Use of aluminium in directed energy deposition (DED) process

Abstract

For decades, aluminium has been used in lightweight structures and throughout history it has been proven as the best material in many applications. Traditionally aluminium has been manufactured by casting, as sheet metal, welding of plates and by machining. These production methods have substantial manufacturing limitations and possess far less flexibility compared to additive manufacturing methods.

Due to reducing material costs and manufacturing of complex geometry parts are getting more relevant, near-net-size stock is getting more important. The key benefit of directed energy deposition (DED) method lies on the fact that the amount of useless material in the final part or stock material can be reduced, potentially even eliminated altogether. This is very advantageous due to the process being capable of creating features that would be impossible or at least very difficult to make by machining from a solid piece of material or forming by other means.

In this work DEDs subcategory arc-DED is researched trough practical experiments and available literature. In arc-DED process a welding robot, not in any way different to a normal welding robot utilising MIG (Metal Inert Gas) welding process is used to build up material directly to the build plate simply by welding. Arc-DED can be used with a vast range of material, in theory the only material limiting factor being the weldability and availability of the material. While many common materials are used for this process already, this Thesis is going to be focused mainly on aluminium as the material used.

Alumiinia on käytetty kevyissä rakenteissa jo vuosikymmenien ajan, ja se on kautta historian osoittanut olevansa paras materiaali moneen sovellukseen. Perinteisesti alumiinia on valmistettu valamalla, levymateriaalista muokattuna, levystä hitsaamalla ja palasta koneistamalla. Lisäävällä valmistuksella on perinteisiin tuotantomenetelmiin verrattuna huomattavasti vähemmän valmistusrajoituksia ja merkittävästi enemmän suunnittelun joustavuutta.

Materiaalikustannusten vähentäminen ja monimutkaisten geometrioiden valmistuksen yleistyessä, lähes nettokokoiset materiaaliaihiot ovat entistäkin merkityksellisempiä. Suorakerrostusmenetelmän (DED:n) tärkein etu on siinä, että hyödyttömän materiaalin määrää lopullisessa osassa tai materiaaliaihiossa voidaan vähentää, mahdollisesti jopa kokonaan eliminoida. Tämä on erittäin edullista, koska prosessilla pystytään luomaan piirteitä ja muotoja, joita olisi mahdotonta tai ainakin erittäin vaikeaa tehdä koneistamalla kiinteästä materiaalikappaleesta tai muovaamalla muulla tavalla.

Tässä työssä tutkitaan DED:n-alakategoriaa valokaarisuorakerrostusta (arc-DED). KaariDED-prosessissa käytetään hitsausrobottia, joka ei välttämättä eroa millään tavalla normaalista MIG-hitsausprosessia (Metal Inert Gas) käyttävästä hitsausrobotista. Robottia käytetään materiaalin kerryttämiseen suoraan rakennelevyyn yksinkertaisesti hitsaamalla. Kaari-DED-prosessia voidaan käyttää kaikenlaisten materiaalien kanssa, teoriassa ainoa materiaalia rajoittava tekijä on materiaalin hitsattavuus ja sen saatavuus. Vaikka monia yleisiä materiaaleja käytetäänkin tässä prosessissa, tässä opinnäytetyössä keskitytään pääasiassa alumiiniin käytettynä materiaalina.