Materiaalia lisäävän valmistuksen tarpeet ja käytännöt Suomen teollisuudessa

The purpose of this thesis is to present the current needs and practices of additive manufacturing in the Finnish industry. To obtain the necessary information, a survey of eight companies was carried out. An introduction to additive manufacturing and its applications is given to give the reader a better understanding of the survey. A survey was designed and the process explained. The main tool, the questionnaire, was chosen to be the best option to conduct the survey and was designed to consist of a combination of open questions and scale questions. The questionnaire was presented to eight companies of varying size in the research and development industry. Fifteen people from these companies were chosen for the survey. All of the qualitative answers were analytically quantified and expanded upon. The findings of the survey were compared to the findings of other worldwide reports. The results obtained through this study include data regarding familiarity of AM technologies, ownership of machinery, outsourcing practices, and general perception of AM in Finnish companies. It was found that while the Finnish industry is somewhat lagging behind on some fronts of AM usage, the trend is showing that AM is becoming more widely understood and its usage in more advanced applications is on the rise.Tämän työn tarkoituksena on esittää Suomen teollisuuden nykytarpeet ja käytännöt materiaalia lisäävään valmistukseen liittyen. Työssä suoritettiin haastattelututkimus kahdeksassa yrityksessä vaaditun tiedon saamista varten. Työssä annetaan lyhyt johdatus materiaalia lisäävään valmistukseen tutkimuksen parempaa ymmärtämistä varten. Haastattelututkimus kehitettiin ja prosessi selitettiin. Pääasiallinen työkalu tutkimuksessa, kyselykaavake, valittiin parhaaksi tavaksi suorittaa tutkimus. Kyselykaavakkeeseen sisällytettiin avoimia kysymyksiä ja skaalakysymyksiä. Kysely suoritettiin kahdeksassa erikokoisessa tuotekehitysyrityksessä. Viisitoista ihmistä valittiin haastateltaviksi. Kaikki kvalitatiiviset vastaukset kvantifioitiin analyyttisesti. Tutkimuksen tuloksia verrattiin muihin maailmalla suoritettuihin tutkimuksiin. Tutkimuksen tulokset sisältävät tietoa suomalaisen teollisuuden AM-tekniikoiden tuntemuksesta, koneiden omistamisesta, ulkoistamiskäytännöistä, sekä yleisistä käsityksistä liittyen AM-tekniikoihin. Tutkimuksesta ilmeni, että Suomi on jonkin verran muuta maailmaa jäljessä AM-tekniikoiden omaksumisessa, mutta trendi osoittaa, että adoptio on käynnissä ja kehittyneempien sovellutusten käyttö on nousussa

Materiaalia lisäävän valmistuksen teolliset mahdollisuudet: Materiaalia lisäävällä valmistuksella tehtyjen kappaleiden työnkulun suunnittelu ja päätöksenteko

