Suunnitteluohjeistuksen ja -vaiheistuksen laatiminen 3D-tulostettaville metallikappaleille.

Abstract

Metallien ainetta lisäävä valmistus, toiselta nimeltään 3D-tulostus, on koko ajan kehittyvä valmistustekniikka, joka on etenkin lentokoneteollisuuden suuren huomion kohteena. Nykyään 3D-tulostuspalveluja tarjoaa useampi yritys Suomessakin. 3D-tulostus antaa suunnittelijoille huomattavasti enemmän vapauksia verrattuna perinteisiin valmistusmenetelmiin. Tämän ansiosta 3D-tulostus on mahdollistanut myös erilaisten optimointimenetelmien suosion kasvun. Näillä menetelmillä voidaan optimoida muun muassa kappaleen suorituskykyä. Nämä vapaudet tuovat kuitenkin omat haasteensa suunnitteluun, sillä suunnittelijoiden on kyettävä unohtamaan perinteiset rajoittavat tekijät.

Tämä opinnäytetyö tehtiin Patria Aviation Oy:lle. 3D-tulostuksen ollessa vielä uusi valmistusmenetelmä ei Patrialla ole vielä täyttä suunnittelukykyä metallien 3D-tulostusta varten. Näin ollen syntyi tarve suunnitteluohjeistukselle, joka on tarkoitettu suunnittelijoiden käyttöön. Suunnitteluohjeistuksen tarkoituksena on helpottaa suunnittelijoiden työtä sekä auttaa muistamaan tiettyjä raja-arvoja. Suunnitteluohjeistus laadittiin laajan kirjallisuus- ja tutkimusperehtymisen jälkeen. Ohjeistusta varten ei suoritettu testitulostuksia, jolloin ohjeistuksen tuli olla yleispätevä. Tämä valmistunut ohjeistus jää vain Patrian käyttöön, eikä sitä näin ollen julkaista tämän työn yhteydessä.

Vaiheistusta varten suunniteltiin perinteisiä valmistusmenetelmiä varten suunniteltu kappale uudelleen hyödyntäen muun muassa topologian optimointia. Lopputuloksena saatiin vaiheistus, joka laadittiin prosessikaavion muotoon. Tuloksena saatu prosessikaavio ei kuitenkaan ole Patrian virallinen ylläpitämä prosessi. Vaiheistuksen yhteydessä uudelleen suunnitellulle kappaleelle suoritettiin vielä lopuksi valmistuksen simulointi. Työtä olisi suositeltavaa jatkaa jatkotutkimuksilla, eli valmistamalla työn tuloksena syntynyt kappale, jotta voidaan varmistua menetelmien toimivuudesta. Lisäksi tärkeää olisi tehdä testitulostukset, jotta saataisiin tulostin- ja materiaalikohtaiset suunnitteluohjeet.

Additive manufacturing, also known as 3D-printing of metals, is a rapidly growing manufacturing method, and it is an especial area of interest for the aviation industry. 3D-printing services are also provided in Finland by many companies. 3D printing provides more design freedom for designers than conventional manufacturing methods. That is why 3D-printing has increased the use of optimization methods. By using optimization methods, it`s possible to optimize, for example, the performance of a part. These design freedoms provide also challenges for design and it is important to understand the benefits provided of 3D-printing. Without appropriate knowledge, these benefits cannot be utilized.

This thesis was made for Patria Aviation Oy. Because 3D-printing is a new manufacturing method, Patria does not have full design capability for metal 3D-printing. To achieve this full design capability, designers must understand those benefits and challenges of 3D-printing. Therefore, design guidelines for metal 3D-printing were made. This guide is meant for designers to help and give some instructions when designing parts for 3D-printing. The guide is based on literature review and researches on the subject. Because it wasn’t possible to make test prints, general guides had to be made. Exact guides for different material would need test prints. The design guide is not shown in this thesis, because as it is confidential.

For design phases, an existing part used for conventional manufacturing methods was redesigned, so, among other things, topology optimization was used for achieving the best design for 3D-printing. As a result, an optimized and printable part was created, which can be manufactured in the future. After the part was ready, the needed design phases were created. These phases were made into a flow chart. It`s recommended here that this work should be continued by manufacturing that part to find out if these guides and phases are working properly. Furthermore, test prints should be made to achieve exact design guides for different materials.