparés. Les anticorps ont été extraits des différentes poudres de jaunes d'œuf ou du produit final encapsulé, et caractérisés in vitro (dosage / ELISA, test de mobilité, bactéricidie, western blot). Puis, une évaluation in vivo de la capacité de ces poudres encapsulées, incorporée à 5 % dans la moulée, afin de réduire ou de bloquer la colonisation intestinale des oiseaux par C. jejuni a été testée. In vitro, les résultats ont montré des concentrations d'anticorps et d'efficacité variables selon le type de vaccination. Dans cette étude, on a observé que le « Spray dry » a concentré les anticorps dans les poudres et que ces anticorps sont restés fonctionnels contre C. jejuni. On a également observé que l'encapsulation n’entraîne pas une perte quantitative des anticorps contenus dans les poudres. Malgré les résultats in vitro encourageants, les résultats in vivo ne révèlent aucune inhibition ou réduction de la colonisation des oiseaux par C. jejuni. L’absence d’efficacité la poudre de jaunes d’œuf encapsulée dans notre étude n’est pas due à une perte quantitative et/ou qualitative des anticorps comme soutenu dans les expériences in vitro. Ce qui démontre que les recherches doivent être poursuivies afin de déterminer les conditions optimales de l'utilisation de la poudre de jaune d'œuf in vivo, en tant qu'additif alimentaire chez les poulets

Stability lobes diagram identification and surface roughness monitoring in milling processes

La millora de la productivitat i la qualitat són indubtablement dues de les principals exigències del sector productiu modern i factors clau per la competitivitat i la supervivència. Dins aquest sector,la fabricació per arrancada de material juga encara avui en dia un paper protagonista tot i l'aparició de noves tècniques de conformat per addició.Indústries com l'aeronàutica, l'automobilística,la del motlle o l'energètica, depenen en bona part de les prestacions de les màquines-eina. Aquesta Tesi aborda dos aspectes rellevants quan es tracta de millorar de la productivitat i la qualitat del sector productiu: el problema del fimbrament, més conegut per la denominació anglosaxona chatter,i la monitorització de la rugositat superficial en el mecanitzat a alta velocitat.