Design for additive manufacturing : utilization study for a novel application area
Uosukainen, Mika (2021)
Diplomityö
Uosukainen, Mika
2021
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021061838787
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021061838787
Tiivistelmä
The full utilization of additive manufacturing requires understanding of manufacturing processes, which the design for additive manufacturing (DfAM) methodology supports well. The DfAM methodology comprises of design methods and technologies that additive manufacturing can utilize, and the best design practices adapted to take account of manufacturing constraints. However, the DfAM methodology is not just a collection of different design guidelines, instead it covers the whole additive manufacturing value chain to minimize technical and economic risks.
This thesis researches the utilization of the DfAM methodology on the design of energetic materials’ (EM) additive manufacturing. On the literature review section, common DfAM design methods were visited and the DfAM process was introduced. This was investigated against the properties and operating principles of energetic materials (EM), with the objective of recognizing and gaining understanding of the value adding opportunities of additive manufacturing for the novel application area.
Energetic materials may not be able to be optimized for additive manufacturing technology, and commercial printer applications are not directly suitable for energetic materials. On the literature review section, the rheology of an ideal printing material for the material extrusion (MEX) technique was introduced.
In the experimental section, a prototype part impossible for traditional EM manufacturing methods was designed by applying the DfAM design principles reviewed in the literature section. Further research is required to validate the safe printing and performance of the part. The development of topology optimization and the utilization of energetic materials’ porosity for the optimization of the pressure effect was seen as the most promising opportunity. Lisäävän valmistustekniikan täysimääräinen hyödyntäminen edellyttää valmistusprosessien tuntemista, jota DfAM (Design for Additive Manufacturing) suunnitteluperiaate tukee hyvin. DfAM käsittää suunnittelumenetelmät ja teknologiat, mitä lisäävä valmistustekniikka pystyy hyödyntämään sekä parhaat tuotesuunnittelun käytännöt valmistustekniikan rajoitteiden huomioimiseksi. DfAM -metodiikka ei kuitenkaan ole vain kokoelma erinäisiä suunnitteluohjeita, vaan kattaa koko valmistusprosessin minimoiden tekniset ja taloudelliset riskit.
Tämä diplomityö tutkii DfAM-suunnitteluperiaatteen soveltamista energeettisten materiaalien (EM) lisäävän valmistuksen tuotesuunnitteluun. Kirjallisuusosiossa selvitettiin yleisesti tunnistetut DfAM-metodit sekä esiteltiin prosessikuvaus. Tätä tarkasteltiin energeettisten materiaalien ominaisuuksiin ja toimintaperiaatteisiin tavoitteena sovittaa yhteen ja saavuttaa ymmärrys lisäävän valmistustekniikan mahdollisuuksista uuden käyttöalueen kanssa.
Energeettisiä materiaaleja ei välttämättä pystytä optimoimaan lisäävälle valmistustekniikalle, eivätkä kaupalliset tulostinsovellukset ole suoraan EM materiaaleille soveltuvia. Kirjallisuusosiossa esiteltiin ideaalisen tulostusmateriaalin reologia Material extrusion (MEX) pursotus tekniikalle.
Kokeellisessa osassa suunniteltiin perinteisille EM valmistustekniikoille mahdoton prototyyppikappale soveltamalla kirjallisuusosuudessa tutkittuja DfAM-suunnitteluperiaatteita. Jatkotutkimuksia vaaditaan kappaleen turvallisen tulostamisen ja suorituskyvyn validoimiseksi. Vahvimpina mahdollisuuksina nähdään topologia optimoinnin kehittäminen ja EM materiaalien huokoisuuden hyödyntäminen painevaikutuksen optimoimiseksi.
This thesis researches the utilization of the DfAM methodology on the design of energetic materials’ (EM) additive manufacturing. On the literature review section, common DfAM design methods were visited and the DfAM process was introduced. This was investigated against the properties and operating principles of energetic materials (EM), with the objective of recognizing and gaining understanding of the value adding opportunities of additive manufacturing for the novel application area.
Energetic materials may not be able to be optimized for additive manufacturing technology, and commercial printer applications are not directly suitable for energetic materials. On the literature review section, the rheology of an ideal printing material for the material extrusion (MEX) technique was introduced.
In the experimental section, a prototype part impossible for traditional EM manufacturing methods was designed by applying the DfAM design principles reviewed in the literature section. Further research is required to validate the safe printing and performance of the part. The development of topology optimization and the utilization of energetic materials’ porosity for the optimization of the pressure effect was seen as the most promising opportunity.
Tämä diplomityö tutkii DfAM-suunnitteluperiaatteen soveltamista energeettisten materiaalien (EM) lisäävän valmistuksen tuotesuunnitteluun. Kirjallisuusosiossa selvitettiin yleisesti tunnistetut DfAM-metodit sekä esiteltiin prosessikuvaus. Tätä tarkasteltiin energeettisten materiaalien ominaisuuksiin ja toimintaperiaatteisiin tavoitteena sovittaa yhteen ja saavuttaa ymmärrys lisäävän valmistustekniikan mahdollisuuksista uuden käyttöalueen kanssa.
Energeettisiä materiaaleja ei välttämättä pystytä optimoimaan lisäävälle valmistustekniikalle, eivätkä kaupalliset tulostinsovellukset ole suoraan EM materiaaleille soveltuvia. Kirjallisuusosiossa esiteltiin ideaalisen tulostusmateriaalin reologia Material extrusion (MEX) pursotus tekniikalle.
Kokeellisessa osassa suunniteltiin perinteisille EM valmistustekniikoille mahdoton prototyyppikappale soveltamalla kirjallisuusosuudessa tutkittuja DfAM-suunnitteluperiaatteita. Jatkotutkimuksia vaaditaan kappaleen turvallisen tulostamisen ja suorituskyvyn validoimiseksi. Vahvimpina mahdollisuuksina nähdään topologia optimoinnin kehittäminen ja EM materiaalien huokoisuuden hyödyntäminen painevaikutuksen optimoimiseksi.