Multimaterial printinghead for biobased foams

Thumbnail Image

Files

master_Mäntysaari_Verneri_2025.pdf (5.05 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-02-13

Department

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Master's programme in Mechanical Engineering

Language

en

Pages

49

Series

Abstract

3D printing is a rapidly developing subsection of manufacturing and it’s being leveraged into ever wider range of fields. But why stop at third dimension? This project’s aim was to enable further research into innovation of adaptive structures that change based on environmental factors, such as moisture and ambient heat, and to do this by creating a simple base prototype from which to build up from. This thesis is a documentation of designing, construction, and evaluation of multimaterial printinghead, which can switch between 2 materials during the printing process. The to be used are biobased foams, which are primarily com-prised of methyl cellulose and wood fibre, coming together as a building mate-rial that is 90% air. For the project comprehensive research on different aspects of 3D manufac-turing was conducted. These aspects included the effect that different materi-als used in 3D printing have in selection of the printing method and the effects the manufacturing methods have on the material at hand. The prototype was tested to validate its use by comparing different aspects of the test to the needs of manufacturing a selected target printing pattern. These aspects included the flow characteristics of the biobased foams being used as a material, the effect the prototype has on the material flow, and com-bination of these in the form of creating the selected printed patterns with multiple layers. The prototype successfully extruded prints that had 7 mm diameter with ac-ceptable variance in stability, was able to control the extrusion of the prints with acceptable accuracy and was able to bridge gaps of 20 mm in length to create multilayered 3D printing patterns. The results indicate that the project was a success as the needed parameters for the selected test print were met. Success of the project opens doors for further research to be built upon the findings to enhance the material properties, further improve the prototype capabilities, and investigate the structural properties of the adaptive structure patterns.

3D-tulostus on nopeasti kehittyvä valmistusmenetelmien kategoria, jota hyödynnetään jatkuvasti laajempiin tarkoituksiin, mutta miksi lopettaa kolmanteen dimensioon? Tämän työn tarkoituksena oli mahdollistaa tulevaisuuden innovaatioita liittyen eläviin rakenteisiin, jotka muuttavat muotoaan riippuen niitä ympäröivän ympäristön olosuhteista, kuten ilman kosteudesta ja lämpötilasta. Tässä työssä on dokumentoitu multimateriaali tulostuspään suunnittelu, rakentaminen ja testaaminen, joka pystyy vaihtamaan kahden materiaalin välillä kesken tulostuksen. Kyseinen tulostuspää on tarkoitettu käytettäväksi bio-pohjaisten vaahtojen kolmiulotteiseen tulostukseen. Nämä biopohjaiset vaahdot koostuvat pääosaisesti metyyliselluloosasta ja puukuidusta, muodostaen rakennusmateriaalin, joka on 90-prosenttisesti ilmaa. Tätä projektia varten tehtiin kattava tutkimus 3D-tulostamisen eri muotoihin ja niihin vaikuttaviin tekijöihin, kuten materiaalin valintaan, ja valitun menetelmän vaikutukseen käsillä olevaan materiaaliin. Projektin prototyypille suoritettiin testejä pohjautuen valittuun malli tulostus-kuvioon, ja kyseisen tulostuksen suorittamisen vaatimuksiin. Nämä vaatimukset liittyivät materiaalin virtausominaisuuksiin, prototyypin vaikutukseen näihin kyseisiin ominaisuuksiin, ja prototyypin kykyyn tulostaa kerrostettu 3D-tulostus kuvio, jossa vaahdon täytyi ylittää vaihtelevan pituisia välejä ilmassa. Prototyyppi kykeni tulostamaan tasapaksuista 7 mm halkaisijaltaan olevaa vaahtoa tarvittavalla tasaisuudella, pystyi ohjaamaan vaahdon tulostusta tarvittavalla tarkkuudella, ja pystyi tulostamaan kerrostetun 3D-kuvion, jossa vaahto kykeni ylittämään 20 mm välin. Tulokset kertoivat projektin olevan onnistunut, sillä kaikki tarvittavat parametrit valitun mallikuvion tulostukseksi täytettiin. Onnistuneen projektin pohjalta tulevaisuuden tutkimukset voidaan kohdistaa käytettävän vaahdon ominaisuuksien parantamiseen, prototyypin pidemmälle viemiseen, ja tulostettavien elävien rakenteiden rakenteellisten ominaisuuksien kehittämiseen.

Description

Supervisor

Kiviluoma, Panu

Thesis advisor

Koivisto, Juha

Keywords

3D tulostus, biomateriaalit, materiaali virrat, tuotesuunnittelu, laitesuunnittelu, elävät rakenteet

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202503182858

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG