Manufacturability of composite additive manufacturing in heavily loaded applications in industrial scale
Paananen, Santeri (2023)
Diplomityö
2023
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023062057093
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023062057093
Tiivistelmä
AM in general and Composite AM have had disruptive advancements in recent years. At the moment, especially aerospace and automotive industry are seeking more advanced composite AM methods to be utilized in heavily loaded applications. This would mean placing fibre in non-planar form and straying away from currently utilized autoclave and moulding processes.
Composite AM methods in industrial scale are currently planar, meaning that fibre is placed in X-Y axis. Sought advancement from composite AM would mean establishing a capability to place fibre in X-Y-Z axis, thus establishing true three-dimensional form. This thesis establishes conditions for manufacturability of three-dimensional (3D) fibre placement. Moreover, it tests the theoretical implications through a real case study to ensure manufacturability of 3D fibre placed composite AM.
To ensure manufacturability of 3D fibre placed composite AM, there are multiple factors needed to be considered, specifically most focus is in determining tool pathing and optimizing the structure from product development and design process perspective. However, currently there is limitation regarding software where such processing, simulation and optimization can be made.
Even though fibre placement three-dimensionally is theoretically possible, both practise and theoretical implications reveal that currently available manufacturing methods are not suitable by themselves for 3D fibre placed composite AM. Thus, manufacturing process needs to include post-processing to ensure mechanical properties and to retrieve good mechanical properties for heavily loaded applications. Material and manufacturing methods need to be capable for continuous fibre reinforced composite.
Based on the findings from theoretical and practical implications, this thesis presents conditions and considerations suitable for 3D fibre placed composite AM in heavily loaded applications. Similarly, the thesis contributes to giving a term and classification for true three-dimensional fibre placed composite AM. Both contributions can be generalized and utilized out of the thesis context which has already been done within the case organization. Lisäävä valmistus ja komposiittien lisäävä valmistus on ottanut suuria kehitysaskelia viime vuosina. Etenkin ilmailu- ja autoteollisuudessa etsitään edistyneitä komposiitin valmistusmenetelmiä, joita voitaisiin hyödyntää raskaasti kuormitetuissa käyttökohteissa. Yhtenä esimerkkinä tästä on siirtyminen komposiittirakenteiden tasomaisuudesta kolmiulotteisiin rakenteisiin sekä pääseminen eroon autoklaaveista ja muoteista.
Nykyiset teollisen mittakaavan menetelmät tukeutuvat tasomaiseen kuidunladontaan, joka tapahtuu X-Y akselin mukaisesti. Tavoitellut kehityskohteet komposiittien lisäävässä valmistuksessa liittyvät kykyyn latoa kuidut X-Y-Z akselien mukaisesti, saavuttaen näin todellisen kolmiulotteisen kuiturakenteen. Tämä tutkimus luo perusteet kolmiulotteisen kuidunladonnan valmistukselle. Lisäksi tutkimuksessa testataan teoreettisia löydöksiä tutkimuskohteen näkökulmasta, jotta voidaan varmistaa 3D ladotun kuitukomposiitin lisäävä valmistaminen.
Jotta valmistus kyetään toteuttamaan, valmistuksen osalta täytyy ottaa useampi tekijä huomioon, erityisesti tuotekehityksen ja suunnittelun näkökulmasta. Etenkin työstöradan ohjelmointi sekä rakenteen optimointi ovat keskeisessä osassa. Suunnitteluohjelmistot kuitenkin rajoittavat, miten tämänkaltaista prosessointia, simulaatiota ja optimointia voitaisiin tehdä.
Vaikka 3D ladotun kuitukomposiitin lisäävä valmistaminen on teoreettisesti mahdollista, käytäntö sekä teoreettiset löydökset paljastavat tämänhetkisten valmistusmenetelmien olevan siihen riittämättömiä. Mikäli halutaan taata komposiitille riittävät materiaaliarvot, tulee valmistus prosessiin liittää niin jälkikäsittelyvaiheet kuin jatkuvakuitulujitteet.
