Implications of additive manufacturing processes and design complexity on long-term material behavior

Abstract

Additive manufacturing (AM) technologies have developed rapidly from the 1980s prototyping applications and are becoming an established manufacturing method of today. In contrast to traditional manufacturing, AM enables producing parts with unprecedented levels of geometrical complexity. The increased freedom of design translates into functional, operational, and economic benefits. However, the AM principle of material addition and solidification in layers creates material anisotropies. Fast cooling rates and complex thermal histories result in unique microstructures, in-process defects, and residual stresses. Furthermore, the advantage of geometrical complexity is not without consequences. The size and shape of part features inversely influence the manufacturing process. Fine features in geometrically complex parts can induce local microstructure variation and lead to unexpected failure modes. Extending the application space and part optimization potential of AM to safety-critical components requires a better understanding of how complex geometries and process-induced effects may influence the long-term environmental durability of end-use parts. The dissertation contributes to the cause with exploratory studies where the environmental durability of AM materials is assessed in the context of plastic material weathering and metal corrosion. In addition, a large part of the contribution is linked to method development for microcomputed X-ray tomography. The work focuses on powder bed fusion, a technique most prevalently used across industries. The AM process and part orientation influence on plastic degradation is studied with accelerated weathering, tensile testing, and fractography on simple geometries. In the study of corrosion, the evaluation is extended to geometrical complexity. Lattice structures, with identical units repeating in three dimensions, are employed to reveal any relations between part size or shape with corrosion susceptibility. The weathering durability of AM plastics was not found to alter significantly due to a varying build orientation. In contrast, the corrosion experiments suggested a higher susceptibility to localized corrosion for the finest wall-thickness lattice structures, although, noise sources in the novel experimental setup hindered numerical validation. In this regard, the method requires further development. Nevertheless, the time-lapse microcomputed X-ray tomography workflow enables localization, indexing, and characterization of minute corrosion-induced changes. Furthermore, the same method is applicable to other research fields.

Lisäävän valmistuksen kehitys 1980-luvulta on ollut nopeaa ja teknologioiden sovelluskohteet ovat siirtymässä prototyyppien valmistuksesta kohti teollista lopputuotekäyttöä. Lisäävän valmistuksen edut, verrattuna perinteisiin menetelmiin, pohjautuvat geometriseen monimutkaisuuteen ja tuotesuunnittelun vapauteen. Lisäävälle valmistukselle suunnitelluilla osilla voidaan saavuttaa jopa vallankumouksellisia toiminnallisia, operatiivisia sekä taloudellisia etuja. Lisäävän valmistuksen periaate, jossa kappaleita valmistetaan kerroksittain, muokkaa kuitenkin materiaaliominaisuuksia. Jäähtymisnopeudet ovat prosessista riippuen nopeita ja lämpöhistoria monimutkainen. Tuloksena on suuntautunut materiaalin mikrorakenne, valmistusprosessista johtuvia materiaalivikoja ja jäännösjännityksiä. On tärkeää tiedostaa, että suunnittelun vapaudella on myös kääntöpuolensa. Tuotteen geometrialla, tai sen monimutkaisuudella, on käänteinen vaikutuksensa valmistusprosessiin. Geometrinen monimutkaisuus ja pienet piirteet lisäävän valmistuksen osissa voivat aikaansaada paikallisia muutoksia mikrorakenteessa ja johtaa yllättäviin vauriomalleihin. Jotta lisäävän valmistuksen sovelluskohteita ja potentiaalia voidaan laajentaa turvallisuuskriittisiin komponentteihin, on ymmärrettävä kuinka geometrian monimutkaisuus sekä prosessista johtuvat materiaaliviat vaikuttavat osien pitkäaikaiskestävyyteen. Väitöskirjassa ja julkaistuissa artikkeleissa aihetta tutkitaan kokeellisesti sekä lisäävän valmistuksen menetelmin valmistettujen muovien säänkeston, että metallin korroosion näkökulmasta. Merkittävässä roolissa työssä on myös menetelmäkehitys 3D-röntgenkuvantamisen saralla. Lisäävän valmistuksen menetelmistä väitöskirjassa keskitytään erityisesti muovien ja metallien jauhepetisulatukseen, jotka ovat vakiinnuttaneet asemaansa teollisuudessa. Lisäävän valmistusprosessin ja tulostussuunnan vaikutusta yksinkertaisten muoviosien säänkestoon tutkitaan kiihdytetyn säätestauksen, vetokokeiden ja murtopinta-analyysin keinoin. Metallien korroosion osalta käsittelyä laajennetaan geometrisesti monimutkaisiin kappaleisiin. Kolmessa ulottuvuudessa toistuvat identtiset ristikkorakenteet ja yksiköt mahdollistavat geometrian koon sekä muodon vaikutuksen tutkimisen kappaleiden korroosioherkkyyden näkökulmasta. Muoviosien säänkestossa ei havaittu merkittäviä valmistusprosessiin tai tulostussuuntaan yhdistettäviä vaikutuksia. Alustava löydös korroosiokokeista viittaa yhteyteen ristikkorakenteiden geometrian koon ja korroosioherkkyyden välillä. Tulosta ei kuitenkaan pystytty uuden menetelmän epävarmuuksien vuoksi varmentamaan numeerisesti. Tältä osin menetelmä vaatii lisäkehitystyötä. Työssä kehitetty avoimen lähdekoodin sovelluksiin perustuva 3D-röntgentomografian analysointimenetelmä mahdollistaa korroosiovaurioiden dynaamisen seurannan, luetteloinnin ja määrittelyn. Esitelty prosessi on sovellettavissa myös muille tieteenaloille.