3D Printing Large-Scale Metal Objects

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
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

2024-09-06

Department

Major/Subject

Energia- ja konetekniikka

Mcode

ENG4000

Degree programme

Insinööritieteiden kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

23

Series

Abstract

3D-printing is an additive manufacturing technique where material is added to form objects. Unlike subtractive manufacturing methods where material is removed to form objects, thin layers are deposited on top of each other and bonded together. Additive manufacturing methods have been explored since the 1980s and were used to fabricate prototypes in the beginning. Since then, there have been advancements in the technology and fabrication of final products has become possible. A major advantage with additive manufacturing compared to traditional subtractive manufacturing is the possibility to fabricate complex shapes. The method applicable for manufacturing large metal objects is essentially an automated welding technique. The method is called directed energy deposition and consists of creating a melt pool with a heat source and adding feedstock material to the melt pool. When the material has been added the heat source moves on and the melt pool solidifies. Repeating this process creates a layer. Then many layers are formed to fabricate the object. The material can be deposited in either wire or powder form, each with its advantages. Deposition speed is faster with wire, while powder allows for thinner layers and smoother surface roughness. The significant advancement in the fabrication of large parts came with the use of robotic arm and gantry systems. With the help of the gantry systems, the robotic arms can be moved, thus greatly increasing the build volume. The robotic arms used have more than three degrees of freedom, meaning they can add material from any direction. This plays a crucial role in reducing the amount of support structures needed during the fabrication stage. Curved layers are also possible to manufacture thanks to the robotic arms. Using curved layers eliminates the problem of the staircase effect which is layers fabricated in one plane and leads to weaker bonds between layers and poor surface roughness. Additive manufacturing is expected to become an increasingly common manufacturing method in the future due to its cost-effectiveness, time efficiency and ability to fabricate complex geometries. The additive manufacturing techniques will first be used in the aviation and space industries, where the greatest benefits are realized by fabricating complex parts that withstand the conditions and weigh less than their traditionally manufactured counterparts. Later, as additive manufacturing methods become more developed, they will spread to different industries.

3D-printning är en additiv tillverkningsmetod där man tillsätter material för att bygga upp ett objekt. Till skillnad från subtraktiva tillverkningsmetoder där man kapar av material för att forma objektet så fästs det flera tunna formade lager på varandra för att skapa objektet. Additiva tillverkningsmetoder har utforskats sen 1980-talet och användes främst för att skapa prototyper i början. Sen dess har det skett framgångar i tekniken och det har blivit möjligt att skapa slutprodukter. En stor fördel med additiva tillverkningsmetoder jämfört med traditionella subtraktiva metoder är de komplexa formerna som kan tillverkas. Metoden som är tillämplig för att tillverka stora metalldelar med är i princip en automatiserad form av svetsning. Tekniken kallas för riktad energideponering och går ut på att tillsätta material i ett smältbad som uppstått på grund av en värmekälla. När materialet har blivit tillsatt flyttas värmekällan vidare och då stelnar den sektionen. Processen upprepas för att bilda ett nytt lager. Materialet som tillsätts kan deponeras i tråd- eller pulverform som båda har sina fördelar. Deponeringshastigheten är snabbare med tråd och med pulver får man tunnare lager och bättre ytjämnhet. Stora framgången med att additivt tillverka stora metalldelar kom genom användningen av robotarmar och skenor. Med hjälp av skenorna kan robotarmarna flyttas och byggvolymen blir enormt mycket större. Robotarmarna som används har fler än tre frihetsgrader vilket betyder att de kan tillägga material från vilket håll som helst. Det spelar en stor roll för att minska på stödstrukturerna som måste användas vid tillverkningsskedet. Böjda lager är också möjliga att tillverka tack vare armarna med över tre frihetsgrader. Böjda lagren eliminerar trappstegseffekten som orsakar sämre ytjämnhet och svagare bindningar mellan lagren. Additiv tillverkning kommer att vara en allt allmännare tillverkningsmetod i framtiden på grund av kostnadseffektiviteten, tidseffektiviteten och komplexa geometrierna metoden kan tillverka. Produktionsmetoderna kommer först tas i bruk för rymd- och flygindustrin för att de får bästa nyttan av att tillverka komplexa delar som tål omständigheterna och inte väger så mycket som ursprungliga delarna. Senare då additiva tillverkningsmetoderna har blivit mer utvecklade kommer de spridas till olika industrier.

Description

Supervisor

Viitala, Raine

Thesis advisor

Salmi, Mika

Keywords

additive manufacturing, 3D Printing

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202410156715

Collections

[kand] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG