Lisäävällä valmistuksella tuotetut työkalut autotehtaan korihitsaamon tarpeisiin
Sääski, Janne (2020)
Kandidaatintyö
2020
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020090969213
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020090969213
Tiivistelmä
Tässä kandidaatintyössä käsitellään autotehtaan korihitsaamoon soveltuvia lisäävän valmistuksen menetelmiä, materiaaleja ja sovelluskohteita.
Parhaiten korihitsaamon työkalujen tarpeisiin soveltuvan metallien lisäävän valmistuksen menetelmän havaittiin olevan laserpohjainen jauhepetisulatus. (L-PBF) Nykyisen aihealueen tuntemuksen perusteella menetelmällä voidaan valmistaa työkaluja suurimmasta määrästä eri materiaaleja, sen laitteiden ja valmistajien tarjonta on laajinta ja sitä myös käytetään eniten muihin metallien lisäävän valmistuksen menetelmiin verrattuna. Laserpohjaisella jauhepetisulatuksella voidaan valmistaa kappaleita hyvin työkalukäyttöön soveltuvista metalleista, kuten alumiiniseoksesta, H13-työkaluteräksestä ja maraging-teräksestä. Oikeilla valmistus- ja viimeistelyparametreilla lisäävällä valmistuksella tuotettujen materiaalien mekaaniset ominaisuudet ovat perinteisillä menetelmillä, kuten valamalla ja tai koneistamalla tuotettujen kappaleiden tasolla.
Lisäävä valmistus on kuitenkin nuorehko ala, jolloin tutkittua tietoa on vielä vähän. Menetelmän työkalukäyttöön soveltamisen suhteen erittäin tärkeä puuttuva tieto on lisäävällä valmistuksella tuotettujen materiaalien väsymislujuus eli kestävyys pitkäaikaisessa käytössä. Monesta materiaalista ei ollut väsymislujuuden suhteen ollenkaan tietoa, ja tutkimuksissa, joissa asiaa oli tutkittu, ei oltu varmoja kappaleen optimaalisista valmistus- ja viimeistelyparametreista, jotka olisivat voineet parantaa kappaleen ominaisuuksia perinteisillä menetelmillä valmistettuihin kappaleisiin verrattuna.
Monella lisäävän valmistuksen menetelmällä ja materiaalilla on potentiaalia soveltua hyvin työkalukäyttöön tulevaisuudessa, mutta tiedon puuttuessa on toistaiseksi vaikea sanoa, mitkä potentiaalit voivat toteutua ja mitkä eivät. The topic of this bachelor’s thesis is the application of metal additive manufacturing in the tooling of the body shop of a car manufacturer.
The additive manufacturing method which is the best for the needs of body-in-white tooling is laser based powder bed fusion (L-PBF). Based on current knowledge, laser based powder bed fusion can be used to produce the largest range of materials compared to other additive manufacturing methods. It has also the largest offering of hardware and hardware manufacturers and has the biggest userbase of all additive manufacturing methods. Laser based powder bed fusion can be used to produce tooling from metals that are excellent for use in tooling, such as aluminium alloys, H13 tool steel and maraging steel. With the right manufacturing and finishing parameters, tools produced with additive manufacturing can have equal mechanical properties with tools manufactured with conventional methods, like casting or forging.
Since additive manufacturing is a relatively new field, there are some topics regarding it that have not yet been extensively studied. A very important piece of knowledge regarding the tooling applications of additive manufacturing which is still missing is the fatigue strength of the produced materials, i.e. their durability in long term use. There was no knowledge on the subject on many of the applicable materials. In the studies that addressed the subject, it was not certain whether optimal manufacturing and finishing parameters had been applied to the piece that was produced, and if applying them could have improved the piece’s properties compared to having it produced with conventional methods.
Many additive manufacturing methods and materials currently have potential to be viable for tooling applications in the future, but due to the lack of knowledge on the subject, it is currently difficult to estimate what potential can be realised and what cannot.
Parhaiten korihitsaamon työkalujen tarpeisiin soveltuvan metallien lisäävän valmistuksen menetelmän havaittiin olevan laserpohjainen jauhepetisulatus. (L-PBF) Nykyisen aihealueen tuntemuksen perusteella menetelmällä voidaan valmistaa työkaluja suurimmasta määrästä eri materiaaleja, sen laitteiden ja valmistajien tarjonta on laajinta ja sitä myös käytetään eniten muihin metallien lisäävän valmistuksen menetelmiin verrattuna. Laserpohjaisella jauhepetisulatuksella voidaan valmistaa kappaleita hyvin työkalukäyttöön soveltuvista metalleista, kuten alumiiniseoksesta, H13-työkaluteräksestä ja maraging-teräksestä. Oikeilla valmistus- ja viimeistelyparametreilla lisäävällä valmistuksella tuotettujen materiaalien mekaaniset ominaisuudet ovat perinteisillä menetelmillä, kuten valamalla ja tai koneistamalla tuotettujen kappaleiden tasolla.
Lisäävä valmistus on kuitenkin nuorehko ala, jolloin tutkittua tietoa on vielä vähän. Menetelmän työkalukäyttöön soveltamisen suhteen erittäin tärkeä puuttuva tieto on lisäävällä valmistuksella tuotettujen materiaalien väsymislujuus eli kestävyys pitkäaikaisessa käytössä. Monesta materiaalista ei ollut väsymislujuuden suhteen ollenkaan tietoa, ja tutkimuksissa, joissa asiaa oli tutkittu, ei oltu varmoja kappaleen optimaalisista valmistus- ja viimeistelyparametreista, jotka olisivat voineet parantaa kappaleen ominaisuuksia perinteisillä menetelmillä valmistettuihin kappaleisiin verrattuna.
Monella lisäävän valmistuksen menetelmällä ja materiaalilla on potentiaalia soveltua hyvin työkalukäyttöön tulevaisuudessa, mutta tiedon puuttuessa on toistaiseksi vaikea sanoa, mitkä potentiaalit voivat toteutua ja mitkä eivät.
The additive manufacturing method which is the best for the needs of body-in-white tooling is laser based powder bed fusion (L-PBF). Based on current knowledge, laser based powder bed fusion can be used to produce the largest range of materials compared to other additive manufacturing methods. It has also the largest offering of hardware and hardware manufacturers and has the biggest userbase of all additive manufacturing methods. Laser based powder bed fusion can be used to produce tooling from metals that are excellent for use in tooling, such as aluminium alloys, H13 tool steel and maraging steel. With the right manufacturing and finishing parameters, tools produced with additive manufacturing can have equal mechanical properties with tools manufactured with conventional methods, like casting or forging.
Since additive manufacturing is a relatively new field, there are some topics regarding it that have not yet been extensively studied. A very important piece of knowledge regarding the tooling applications of additive manufacturing which is still missing is the fatigue strength of the produced materials, i.e. their durability in long term use. There was no knowledge on the subject on many of the applicable materials. In the studies that addressed the subject, it was not certain whether optimal manufacturing and finishing parameters had been applied to the piece that was produced, and if applying them could have improved the piece’s properties compared to having it produced with conventional methods.
Many additive manufacturing methods and materials currently have potential to be viable for tooling applications in the future, but due to the lack of knowledge on the subject, it is currently difficult to estimate what potential can be realised and what cannot.