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.

Fabrication additive ou Impression 3D. Aperçus sur une variation terminographique

Materiaalia lisäävä valmistus eli 3D-tulostus on valmistusmenetelmä, jossa kappale tehdään 3D-mallin pohjalta materiaalikerroksia lisäämällä, käyttäen useita tekniikoita ja materiaaleja. Menetelmää sovelletaan useilla teollisuuden aloilla. Lisääviä valmistustekniikoita on kehitetty 1990-luvun alkupuolelta lähtien, ja ne monipuolistuvat jatkuvasti. Tässä pro gradu -tutkielmassa tutkitaan sovellusalan terminologian kehitystä vertailevilla menetelmillä ja luodaan kolmikielinen sanasto alan asiantuntijoille, joita edustaa Suomessa FIRPA ry. Sanaston kielet ovat englanti, ranska ja suomi. Terminologian tutkimus on perinteisesti keskittynyt sanastotyöhön ja käsiteanalyysiin, sen sijaan termihistorian tutkimus on ollut vähäisempää. Tässä työssä on tehty vertailevaa termitutkimusta sekä sanastotyön että termihistorian näkökulmista. Vertailutasoja ovat termien merkityksen muuttuminen, vertailu pivot-kielen suhteen ja kielikohtaisten ominaisuuksien tarkastelu termien muotoutumisessa. Tutkittavia asioita ovat sanastokäsitteiden väliset suhteet, synonyymien, varianttien ja uudissanojen moninaisuus, ja termien yleiskielistyminen. Samalla pohditaan muita termien muuttumiseen vaikuttavia syita. Tärkeimpänä lähteenä käytetään Wohlersin vuosiraportteja, jotka kuvaavat kattavasti koko teollisuudenalaa. Koska englannin pivot-vaikutus on voimakasta teknisillä aloilla, omankielisen terminologian kehittyminen vaatii tietoista terminologiatyötä ja aktiivista omankielisten termien käyttöä. Terminologian vakiintumista voidaan arvioida termivarianttien ja uudissanojen määristä, sekä termien yleiskielistymisestä. Terminologia muuttuu jatkuvasti toimialan kehittyessä ja vaatii säännöllistä päivittämistä. Termihistorian tunteminen tukee sanastotyön termivalintoja. Alan asiantuntijat ovat vastuussa omasta terminologiastaan, ja heidän aktiivisuutensa on tärkeää sen kehittämisessä. Toteutettu sanasto on tämän pro gradu -tutkielman liitteenä ja se julkaistaan myös FIRPA ry:n Internet-sivustolla. Suomenkielinen osio sanastosta on ensimmäinen laaja suomeksi julkaistu materiaalia lisäävän valmistuksen sanasto.

3D-tulostustekniikan hyödyntäminen diagnostisten pikatestien tuotekehityksessä

Pikamallinnustekniikat ovat kehittyneet viime vuosina nopeasti. Tämä antaa jo lähes rajat-tomat mahdollisuudet tuottaa 3D-tulostamalla erilaisia tuotteita. 3D-tulostuksen hyödyntä-minen on yleistynyt erityisesti teollisuuden ja teknologian aloilla. Tässä työssä tutkittiin miten 3D-tulostamista voidaan hyödyntää diagnostisten pikatestien tuotekehityksessä. Immunologinen lateral flow-testi on vasta-aineisiin perustuva, nopea ja helppokäyttöinen mittausmenetelmä pienten ainemäärien havaitsemiseen. Tässä työssä kehitettiin lateral flow-testikotelo, jonka suunnitteluun ja rakenteen mallintamiseen käytettiin 3D-tulostustekniikkaa. Testikotelon toimivuus lateral flow- testissä varmistettiin kehittämällä testikoteloon sopiva pikatesti, jonka suorituskykyä analysoitiin sekä visuaalisesti että Actim 1ngeni-lukulaitteella. Työ aloitettiin tutkimalla eri pikavalmistustekniikoita, joista testikotelon tulostamiseen valittiin SLA-tekniikka sen tulostustarkkuuden ja tuotteen pinnan laadun perusteella. Testikotelon suunnittelu aloitettiin määrittämällä millaisia ominaisuuksia testikotelolta haluttiin. Näitä ominaisuuksia olivat lateral flow-testin suojaaminen sekä testissä kulkevan näytteen virtauksen varmistamien. Lateral flow- testin kehityksessä hyödynnettiin osin aiemmin kehitetystä pikatestistä saatuja tietoja. Lateral flow- kasettitestin valmistusprosessi koostui seitsemästä eri prosessivaiheesta jotka olivat: Vasta-aineen/kontrollireagenssin konjugointi, näytetyynyn käsittely, konjugointityynyn käsittely, konjugointityynylle annostelu, membraanille annostelu, tikkujen laminointi ja leikkaus sekä kasettitestin kokoonpano. Kehitetyn lateral flow- kasettitestin toimivuus varmistettiin tutkimalla testin reaktiokinetiikkaa ja analyyttistä herkkyyttä sekä visuaalisesti että lukulaitteen avulla. Tutkimustulosten perusteella 3D-tulostus on erittäin hyödyllinen menetelmä pikatestien tuotekehityksessä suunniteltaessa testikotelorakenteita, näytteen annosteluvälineitä ja näiden yhdistelmiä.

