Lankapohjaisen suorakerrostuksen hyödyntäminen sellu- ja paperiteollisuuden konepajavalmistuksessa
Varis, Santeri (2020)
Diplomityö
2020
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020062245302
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020062245302
Tiivistelmä
Tämän diplomityön tavoitteena oli tuottaa kohdeyritykselle tietoa hitsausrobottilaitteistolla suoritettavan lankapohjaisen suorakerrostuksen (WAAM) edellytyksistä, sen vaikutuksista tuotanto- ja arvoketjuihin sekä sen liiketoimintapotentiaalista. Kirjallisuustutkimuksen lisäksi diplomityössä suoritettiin kokeellinen osuus, jossa luotiin valmistuskyky lankapohjaiselle suorakerrostukselle, suoritettiin koetulostuksia 316L austeniittiselle ruostumattomalle teräkselle ja tutkittiin tulostetun materiaalin materiaaliominaisuuksia rikkomattomalla sekä rikkovalla aineenkoetuksella.
Kirjallisuustutkimuksen pohjalta todettiin, että WAAMille luonteenomaista on metallilanka raaka-aineena, hitsausvarustus kohdennetun lämpöenergian lähteenä sekä laitteisto hitsauspolttimen liikuttamiseen. WAAM erottuu jauhepetisulatuksesta ja muista yleisemmistä metallia lisäävän valmistuksen prosesseista merkittävästi korkeammalla hitsiaineentuotolla. Kirjallisuustutkimuksessa huomattiin myös, että matalan lämmöntuonnin CMT-hitsausprosessi sekä menetelmälle soveltuva CAM-ohjelmisto ovat isossa roolissa tulostusprosessin onnistumisen kannalta, sillä muilta osin WAAM noudattaa normaalin robottihitsauksen periaatteita. Kokeellisesta osuudesta saatiin pääosin positiivisia tuloksia. Materiaalitesteissä ei esiintynyt hylkäykseen johtavia virheitä tai poikkeamia. Numeeriset arvot ylittivät lujuusominaisuuksien osalta vastaavan levymateriaalin standardoidut minimiarvot testaussuunnasta riippumatta.
WAAMin käyttö on vielä globaalisti suhteellisen vähäistä, mutta jatkuvasti kehittyvät hitsausprosessit ja CAM-ohjelmistot yhdessä lisääntyvän tutkimustiedon kanssa parantavat teollisten käyttökohteiden löytymisen edellytyksiä. Valmistusmenetelmällä on kuitenkin jo tässä vaiheessa tunnistettu olevan suuri potentiaali vastaamaan nopeisiin toimitusaikatarpeisiin tai parantamaan kappaleiden suorituskykyä uudelleensuunnittelun kautta. Valmistusmenetelmä kaipaa kuitenkin vielä paljon jatkokehitystä, menetelmien vakiointia sekä standardisointia saavuttaakseen täysimittaisen teollisen potentiaalinsa. Aim of this Master’s Thesis was to provide knowledge for subject company about requirements of wire and arc based additive manufacturing (WAAM), its impact to value and supply chains and its business potential. In addition to literature review, also experimental part was conducted. In experimental part, capability for WAAM was created first, after which test pieces was manufactured with 316L austenitic stainless steel. After manufacturing, both nondestructive and destructive tests were carried out to validate the quality of deposited material.
From literature review it was concluded that WAAM process is characterized by metal wire feedstock, welding equipment as a heat source to melt material together and machinery to manipulate welding torch movement. WAAM process stands out with significantly higher deposition rates compared to powder bed fusion or other more common metal additive manufacturing processes. It was also noted that low heat input CMT welding process is playing important role for achieving good results and that software and simulation side of manufacturing process still needs further development. Results from experimental part were mostly very promising. There were not any defects leading to rejection and numerical results regarding strength properties were above the minimum requirements of corresponding plate material regardless of testing direction.
Usage of WAAM in industrial is still very limited, but with continuously improving welding processes and CAM software together with increasing research outcomes, industrial usage of this process is increasing. It is already concluded that WAAM has a big potential to address the needs for short lead time products or to improve properties via redesigning of products for additive manufacturing. However, more research, development and standardization needs to be done before full scale industrial use can be achieved.
Kirjallisuustutkimuksen pohjalta todettiin, että WAAMille luonteenomaista on metallilanka raaka-aineena, hitsausvarustus kohdennetun lämpöenergian lähteenä sekä laitteisto hitsauspolttimen liikuttamiseen. WAAM erottuu jauhepetisulatuksesta ja muista yleisemmistä metallia lisäävän valmistuksen prosesseista merkittävästi korkeammalla hitsiaineentuotolla. Kirjallisuustutkimuksessa huomattiin myös, että matalan lämmöntuonnin CMT-hitsausprosessi sekä menetelmälle soveltuva CAM-ohjelmisto ovat isossa roolissa tulostusprosessin onnistumisen kannalta, sillä muilta osin WAAM noudattaa normaalin robottihitsauksen periaatteita. Kokeellisesta osuudesta saatiin pääosin positiivisia tuloksia. Materiaalitesteissä ei esiintynyt hylkäykseen johtavia virheitä tai poikkeamia. Numeeriset arvot ylittivät lujuusominaisuuksien osalta vastaavan levymateriaalin standardoidut minimiarvot testaussuunnasta riippumatta.
WAAMin käyttö on vielä globaalisti suhteellisen vähäistä, mutta jatkuvasti kehittyvät hitsausprosessit ja CAM-ohjelmistot yhdessä lisääntyvän tutkimustiedon kanssa parantavat teollisten käyttökohteiden löytymisen edellytyksiä. Valmistusmenetelmällä on kuitenkin jo tässä vaiheessa tunnistettu olevan suuri potentiaali vastaamaan nopeisiin toimitusaikatarpeisiin tai parantamaan kappaleiden suorituskykyä uudelleensuunnittelun kautta. Valmistusmenetelmä kaipaa kuitenkin vielä paljon jatkokehitystä, menetelmien vakiointia sekä standardisointia saavuttaakseen täysimittaisen teollisen potentiaalinsa.
From literature review it was concluded that WAAM process is characterized by metal wire feedstock, welding equipment as a heat source to melt material together and machinery to manipulate welding torch movement. WAAM process stands out with significantly higher deposition rates compared to powder bed fusion or other more common metal additive manufacturing processes. It was also noted that low heat input CMT welding process is playing important role for achieving good results and that software and simulation side of manufacturing process still needs further development. Results from experimental part were mostly very promising. There were not any defects leading to rejection and numerical results regarding strength properties were above the minimum requirements of corresponding plate material regardless of testing direction.
Usage of WAAM in industrial is still very limited, but with continuously improving welding processes and CAM software together with increasing research outcomes, industrial usage of this process is increasing. It is already concluded that WAAM has a big potential to address the needs for short lead time products or to improve properties via redesigning of products for additive manufacturing. However, more research, development and standardization needs to be done before full scale industrial use can be achieved.