The requirements of designing a metal laser based powder bed fusion manufacturing facility

Abstract

While metal additive manufacturing (AM) is rapidly gaining relevance and maturity in the field of manufacturing, knowledge is scarce on parts of the manufacturing processes related to metal AM, such as powder handling and post processing. This thesis’ objective is to research the principles and requirements of designing a metal AM facility which has an emphasis on combining occupational health and safety aspects and an efficient material flow of the manufacturing process chain. The results obtained in this thesis were utilized in the design of a real-world metal AM manufacturing facility.

As the most crucial occupational hazard regarding metal additive manufacturing is the detriment metal powder causes to the health, both short term and long term, minimizing human exposure to it was the primary means of improving the occupational health and safety in the facility. The design elements in the layout of the facility aim to reduce both the amounts of metal powder that one could be exposed to at any given place and to minimize the travel of the powder from one part of the facility to another. The material flow of the production floor is based on the ideas of minimizing the total distance the manufactured component travels from the start of production to the end and optimizing pathways for easy traversing and transportation.

Lisäävän valmistuksen ajankohtaisuuden ja maturiteetin kasvaessa valmistuksen alalla, aiempi tutkimustieto liittyen osaan sen ympäröiviin valmistusprosesseihin on kuitenkin vähäistä. Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia metallien lisäävän valmistuksen tuotantolaitoksen suunnittelun periaatteita ja vaateita, missä tavoitteena on tuotantoprosessin sujuvan materiaalivirran sekä työturvallisuusnäkökulman yhdistäminen. Diplomityön tuloksia hyödynnettiin konkreettisesti oikean metallien lisäävän valmistuksen tuotantolaitoksen suunnittelussa.

Kriittisimmän metallien lisäävän valmistuksen työturvallisuusriskin ollessa metallijauheen aiheuttamat sekä lyhyen että pitkän aikavälin terveyshaitat, jauhealtistusten minimointi oli pääasiallinen keino kohentaa tuotantolaitoksen työturvallisuutta. Jauhealtistusta ehkäisevät tuotannon pohjapiirustuksen suunnitteluelementit pyrkivät vähentämään sekä jauheen määrää, jolle kukaan voi missään päin laitosta altistua yhdellä kertaa, että jauheen kulkeutumista paikasta toiseen tuotantolaitoksen sisällä. Tuotannon lattian materiaalivirran suunnittelun periaatteet pohjautuvat komponentin valmistuksen aikana kulkeman matkan minimointiin sekä kulkureittien optimoimiseen mahdollisimman helppoa kulkemista ja tavaroiden kuljettamista varten.