Metal additive manufacturing of internal flow channels with powder bed fusion processes

This thesis studies the advantages, disadvantages and possibilities of additive manufacturing in making components with internal flow channels. These include hydraulic components, components with cooling channels and heat exchangers. Processes studied in this work are selective laser sintering and selective laser melting of metallic materials. The basic principles of processes and parameters involved in the process are presented and different possibilities of internal channel manufacturing and flow improvement are introduced

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.

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.

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.

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.

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.

Valukappaleen ainetta rikkomattoman tarkastusprosessin kehittäminen

Ainetta rikkomattomien tarkastusten merkitys erityisesti valettujen kappaleiden valmistuksen yhteydessä on ratkaiseva koneenosan luotettavuuden varmistamisessa. Suurilujuuksiset kuormausnosturin kääntöpylväät ovat kriittisiä osia, joiden vaurioituminen aiheuttaa kustannuksia ja työturvallisuusriskin. Kuormainvalmistajat haluavat, että toimitetut kääntöpylväät täyttävät asetetut laatuvaatimukset, joihin kuuluu säröttömyyden varmistaminen tarkastamalla. Väsymisvaurioiden välttämiseksi kappaleiden pinnan virheettömyys on tarkastettava jollakin pintatarkastusmenetelmällä. Magneettijauhetarkastus on eräs käyttökelpoinen ja taloudellinen menetelmä kyseessä olevien teräsvalukappaleiden tarkastamisessa. Tähän työhön on koottu magneettijauhetarkastukseen (menetelmänä) liittyvää tietoa. Työssä on laadittu kääntöpylväisiin koneistuksia tekevän yrityksen käyttöön tarkastuksen yleisohje. Yrityksessä otetaan käyttöön uusi magneettijauhetarkastuslaitteisto. Tarkastusmenetelmä on fluoresoivamärkä menetelmä, jossa käytetään UV-valaistusta. Tarkastusohjeen tueksi on kuvattu vertailukuvasarja tarkastajien käyttöön. Suurin sallittava särönpituus on väsymisen kannalta tärkein yksittäinen tekijä ja siksi sen arvioinnin on oltava luotettavaa. Työturvallisuuteen on kiinnitetty erityistä huomiota, sillä asiakkaatovat usein kiinnostuneita paitsi itse tuotteesta, myös yrityksen toiminnallisesta laadusta. Yhtenä laadun mittarina voidaan pitää vahinkojen ja tapaturmien vähäisyyttä. Selkeät toimintaohjeet viestivät laatutietoisesta turvallisesta toiminnasta. Yrityksen laatukäsikirjaan on tehtävä lisäys pylväiden tarkastamisesta jatyöturvallisuudesta. Työssä on laadittu lisäyksestä ehdotus. Lisäksi työssä on pohdittu yrityksen ja työntekijöiden toimintaan liittyviä vastuukysymyksiä.

Yrityksen arvoa lisäävä tuotekehitys Case Ovako Imatra

Tutkimuksen tavoitteena oli tapaustutkimuksen avulla analysoida case yrityksen tuotekehitystoiminnan menestyksen kulmakivet ja edellytykset yrityksen arvon lisäämiseksi. Case osa toteutettiin kolmen toisiaan tukevan aineiston avulla. Tiedonkeruumenetelminä olivat haastattelu, kyselytutkimussekä yrityksessä toteutettujen projektien analysointi. Tutkielman teoriaosan ensimmäisessä vaiheessa analysoitiin tuotekehityksen avaintekijöitä. Käsittelyn lähtökohtana toimi kolme tuotekehityksen perustekijää: tuotestrategia, kehitysprosessi ja saatavilla olevat resurssit. Teoriaosuudessa analysoitiin myös tuotekehitystoiminnan menestyksen mittaamista. Kolmas osa kirjallisuusosuudessa on tuotekehitykseen olennaisesti kuuluva riskien tunnistaminen ja hallinta. Tutkielman empiirisessä osiossa nostettiin esiin kohdeyrityksen tuotekehitystoiminnan tärkeimmät tekijät. Tulokseksi saatiin, että asiakasyhteistyö, tuotteen laadun varmistava projektin toteutus sekä resurssien määrä määrittävät pitkälti tuotekehitystoiminnan tason yrityksessä. Näiden tekijöiden onnistuneella yhteensovittamisella yritys pystyy säilyttämään kilpailuasemansa. Pitkän aikavälin arvoa lisäävä tuotekehitystoiminta edellyttää edellä olleiden tekijöiden ohella myös panostusta innovatiivisuuteen, riskinhallintanäkökulman huomioimiseen projektien valinnassa sekä tuotetun arvon mittaamiseen. Kilpailuedun saavuttaminen uusilla innovatiivisilla tuotteilla, joustavuuden lisääminen projekteihin sekä oppiminen toteutetuista hankkeista ovat avaintekijöitä tulevaisuuden menestykselle