Utilization of whole build volume in laser-based powder bed fusion
Rahikainen, Jouni (2020)
Kandidaatintyö
2020
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020100176369
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020100176369
Tiivistelmä
Additive manufacturing of metals using laser-based powder bed fusion of metals is a manufacturing method that has gained a lot of attention in the recent years. Literature about utilizing the whole build volume in laser-based powder bed fusion of metals is very limited. Literary sources are good in describing defect formation in additive manufacturing, but so far, no guidelines have been published specifically about vertical stacking. Otherwise the literary sources provide a good basis for printing in laser-based powder bed fusion of metals. Porosity and heat conduction have received significant attention in literature.
Vertical stacking of builds is experimented in this bachelor’s thesis by done simulations using in Dassault Systémes 3D-Experience. The simulation results show that displacements and stresses increased when builds are stacked. A tensile test rod and a half-arc were simulated as a single build, a double stacked build, and a triple stacked build.
The rods had fairly linear increase in displacement as more builds were added on top. Some cracking was noticed in the supports of the stacked rods. The half-arcs did not have a linear displacement increase in the stacks. Double stacked half-arc had more displacement than the triple stacked build. Both build types had significant stresses, but no cracking was noticed in the parts themselves.
While the results have some differences based on geometrical and dimensional differences, but both show that stacking seems viable if defect formation is taken into account by the designer. More research is required until stacking can be made commonly used in L-PBF as currently the manufacturing results largely depend on the skills and experience of the manufacturer. Metallien 3D-tulostaminen on kerännyt huomiota viimeisten vuosien aikana. Kirjallisuutta on kuitenkin kirjoitettu rajallisesti kyseisestä aihepiiristä. Julkaisujen määrä vertikaalisesta sijoittelusta on rajallinen. Valmistusvirheiden muodostumisesta on olemassa tieteellisiä artikkeleita, mutta toistaiseksi 3D-tulostuksen koko tulostustilavuuden hyödyntämisestä ei ole olemassa ohjeistusta tai muita tutkimuksia viimeisen kymmenen vuoden ajalta. Muutoin kirjallisuus antaa hyvät ohjeet metallien 3D-tulostukseen jauhepetitekniikalla. Erityisesti huokoisuuteen ja lämmön johtumiseen on kiinnitetty runsaasti huomiota.
Tässä työssä koko tulostustilavuuden hyödyntämistä kokeiltiin simuloiden käyttämällä Dassault Systémes 3D-Experience ohjelmaa. Simulaatioiden tulokset osoittavat, että jännitykset lisääntyvät, kun rakennettavia kappaleita rakennetaan päällekkäin. Simuloitavia kappaleita olivat vetokoekappale, sekä puolikaaren muotoinen kappale. Molempia kappaleita simuloitiin yksittäin, kahden kerroksissa ja kolmen kerroksissa.
Vetokoekappaleilla oli melko lineaarinen muodonmuutoksen lisääntyminen kappalekerroksien lisääntyessä. Tukirakenteiden murtumista havaittiin useamman kerroksen rakenteissa. Puolikaarille muodonmuutos ei ollut lineaarista kappalekerroksien lisääntyessä. Kaksinkertaisessa rakenteessa esiintyi enemmän muodonmuutosta kuin kolminkertaisessa rakenteessa. Molemmissa kappaletyypeissä oli huomattavia jälkijännityksiä, mutta kappaleissa ei havaittu murtumia.
Vaikka simulaatiotuloksilla oli eroavaisuuksia, jotka perustuivat geometrisiin, sekä dimensionaalisiin eroihin, niin simulaatiotulokset osoittavat, että 3D-tulostettujen rakenteiden tulostaminen päällekkäin on mahdollista, mikäli valmistusvirheiden muodostuminen otetaan huomioon. Aihealue vaatii enemmän tutkimusta, ennen kuin 3D-tulostettujen rakenteiden tulostamisesta voidaan tehdä yleistä. Tällä hetkellä rakenteiden tulostaminen päällekkäin perustuu laajalti suunnittelijan taitoihin ja kokemukseen.
Vertical stacking of builds is experimented in this bachelor’s thesis by done simulations using in Dassault Systémes 3D-Experience. The simulation results show that displacements and stresses increased when builds are stacked. A tensile test rod and a half-arc were simulated as a single build, a double stacked build, and a triple stacked build.
The rods had fairly linear increase in displacement as more builds were added on top. Some cracking was noticed in the supports of the stacked rods. The half-arcs did not have a linear displacement increase in the stacks. Double stacked half-arc had more displacement than the triple stacked build. Both build types had significant stresses, but no cracking was noticed in the parts themselves.
While the results have some differences based on geometrical and dimensional differences, but both show that stacking seems viable if defect formation is taken into account by the designer. More research is required until stacking can be made commonly used in L-PBF as currently the manufacturing results largely depend on the skills and experience of the manufacturer.
Tässä työssä koko tulostustilavuuden hyödyntämistä kokeiltiin simuloiden käyttämällä Dassault Systémes 3D-Experience ohjelmaa. Simulaatioiden tulokset osoittavat, että jännitykset lisääntyvät, kun rakennettavia kappaleita rakennetaan päällekkäin. Simuloitavia kappaleita olivat vetokoekappale, sekä puolikaaren muotoinen kappale. Molempia kappaleita simuloitiin yksittäin, kahden kerroksissa ja kolmen kerroksissa.
Vetokoekappaleilla oli melko lineaarinen muodonmuutoksen lisääntyminen kappalekerroksien lisääntyessä. Tukirakenteiden murtumista havaittiin useamman kerroksen rakenteissa. Puolikaarille muodonmuutos ei ollut lineaarista kappalekerroksien lisääntyessä. Kaksinkertaisessa rakenteessa esiintyi enemmän muodonmuutosta kuin kolminkertaisessa rakenteessa. Molemmissa kappaletyypeissä oli huomattavia jälkijännityksiä, mutta kappaleissa ei havaittu murtumia.
Vaikka simulaatiotuloksilla oli eroavaisuuksia, jotka perustuivat geometrisiin, sekä dimensionaalisiin eroihin, niin simulaatiotulokset osoittavat, että 3D-tulostettujen rakenteiden tulostaminen päällekkäin on mahdollista, mikäli valmistusvirheiden muodostuminen otetaan huomioon. Aihealue vaatii enemmän tutkimusta, ennen kuin 3D-tulostettujen rakenteiden tulostamisesta voidaan tehdä yleistä. Tällä hetkellä rakenteiden tulostaminen päällekkäin perustuu laajalti suunnittelijan taitoihin ja kokemukseen.