Sähkömagneettisten komponenttien 3D-tulostus

Abstract

Kandidaatintyön tavoitteena on selvittää, ovatko 3D-tulostettujen sähkömagneettisten komponenttien ominaisuudet mahdollisesti paremmat kuin perinteisin menetelmin tuotetuilla komponenteilla. Työn alussa käydään läpi 3D-tulostusmenetelmiä ja -tekniikoita, jotta saadaan yleiskäsitys siitä, miten ne eroavat tavallisista komponenteista. Tutkimuksessa tarkasteltava 3D-tulostettu piiri tehtiin EOS StainlessSteel PH1 teräsjauhosta SLS-tekniikalla, koska siihen vaadittava laitteisto oli saatavilla yliopistolla. Vertailtava ”tavallinen” piiri valmistettiin S355 rakenneteräksestä. Ominaisuuksia tutkittiin yksivaiheisen, kuormittamattoman muuntajakytkennän avulla. Sekä 3D-tulostetusta materiaalista että rakenneteräksestä tehtiin samanlaiset kytkennät, joita vertailtiin. Ominaisuuksien tutkiminen perustui mitattujen toisiojännitteiden sekä ensiöjännitteen ja -virran vaihe-erojen vertailuun. Vertailu osoittautui kuitenkin haastavaksi, sillä teräsjauhosta tulostettu ja rakenneteräksestä valmistettu piiri eivät olleet tehty samasta materiaalista. Myös materiaaleista saadut tiedot olivat likimääräisiä ja esimerkiksi permeabiliteetti arvioitiin hyvin karkeasti ja oletettiin laskuissa molemmille materiaaleille samaksi. Mittausten jälkeen havaittiin, että teholähde ei ollut kyennyt tuottamaan saman suuruista jännitettä molemmille kytkennöille, mikä heikensi tulosten vertailukelpoisuutta, erityisesti pienillä taajuuksilla. Tuloksista havaittiin, että teräsjauhosta tulostetun piirin toisiojännite noudatti likimain ideaalisen, häviöttömän piirin käyrämuotoa. Rakenneteräksellä taas toisiojännite alkoi laskea aina vain enemmän taajuuden kasvaessa. Tämä viittaa siihen, että 3D-tulostettu piiri tuottaisi vähemmän häviöitä rakenneteräksiseen piiriin verrattuna.

The aim of the bachelor’s thesis is to find out if the properties of 3D-printed electromagnetic components are better than those produced by conventional methods. In the beginning, additive manufacturing methods and techniques will be discussed in order to get an overall picture of how they differ from conventional components. The examined 3D-printed circuit was made of EOS StainlessSteel PH1 steel powder with SLS-technique since there were the required facilities for it in the university. The compared “normal” circuit was made of S355 structural steel. Unloaded single phase transformer coupling was used to examine the properties of the materials. Similar couplings were made of both 3D-printed material and structural steel. The examination of properties was based on comparison of the measured secondary voltage amplitude, and the comparison between the phase shift of primary voltage and current. The comparison proved to be quite difficult. The printed and the structural steel parts weren’t made of the same material. Also, the information about the materials wasn’t that precise. For example, permeability was estimated only roughly, and it was assumed to be the same for both materials in calculations. It was observed after the measurements that the selected power source couldn’t produce similar voltages for both circuits which weakened the comparability of the results, especially with lower frequencies. It could be seen from the results that the secondary voltage of the circuit made of steel powder acted quite similarly to an ideal transformer. On the other hand, the secondary voltage of the circuit made of structural steel started dropping more and more as the frequency became higher. This makes it seem like the 3D printed circuit would cause less losses than the structural steel one.