Comparative life cycle inventory of CNC machining and powder bed fusion additive manufacturing

Abstract

This thesis work aims to produce a life cycle inventory (LCI) in the comparison between one method from advanced manufacturing (AM) and one method from conventional manufacturing (CM). For the AM, a powder bed fusion laser beam (PBF-LB) has been utilized, and for CM, CNC-mill and CNC-lathe has been utilized. The comparative assessment was performed for the manufacturing phase of three different metal components. Two of the components are commercial products from SEW-Eurodrive Oy and Proventia Oy. The third component is a spur gear optimized and designed by the author for AM and a solid gear for CNC-machining. Most of the components were manufactured from stainless steel 316L, but the SEW component manufactured with CNC was made of 11SMn30+C. The three components have been 3D printed with an SLM 125 HL. For post-processing, EDM was utilized to separate the build plates and CNC for the final operations. Similarly, the three components were manufactured with a CNC mill, and the SEW part was also made with a CNC lathe. The experiments performed in this thesis aim to replicate a real-life manufacturing scenario while measuring the input values. Hence, efforts have been made to reproduce the functional characteristic of the components, such as tolerances, thread sizes and surface roughness. These experiments aimed for accurate measurements of the consumables, such as argon gas and raw material waste. Energy meter devices were installed in all the machines to obtain electricity consumption during the operations and stand-by procedures. The results for the energy consumption were higher for the PBF than the CNC machining in all the components. The Proventia and SEW components manufactured with CNC-mill had higher material waste than those manufactured with PBF. The finished part weight from the optimized gear manufactured in PBF was 40% lighter than the solid gear manufactured with CNC-mill. The waste for the optimized gear manufactured with PBF was 69% greater than the solid gear made with CNC-mill. Both required almost the same total raw material input. The Proventia part was manufactured twice in PBF with a 30 µm and 50 µm layer thickness. The 50 µm layer thickness component consumed 10% less energy and argon gas and generated 16% less waste. The SLM 125 HL consumed 1.145 kg of argon gas to fill the chamber before printing. This SLM machine has a single laser and consumed an average of 2.3 kWh during the utilization of the laser and 1.35 kWh when the laser was not melting. The material waste of the filters and sieving from the SLM process were higher than expected.

Tämän opinnäytetyön tavoitteena on tuottaa elinkaariinventaari (LCI) vertaamalla yhtä edistyneen valmistuksen (AM) menetelmää ja yhtä tavanomaisen valmistuksen (CM) menetelmää. AM:ssä on käytetty jauhepetifuusiolasersädettä (PBF-LB) ja CM:ssä CNC-jyrsintä ja CNC-sorvi. Vertaileva arviointi suoritettiin kolmen eri metallikomponentin valmistusvaiheelle. Kaksi komponenteista on SEW-Eurodrive Oy:n ja Proventia Oy:n kaupallisia tuotteita. Kolmas komponentti on tekijän AM:lle optimoima ja suunnittelema hammaspyörä ja kiinteä hammaspyörä CNC-koneistukseen. Suurin osa komponenteista valmistettiin ruostumattomasta teräksestä 316L, mutta CNC:llä valmistettu SEW-komponentti oli 11SMn30+C. Kolme komponenttia on 3D-tulostettu SLM 125 HL:llä. Jälkikäsittelyssä EDM:llä erotettiin rakennuslevyt ja CNC loppukäsittelyä varten. Vastaavasti kolme komponenttia valmistettiin CNC-jyrsimellä ja SEW-osa myös CNC-sorvilla. Tässä opinnäytetyössä tehdyt kokeet pyrkivät toistamaan tosielämän valmistusskenaariota samalla kun mitataan syöttöarvoja. Tästä syystä on pyritty toistamaan komponenttien toiminnalliset ominaisuudet, kuten toleranssit, kierrekoot ja pinnan karheus. Nämä kokeet tähtäsivät kulutushyödykkeiden, kuten argonkaasun ja raaka-ainejätteen, tarkkoihin mittauksiin. Kaikkiin koneisiin asennettiin energiamittarit sähkön kulutuksen ottamiseksi toiminnan ja valmiustilan aikana. Tulokset energiankulutuksesta olivat PBF:n osalta korkeammat kuin CNC-työstössä kaikissa komponenteissa. CNC-jyrsimellä valmistetuissa Proventia- ja SEW-komponenteissa materiaalihukkaa oli enemmän kuin PBF:llä valmistetuissa. PBF:llä valmistetusta optimoidusta vaihteesta valmistetun osan paino oli 40 % kevyempi kuin CNC-jyrsimellä valmistettu umpivaihde. PBF:llä valmistetun optimoidun vaihteen hukka oli 69 % suurempi kuin CNC-jyrsimellä valmistetussa kiinteässä vaihteistossa. Molemmat vaativat lähes saman kokonaisraaka-aineen. Proventia-osa valmistettiin kahdesti PBF:stä 30 µm ja 50 µm kerrospaksuuksilla. 50 µm:n kerrospaksuuskomponentti kulutti 10 % vähemmän energiaa ja argonkaasua ja tuotti 16 % vähemmän jätettä. SLM 125 HL kulutti 1 145 kg argonkaasua kammion täyttämiseen ennen tulostamista. Tässä SLM-koneessa on yksi laser ja se kulutti keskimäärin 2,3 kWh laserin käytön aikana ja 1,35 kWh, kun laser ei sulanut. Suodattimista ja SLM-prosessista erottuva materiaalihukkaa oli odotettua suurempi.