Tutkimus esittää edellytykset 3D ladotun kuitukomposiitin lisäävään valmistukseen raskaasti kuormitetuissa käyttökohteissa pohjautuen niin teoreettisiin kuin käytännön havaintoihin. Samanaikaisesti tutkimus tuo vaihtoehdon 3D ladotun kuitukomposiitin terminologialle ja kategorisoinnille. Tutkimuksen tuloksia voidaan yleisesti hyödyntää komposiittien lisäävän valmistuksen osalta. Organisaatio, jolle tutkimus on tehty, on jo hyödyntänyt tutkimuksen tuloksia tutkimuksen ulkopuolella.
Composite AM methods in industrial scale are currently planar, meaning that fibre is placed in X-Y axis. Sought advancement from composite AM would mean establishing a capability to place fibre in X-Y-Z axis, thus establishing true three-dimensional form. This thesis establishes conditions for manufacturability of three-dimensional (3D) fibre placement. Moreover, it tests the theoretical implications through a real case study to ensure manufacturability of 3D fibre placed composite AM.
To ensure manufacturability of 3D fibre placed composite AM, there are multiple factors needed to be considered, specifically most focus is in determining tool pathing and optimizing the structure from product development and design process perspective. However, currently there is limitation regarding software where such processing, simulation and optimization can be made.
Even though fibre placement three-dimensionally is theoretically possible, both practise and theoretical implications reveal that currently available manufacturing methods are not suitable by themselves for 3D fibre placed composite AM. Thus, manufacturing process needs to include post-processing to ensure mechanical properties and to retrieve good mechanical properties for heavily loaded applications. Material and manufacturing methods need to be capable for continuous fibre reinforced composite.
Based on the findings from theoretical and practical implications, this thesis presents conditions and considerations suitable for 3D fibre placed composite AM in heavily loaded applications. Similarly, the thesis contributes to giving a term and classification for true three-dimensional fibre placed composite AM. Both contributions can be generalized and utilized out of the thesis context which has already been done within the case organization.
Nykyiset teollisen mittakaavan menetelmät tukeutuvat tasomaiseen kuidunladontaan, joka tapahtuu X-Y akselin mukaisesti. Tavoitellut kehityskohteet komposiittien lisäävässä valmistuksessa liittyvät kykyyn latoa kuidut X-Y-Z akselien mukaisesti, saavuttaen näin todellisen kolmiulotteisen kuiturakenteen. Tämä tutkimus luo perusteet kolmiulotteisen kuidunladonnan valmistukselle. Lisäksi tutkimuksessa testataan teoreettisia löydöksiä tutkimuskohteen näkökulmasta, jotta voidaan varmistaa 3D ladotun kuitukomposiitin lisäävä valmistaminen.
Jotta valmistus kyetään toteuttamaan, valmistuksen osalta täytyy ottaa useampi tekijä huomioon, erityisesti tuotekehityksen ja suunnittelun näkökulmasta. Etenkin työstöradan ohjelmointi sekä rakenteen optimointi ovat keskeisessä osassa. Suunnitteluohjelmistot kuitenkin rajoittavat, miten tämänkaltaista prosessointia, simulaatiota ja optimointia voitaisiin tehdä.
Vaikka 3D ladotun kuitukomposiitin lisäävä valmistaminen on teoreettisesti mahdollista, käytäntö sekä teoreettiset löydökset paljastavat tämänhetkisten valmistusmenetelmien olevan siihen riittämättömiä. Mikäli halutaan taata komposiitille riittävät materiaaliarvot, tulee valmistus prosessiin liittää niin jälkikäsittelyvaiheet kuin jatkuvakuitulujitteet.
Tutkimus esittää edellytykset 3D ladotun kuitukomposiitin lisäävään valmistukseen raskaasti kuormitetuissa käyttökohteissa pohjautuen niin teoreettisiin kuin käytännön havaintoihin. Samanaikaisesti tutkimus tuo vaihtoehdon 3D ladotun kuitukomposiitin terminologialle ja kategorisoinnille. Tutkimuksen tuloksia voidaan yleisesti hyödyntää komposiittien lisäävän valmistuksen osalta. Organisaatio, jolle tutkimus on tehty, on jo hyödyntänyt tutkimuksen tuloksia tutkimuksen ulkopuolella.