3D-tulostettu tuuliturbiinin vaihteen pienoismalli

Työn aiheena on vaihteen pienoismallin suunnittelu ja toteutus 3d-tulostusta hyväksi käyttäen. Pienoismalli tehdään Moventas Gears Oy:n suunnittelemasta tuuliturbiinin vaihteesta. Vaihteen pienentämisestä johtuen malliin on suunniteltava uudet laakeripesät ja hammaspyörät. 3D-tulostuksen ja pienoismallin pienen koon ansiosta vaihdetta voidaan yksinkertaistaa suuresti ja näin vähentää tulostettavien osien määrää. Lisäksi työssä selvitetään, mitä ongelmia 3D-tulostus tuo valmistukseen ja suunnitteluun. Työn kirjallisessa osassa selvennetään planeettavaihteen toimintaa yleisesti sekä esitellään Exceed Series 3+ vaihdetta. Lisäksi kerrotaan 3D-tulostuksesta, sen periaatteesta, erilaisista tulostusmenetelmistä, tulostinlaitteesta ja mahdollisista ongelmista tulostuksessa. Kokeellinen osa koostuu pienoismallin suunnittelusta ja valmistuksesta. Valmistuksessa olleiden virheiden takia muutama osa jouduttiin tulostamaan uudelleen. Muutamia osia jouduttiin myös hieman jälkikäsittelemään tulostuksen jälkeen, jotta malli saatiin kasattua. Ongelmakohdaksi muodostui tulostimen ohjelmisto ja tulostustiedostot. Tulostusprosessi sujui kuitenkin hyvin. Lopputuloksena saatiin toimiva pienoismalli. 3D-tulostus toimii hyvin monimutkaisten kappaleiden tulostuksessa. Tulostuksen hinta nousi kuitenkin varsin korkeaksi. Tulostuslaitteistosta riippuen tulostuksen voisi mahdollisesti suorittaa myös halvemmallakin.

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.

Characterization Of Process Efficiency Improvement In Laser Additive Manufacturing

Laser additive manufacturing (LAM), known also as 3D printing, has gained a lot of interest in past recent years within various industries, such as medical and aerospace industries. LAM enables fabrication of complex 3D geometries by melting metal powder layer by layer with laser beam. Research in laser additive manufacturing has been focused in development of new materials and new applications in past 10 years. Since this technology is on cutting edge, efficiency of manufacturing process is in center role of research of this industry. Aim of this thesis is to characterize methods for process efficiency improvements in laser additive manufacturing. The aim is also to clarify the effect of process parameters to the stability of the process and in microstructure of manufactured pieces. Experimental tests of this thesis were made with various process parameters and their effect on build pieces has been studied, when additive manufacturing was performed with a modified research machine representing EOSINT M-series and with EOS EOSINT M280. Material used was stainless steel 17-4 PH. Also, some of the methods for process efficiency improvements were tested. Literature review of this thesis presents basics of laser additive manufacturing, methods for improve the process efficiency and laser beam – material- interaction. It was observed that there are only few public studies about process efficiency of laser additive manufacturing of stainless steel. According to literature, it is possible to improve process efficiency with higher power lasers and thicker layer thicknesses. The process efficiency improvement is possible if the effect of process parameter changes in manufactured pieces is known. According to experiments carried out in this thesis, it was concluded that process parameters have major role in single track formation in laser additive manufacturing. Rough estimation equations were created to describe the effect of input parameters to output parameters. The experimental results showed that the WDA (width-depth-area of cross-sections of single track) is correlating exponentially with energy density input. The energy density input is combination of the input parameters of laser power, laser beam spot diameter and scan speed. The use of skin-core technique enables improvement of process efficiency as the core of the part is manufactured with higher laser power and thicker layer thickness and the skin with lower laser power and thinner layer thickness in order to maintain high resolution. In this technique the interface between skin and core must have overlapping in order to achieve full dense parts. It was also noticed in this thesis that keyhole can be formed in LAM process. It was noticed that the threshold intensity value of 106 W/cm2 was exceeded during the tests. This means that in these tests the keyhole formation was possible.

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.

