Direct digital manufacturing: projection stereolithography and incremental sheet forming

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.authorLehtinen, Pekka
dc.contributor.departmentTeknillisen fysiikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Applied Physicsen
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Scienceen
dc.contributor.supervisorKaivola, Matti, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.contributor.supervisorPartanen, Jouni, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
dc.date.accessioned2017-09-26T09:04:19Z
dc.date.available2017-09-26T09:04:19Z
dc.date.defence2017-10-13
dc.date.issued2017
dc.description.abstractThe drastic development of advanced manufacturing technologies coupled with consumer demands for more customized products are causing the manufacturing industry to move from mass production to small volume and a wide range of products. These kinds of requirements are met by direct digital manufacturing (DDM) techniques that seamlessly produce three-dimensional objects directly from digital data in a single step regardless of the complexity of the products to be built. DDM techniques include additive manufacturing and forming techniques where highly specified products are fabricated in layers. Due to the high versatility of DDM systems and low tooling costs, DDM is outstanding in one-off production. However, DDM is still an immature technology that will make a real impact across a large range of industries as it is developed further. This thesis aims to develop two DDM techniques: (i) projection stereolithography and (ii) incremental sheet forming. While the first one is an additive manufacturing technique where a plastic part is fabricated by selectively curing liquid polymer in layers, the second one is a metal forming technique where the desired shape is created through a series of small incremental deformations. First, a projection microstereolithogarphy apparatus that can produce high quality miniature objects with a resolution of a few micrometers was built and some specific issues related to the printing process were solved. The research involved increasing the manufacturing speed, developing suitable polymer solutions (resolution, conductivity, biocompatibility, penetration depth control), and providing new insight and methods to control the curing mechanisms of liquid polymers. Secondly, the effect of local heating on the formability of metal sheets in incremental sheet forming was investigated. In this research, metal sheets were formed by a round tipped tool that was attached to a 3-axis positioning system and the investigated materials were aluminum, copper and steel. To increase the formability of metal sheets, a laser light source was used to irradiate the bottom side of the sheet. With this method it was possible to produce shapes that were impossible to form without heating.en
dc.description.abstractValmistustekniikoiden kehittyminen ja kuluttajien vaatimukset yksilöllisistä tuotteista johtavat siihen, että valmistusteollisuus siirtyy massatuotannosta pieniin tuotesarjoihin samalla tarjoten laajan tuotevalikoiman. Tähän uudenlaiseen tuotantoon erinomaisena ratkaisuna on digitaalinen valmistus, jossa kolmiulotteinen tuote valmistetaan suoraan digitaalisesta datasta yhdessä työvaiheessa riippumatta kappaleen monimutkaisuudesta. Digitaaliseen valmistukseen kuuluvat materiaalia lisäävät ratkaisut ja menetelmät, joissa haluttu muoto valmistetaan muovaamalla digitaalisen mallin mukaisesti kerroksittain. Digitaalisen valmistuksen monipuolisuudesta ja pienistä työstökuluista johtuen, se soveltuu erityisesti kappaleiden yksittäis- ja piensarjatuotantoon. Digitaalinen valmistus on kuitenkin vielä kehittymätön monilla aloilla, mutta menetelmien kehittyessä sillä tulee vaikuttamaan hyvin laajasti eri teollisuusaloihin. Tämän väitöskirjan tavoite on kehittää kahta digitaalista valmistustekniikkaa: (i) projektiostereolitografiaa ja (ii) numeerista painomuovausta. Ensimmäisessä tekniikassa on kyse materiaalia lisäävästä valmistuksesta, jossa