Material evaluation for large scale additive manufacturing

Abstract

This thesis was commissioned by UPM-Kymmene Oy to research and develop methods for evaluating materials used in large scale additive manufacturing. To study this, the theory part of this work introduces the principles of additive manufacturing, existing machines of large scale additive manufacturing, the composition of polymers and typical defects affecting the material performance in large scale additive manufacturing. Also, study of existing evaluation methods to determine material properties is presented. Finally, applications which already utilizing large scale additive manufacturing is also presented. In the literature review, it was found that the material properties are affected by the anisotropic properties in the material deposition process which is well known in other additive manufacturing technologies which also has to be taken into account in large scale additive manufacturing. To gain further understanding of the technology and the current methods used a qualitative research was conducted in form of expert interviews including industry stakeholders.

Based on the knowledge gathered from the literature review and expert interviews it turned out a systematic method should be developed to evaluate materials in large scale additive manufacturing. A step-by-step method framework was presented to evaluate the materials in large scale additive manufacturing. The method consists of four steps which were tested and validated. The methods were tested at Prenta Oy in Kangasala with help of using their machine. In total, 6 materials were tested. The results showed which materials were suitable for large scale additive manufacturing and which materials were not. Process parameters, material properties, test specimens for determine different material properties such as tensile testing, flexural testing, compressive testing and thermomechanical analyzes were developed which were tested for its applicability with measuring devices at UPM Biocomposites laboratory in Lahti. Unique structural stability tests were developed to enable recognize the design limitations in large scale additive manufacturing. The material evaluation method is a step towards collectively and coherently develop methods which can be utilized by the industry.

Detta är ett beställningsarbete av UPM-Kymmene Oy som undersöker och utvecklar metoder för att evaluera material i storskalig additiv tillverkning. För att undersöka detta introduceras det i litteraturstudien principen av additiv tillverkning, existerande maskiner av storskaliga additiva tillverkning, sammansättningen av polymerer och typiska defekter som påverkar materialprestandan genom storskalig additiv tillverkning. En undersökning av nuvarande evalueringsmetoder som används för att bestämma materialegenskaper presenteras också. Slutligen presenteras applikationer som redan använder storskalig additiv tillverkningsteknik. I litteraturstudien fann man att materialegenskaperna påverkas av de anisotropiska egenskaperna av materialavlagringsprocessen som varit bekant inom andra additiva tillverkningstekniker som också måste tas i beaktande inom storskalig additiv tillverkning. Eftersom storskalig additiv tillverkning är relativt ny, utfördes en kvalitativ undersökning i form av expertintervjuer för att få en bättre förståelse om tekniken och de nuvarande metoderna som används.

Baserat på kunskapen från litteraturstudien och expertintervjuerna, kom det fram att en systematisk metod bör utvecklas för att evaluera materialen inom storskalig additiv tillverkning. En steg-för-steg metod framställdes för att evaluera materialen i storskalig additiv tillverkning. Metoden bestod av fyra steg som testades och validerades. Metoden testades hos Prenta Oy i Kangasala med hjälp av deras maskin. Sammanlagt testades 6 material. Resultaten visade vilka material som lämpar sig för storskalig additiv framställning och vilka som inte lämpar sig för det. Processparametrar, materialegenskaper, testprover för att testa olika mekaniska egenskaper som dragprover, böjningstest, komprimeringstest och thermomekaniska analyser utvecklades, som testades för dess duglighet med mätinstrument i UPM:s biokompositlabb i Lahtis. Unika strukturella stabilitetstest utvecklades för att känna till begränsningar inom formgivningen i storskalig additiv tillverkning. Material evalueringsmetoden är ett steg mot att kollektivt och sammanhängande utveckla sätt som kan användas av industrin.