Development of binder jetting 3D printer for foundry sand

Abstract

In recent years the need for more flexible manufacturing strategies and technologies to enable this flexibility in foundry industry has increased. One such technology is the patternless production of sand molds using 3D-printers utilizing an additive manufacturing method known as binder jetting. These printers are already used by numerous companies. Among others a major downside of these printers however is their high initial investment cost preventing their more wide scale adoption especially in smaller foundries.

The aim of this thesis was to begin a development project of a functioning 3D-printer for foundry sand with a budget of less than 1000 Euros and to conduct a review of technologies patented by two major sand printer manufacturers ExOne and Voxeljet. In addition to this an introductory review into existing theory behind sand mold printers is included to give the reader better understanding of the subject and to provide a theoretical base for further development of sand mold printers.

The sand printer development project was conducted by building an open source binder jetting printer and testing its applicability to sand mold printing. Development project documented the modifications, issues encountered, the final status of the project and potential future developments. The open source printer was found to suffer from numerous issues that prevented further testing into its applicability to sand mold construction. As a result the printer development project remains incomplete and numerous issues have to be resolved before the printer can be used to manufacture functional sand molds.

The patent review was conducted by categorizing the ExOne and Voxeljet patents based on what parts of the system architecture and additive manufacturing process they primarily focused on and creating an overview of the areas of focus. Additionally, current and past trends were analyzed. The analysis found that the most prominent parts of the system architecture patented were powder handling and materials with several patents focusing on technologies for changing the work piece. Similarly, the most prominent parts of the additive manufacturing process patented were the building of the part and its removal and cleanup. Most significant historical trends were the increased number of patent applications in recent years and a similar diversification of the companies’ filed patents both in terms of architecture and parts of the AM-process.

Viime vuosina tarve joustavammille tuotantostrategioille ja joustavuuden mahdollistaville teknologioille on kasvanut valuteollisuudessa. Yksi tällainen teknologia on valumuottien malliton valmistaminen käyttäen tähän tarkoitukseen suunniteltuja 3D-tulostimia, jotka hyödyntävät sideaineen suihkutuksena tunnettua 3D-printtausmenetelmää. Vaikka kyseisiä printtereitä on jo käytössä useissa yrityksissä, mm. laitteiden korkeat käyttöönottokustannukset estävät niiden laaja-alaisemman käyttöönoton erityisesti pienissä valimoissa.

Tämän diplomityön tarkoitus on aloittaa alle 1000€ budjetilla rakennetun hiekkamuottien valmistukseen soveltuvan 3D-printterin kehitysprojekti ja suorittaa katsaus kahden merkittävän hiekkaprintterivalmistajan ExOne:n ja Voxeljetin patentoituihin teknologioihin. Tämän lisäksi työ sisältää katsauksen hiekkamuottiprinttereitä koskevaan teoriaan lukijan aihepiirin ymmärtämyksen parantamiseksi ja teoriapohjan luomiseksi hiekkamuottiprintterien jatkokehittämistä varten.

Hiekkamuottiprintterin kehittämisprojekti suoritettiin rakentamalla avoimen lähdekoodin sideaineen suihkutus-printteri ja testaamalla sen soveltuvuutta valuhiekkamuottien valmistukseen. Kehitysprojektissa dokumentoitiin muunnokset printterin toimintaan, kohdatut ongelmat, projektin lopullinen tilanne ja mahdolliset tulevat kehityskohteet. Työhön valittu avoimen lähdekoodin printteri kärsi useista ongelmista, jotka estivät sen toiminnan ja käytön hiekkamuottien printtauksen testaamiseen. Tästä johtuen printterin kehitysprojekti jäi keskeneräiseksi ja useita ongelmia tulee vielä ratkaista ennen kuin printteriä voidaan käyttää hiekkamuottien valmistamiseen.

Patenttikatselmus suoritettiin jakamalla ExOnen ja Voxeljetin patentit kategorioihin sen perusteella mitä järjestelmäarkkitehtuurin ja ainetta lisäävän valmistusprosessin osaa ne eniten koskivat. Tämän lisäksi arvioitiin tämänhetkisiä ja historiallisia trendejä. Analyysi osoitti, että kaikkein yleisimmin patentoidut järjestelmän osat olivat jauheenkäsittely-järjestelmät ja materiaalit, useiden patenttien käsitellessä myös työkappaleen vaihdon mahdollistavia teknologioita. Yleisimmät ainetta lisäävän valmistusprosessin osat koskivat niin ikään kappaleen rakentamista ja työkappaleen poistoa ja puhdistamista. Tärkeimmät historialliset trendit olivat patenttihakemusten määrän huomattava nousu viime vuosina sekä viime vuosina ilmennyt patenttihakemusten monipuolistuminen sekä laitearkkitehtuurin, että valmistusprosessin näkökulmasta.