muovinen kappale valmistetaan kovettamalla nestemäistä polymeeriliuosta kerroksittain. Toisessa tekniikassa puolestaan tuotetaan haluttu muoto metallilevyyn painomuovauksella. Ensinnäkin, tässä tutkimustyössä kehitettiin projektiostereolitografialaitteisto, jolla voitiin valmistaa kappaleita muutaman mikrometrin resoluutiolla. Lisäksi ratkaistiin valmistusprosessiin liittyä haasteita. Tutkimukseen kuului uusien kehittyneempien polymeeriliuosten (valmistusresoluutio, johtavuus, biohajoavuus, kovettumissyvyyden hallinta) ja valmistusmetodien kehittäminen, joilla voitiin parantaa valmistusnopeutta, lisätä sovelluskohteita ja julkaista uutta tietoa polymeeriliuosten kovettumisreaktiosta ja reaktioiden hallinnasta. Toiseksi, numeeriseen painomuovaukseen liittyvässä tutkimuksessa tarkoituksena oli kehittää menetelmän valmistustarkkuutta. Muovaus tapahtui liikuttamalla kovametallikärkeä halutun muodon mukaisesti metallilevyn pintaa pitkin kerroksittain. Tutkittavat materiaalit olivat alumiini, kupari ja teräs. Lämmittämällä muovauskohtaa laserilla voitiin parantaa metallien muovattavuutta ja valmistaa muotoja, joiden valmistaminen ilman lämmitystä ei olisi mahdollista.fi
dc.format.extent80 + app. 52
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-60-7618-8 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-7619-5 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/28067
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-7618-8
dc.language.isoenen
dc.opnRosen, David W., Prof., Georgia Institute of Technology, USA
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: Pekka Lehtinen, Santeri Laurila, Matti Kaivola and Jouni Partanen. Controlling penetration depth in projection stereolithography by adjusting the operation wavelength. Key Engineering Materials, 611–612, 756–762, 2014. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.611-612.756
dc.relation.haspart[Publication 2]: Harri Korhonen, Le Hoang Sinh, Nguyen Dang Luong, Pekka Lehtinen, Tuukka Verho, Jouni Partanen and Jukka Seppälä. Fabrication of graphene-based 3D structures by stereolithography. Physica status solidi (a), 213, 982–985, 2016.
dc.relation.haspart[Publication 3]: Pekka Lehtinen, Matti Kaivola, Harri Korhonen, Jukka Seppälä and Jouni Partanen. Producing parts with multiple layer thicknesses by projection stereolithography. International Journal of Rapid Manufacturing, (in press), 2017.
dc.relation.haspart[Publication 4]: Pekka Lehtinen, Matti Kaivola and Jouni Partanen. Absorption crosssections of Disperse Orange 13 and Irgacure 784 determined with projection stereolithography. submitted to Current Applied Physics, 2017.
dc.relation.haspart[Publication 5]: Pekka Lehtinen, Tapio Väisänen and Mika Salmi. The effect of local heating by laser irradiation for aluminum, deep drawing steel and copper sheets in incremental sheet forming. Physics Procedia, 78, 312–319, 2015. DOI: 10.1016/j.phpro.2015.11.045
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries178/2017
dc.revSaarinen, Jyrki, Prof., University of Eastern Finland, Finland
dc.revPan, Yayue, PhD, Assistant Professor, University of Illinois at Chicago, USA
dc.subject.keywordstereolithographyen
dc.subject.keywordprojection stereolithographyen
dc.subject.keywordphotopolymersen
dc.subject.keywordincremental sheet formingen
dc.subject.keyword3D printingen
dc.subject.keyworddirect digital manufacturingen
dc.subject.keywordstereolitografiafi
dc.subject.keywordprojektiostereolitografiafi
dc.subject.keywordvaloherkät polymeeritfi
dc.subject.keywordnumeerinen painomuovausfi
dc.subject.keyword3D tulostusfi
dc.subject.keyworddigitaalinen valmistusfi
dc.subject.otherComputer scienceen
dc.subject.otherPhysicsen
dc.titleDirect digital manufacturing: projection stereolithography and incremental sheet formingen
dc.titleDigitaalinen valmistus: projektiostereolitografia ja numeerinen painomuovausfi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2017_09_25_klo_13_43
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526076188.pdf
Size:
15.55 MB
Format:
Adobe Portable Document Format