A new approach to design and development of a metal additive manufacturing machine

Abstract

This thesis is studied designing of additive manufacturing machine. Many different components and component combinations are selected to use in designed machine. In researching components was kept the focus on that the first prototype should be quite easily modifiable and tuned without large additional costs. In first stage of thesis is researched information from literature. In literature research is founded the available machines in the market and commonly used building methods.

In second stage of the study is focused to design the machine. Designed machine has integrated additional functions which give more value for the machine in the markets. Designed additional functions of the machine automatic powder removal, automatic powder circulation, integrated nitrogen generator and automatic building platform change-over mechanism. Founded components are evaluated against the requirements of the machine and additional information of the components are collected from components manufacturers and suppliers.

In third stage was created dynamic model of the designed machine three main motions and controller for dynamic model. Three main motions are recoater movement, lifting platform movement and building platform change-over arm movement. In dynamic model has evaluated a suitability of the components more precisely. With created controller was evaluated the motions, PID controller gains, positioning and work cycles of the model. Created controller also give guidelines to design the whole machine controller in future.

Some of the components are oversized on purpose to give more opportunity to modify and adjust the machine first prototype.

Diplomityössä tutkittiin ja kehitettiin suunnitelma ainetta lisäävälle valmistuskoneelle. Koneeseen on valittu useita osia/osakokonaisuuksia. Komponenttien valinnassa otettiin huomioon joustavuus, jotta ensimäistä versiota kehitetystä laitteesta olisi mahdollista muokata ja säätää ilman suuria lisäkustannuksia. Ensimmäisessä vaiheessa etsittiin kirjallisuudesta tietoa markkinoilla olevista koneista ja kappaleen rakennus menetelmistä.

Toisessa vaiheessa diplomityötä aloitettiin kehittämään konetta. Kehitettävään koneeseen haluttiin lisätoimintoja, kuten automaattinen jauheen käsittely ja poistaminen sekä automaattinen rakennus alustan vaihto. Tässä vaiheessa keskityttiin tutkimaan kirjallisuudesta ja tuotekatalogeista sekä tiedusteluilla komponentti valmistajilta ja toimittajilta komponenttien suoritus kykyjä ja ominaisuuksia. Saatujen ominaisuuksien pohjalta muodostettiin osakokonaisuudet laitteen päätoiminnoille. Komponenttien ominaisuuksia verrattiin laitteeseen haluttuihin ominaisuuksiin ja laitteessa syntyviin voimiin. Tätä kautta arvioitiin komponenttien soveltuvuutta.

Kolmannessa vaiheessa tehtiin kehitetyn koneen merkitsevimmistä liike toiminnoista dynaaminen malli, jolla arvioitiin tarkemmin osien soveltuvuutta ja osilla saavutettuja ja niihin kohdistuneita liikkeitä ja voimia. Malli tehtiin siten, että vastaavaa mallia olisi mahdollista käyttää myös tulevaisuudessa uusia koneita kehitettäessä muuttamalla ominaisuuksia ja parametreja mallissa. Dynaamiseen malliin tehtiin myös ohjaus koodi jolla saatiin simuloitua mallin toimintaa käyttäen paikoitus komentoja. Tällöin mallista nähtiin toden mukaisemmat liikeradat.

Joitakin koneen liikkeen tuottavia komponentteja on tarkoituksella hieman ylimitoitettu. Tällä tavoiteltiin joustavuutta ensimmäisen prototyypin säätämisessä ja jatkokehityksessä.