Characterization of design of a product for additive manufacturing

The purpose of conducting this thesis is to gather around information about additive manufacturing and to design a product to be additively manufactured. The specific manufacturing method dealt with in this thesis, is powder bed fusion of metals. Therefore when mentioning additive manufacturing in this thesis, it is referred to powder bed fusion of metals. The literature review focuses on the principle of powder bed fusion, the general process chain in additive manufacturing, design rules for additive manufacturing. Examples of success stories in additive manufacturing and reasons for selecting parts to be manufactured with additive manufacturing are also explained in literature review. This knowledge is demanded to understand the experimental part of the thesis. The experimental part of the thesis is divided into two parts. Part A concentrates on finding proper geometry for building self-supporting pipes and proper parameters for support structures of them. Part B of the experimental part concentrates on a case study of designing a product for additive manufacturing. As a result of experimental part A, the design process of self-supporting pipes, results of visual analysis and results of 3D scanning are presented. As a result of experimental part B the design process of the product is presented and compared to the original model.

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.

Structural and chemical basis for anticancer activity of a series of 'beta'-tubulin ligands: molecular modeling and 3D QSAR studies

An important approach to cancer therapy is the design of small molecule modulators that interfere with microtubule dynamics through their specific binding to the ²-subunit of tubulin. In the present work, comparative molecular field analysis (CoMFA) studies were conducted on a series of discodermolide analogs with antimitotic properties. Significant correlation coefficients were obtained (CoMFA(i), q² =0.68, r²=0.94; CoMFA(ii), q² = 0.63, r²= 0.91), indicating the good internal and external consistency of the models generated using two independent structural alignment strategies. The models were externally validated employing a test set, and the predicted values were in good agreement with the experimental results. The final QSAR models and the 3D contour maps provided important insights into the chemical and structural basis involved in the molecular recognition process of this family of discodermolide analogs, and should be useful for the design of new specific ²-tubulin modulators with potent anticancer activity.

Stress distribution in the cervical region of an upper central incisor in a 3D finite element model

The aim of this study was to evaluate the stress distribution in the cervical region of a sound upper central incisor in two clinical situations, standard and maximum masticatory forces, by means of a 3D model with the highest possible level of fidelity to the anatomic dimensions. Two models with 331,887 linear tetrahedral elements that represent a sound upper central incisor with periodontal ligament, cortical and trabecular bones were loaded at 45º in relation to the tooth's long axis. All structures were considered to be homogeneous and isotropic, with the exception of the enamel (anisotropic). A standard masticatory force (100 N) was simulated on one of the models, while on the other one a maximum masticatory force was simulated (235.9 N). The software used were: PATRAN for pre- and post-processing and Nastran for processing. In the cementoenamel junction area, tensile forces reached 14.7 MPa in the 100 N model, and 40.2 MPa in the 235.9 N model, exceeding the enamel's tensile strength (16.7 MPa). The fact that the stress concentration in the amelodentinal junction exceeded the enamel's tensile strength under simulated conditions of maximum masticatory force suggests the possibility of the occurrence of non-carious cervical lesions such as abfractions.

Dynamical Lorentz symmetry breaking in 3D and charge fractionalization

We analyze the breaking of Lorentz invariance in a 3D model of fermion fields self-coupled through four-fermion interactions. The low-energy limit of the theory contains various submodels which are similar to those used in the study of graphene or in the description of irrational charge fractionalization.

Density functional theory investigation of 3d, 4d, and 5d 13-atom metal clusters

The knowledge of the atomic structure of clusters composed by few atoms is a basic prerequisite to obtain insights into the mechanisms that determine their chemical and physical properties as a function of diameter, shape, surface termination, as well as to understand the mechanism of bulk formation. Due to the wide use of metal systems in our modern life, the accurate determination of the properties of 3d, 4d, and 5d metal clusters poses a huge problem for nanoscience. In this work, we report a density functional theory study of the atomic structure, binding energies, effective coordination numbers, average bond lengths, and magnetic properties of the 3d, 4d, and 5d metal (30 elements) clusters containing 13 atoms, M(13). First, a set of lowest-energy local minimum structures (as supported by vibrational analysis) were obtained by combining high-temperature first- principles molecular-dynamics simulation, structure crossover, and the selection of five well-known M(13) structures. Several new lower energy configurations were identified, e. g., Pd(13), W(13), Pt(13), etc., and previous known structures were confirmed by our calculations. Furthermore, the following trends were identified: (i) compact icosahedral-like forms at the beginning of each metal series, more opened structures such as hexagonal bilayerlike and double simple-cubic layers at the middle of each metal series, and structures with an increasing effective coordination number occur for large d states occupation. (ii) For Au(13), we found that spin-orbit coupling favors the three-dimensional (3D) structures, i.e., a 3D structure is about 0.10 eV lower in energy than the lowest energy known two-dimensional configuration. (iii) The magnetic exchange interactions play an important role for particular systems such as Fe, Cr, and Mn. (iv) The analysis of the binding energy and average bond lengths show a paraboliclike shape as a function of the occupation of the d states and hence, most of the properties can be explained by the chemistry picture of occupation of the bonding and antibonding states.