The progression of additive manufacturing—from being limited to producing prototypes to being a valuable technology in producing end-use components—has been noted by many researchers and companies. Nevertheless, the industrial opportunities of this progress are not clear to new users of the technology because the number of end-use applications for additive manufacturing is vast and growing rapidly. The major advantages of using additive manufacturing lie in the increased freedom of design and the possibility to produce components that have previously been impractical. On the other hand, additive manufacturing can also be used in situations where the component does not benefit from the additional design freedom. In such cases, the advantage of using additive manufacturing must come from operational benefits, such as improved delivery speed or cheaper manufacturing cost. To clarify the opportunities, the thesis proposes categorizing the end-use applications from the point of view of design into "components designed for additive manufacturing", "components redesigned for additive manufacturing", and "components not designed for additive manufacturing". Each of these categories has their use in industrial applications and can help achieve specific technical and operational benefits. In the thesis, the categories are provided with design workflows that draw from the design process of Pahl & Beitz and are augmented with relevant previous research from the field of design for additive manufacturing. To investigate the industrial opportunities in the form of technical and operational advantages of the categories, the thesis demonstrates the use of the categories and their workflows by providing a case study for each. In the case studies, the design process of the components is demonstrated with the help of the developed design workflows, and the technical and operational benefits of each component are evaluated. The case studies of the categories involve the design of a novel high-performance heat exchanger, the redesign of a digital hydraulic valve manifold, and the production of a memory cover for use in the repair of a portable computer. In addition, the thesis contains a focus group study in the category "components not designed for additive manufacturing" to discover in which scenarios it could be employed. In the final section of the thesis, the technical and operational advantages of using additive manufacturing in each of the categories are collected and presented. The main technical advantages discovered in the investigations were the creation of new functionalities and improvement of performance, and the main operational benefits were the simplification of supply chains and shorter repairs. The thesis gives researchers in the field of design for additive manufacturing a framework to communicate their findings in a way that can be understood easily by practitioners not previously intimately familiar with designing for additive manufacturing.Monet tutkijat ja yritykset ovat huomanneet, että materiaalia lisäävät menetelmät ovat kehittyneet pelkästään prototypointiin tarkoitetusta teknologiasta varteenotettavaksi tuotantoteknologiaksi, jolla voi valmistaa lopputuotteita. Tästä huolimatta tämän kehityksen teolliset mahdollisuudet eivät ole täysin selkeitä teknologian uusille käyttäjille, koska sen sovelluksia on valtavasti ja niiden määrä kasvaa nopeasti. Suurin hyöty materiaalia lisäävien menetelmien käytöstä tulee vapaammasta suunnittelusta ja mahdollisuudesta valmistaa komponentteja, jotka eivät olleet aiemmin käytännöllisiä valmistaa materiaalia poistavilla menetelmillä. Materiaalia lisääviä menetelmiä voi kuitenkin käyttää myös silloin, kun tuote ei hyödy niiden suomasta suunnitteluvapaudesta. Näissä tapauksissa edun on tultava taloudellisista tekijöistä, kuten parantuneesta toimitusnopeudesta. Tämä väitöskirja ehdottaa lopputuotemahdollisuuksien jakamisen kategorioihin "suunniteltu materiaalia lisääville menetelmille", "uudelleensuunniteltu materiaalia lisääville menetelmille" ja "ei suunniteltu materiaalia lisääville menetelmille", jotta teknologian teolliset mahdollisuudet selkiytyisivät. Jokaisella näistä kategorioista on omat käyttökohteensa teollisuudessa ja voivat auttaa saavuttamaan teknillisiä ja taloudellisia etuja. Tässä väitöskirjassa jokaiselle kategorialle annetaan suunnittelun työnkulut, jotka pohjautuvat Pahlin ja Beitzin suunnitteluprosessiin ja joita laajennetaan oleellisella aikaisemmalla tutkimuksella. Teollisten mahdollisuuksien ja kategorioiden teknillisten ja taloudellisten hyötyjen tutkimista varten jokaiselle kategorialle esitetään tapaustutkimus. Näissä tutkimuksissa tuotteiden suunnitteluprosessi esitetään pohjautuen esitettyihin suunnittelun työnkulkuihin ja teknilliset ja taloudelliset edut arvioidaan. Kategorioiden tapaustutkimuksissa suunnitellaan korkeatehoinen lämmönvaihdin, uudelleensuunnitellaan digitaalinen hydrauliikkalohko ja valmistetaan kannettavan tietokoneen muistisuoja sen korjaamiseksi. Lisäksi väitöskirja sisältää kohderyhmätutkimuksen kategoriasta "ei suunniteltu materiaalia lisääville menetelmille" sen käyttökohteiden selventämiseksi. Väitöskirjan viimeisessä osiossa teknilliset ja taloudelliset hyödyt on kerätty ja esitetty. Suurimmat teknilliset hyödyt olivat tuotteiden uudet funktionaalisuudet ja parantunut tehokkuus. Suurimmat taloudelliset hyödyt olivat varastotasojen aleneminen ja lyhemmät korjaukset. Väitöskirja antaa alan tutkijoille kehyksen kommunikoida tutkimuksensa tavalla, joka on helposti ymmärrettävä myös niiden keskuudessa, ketkä eivät ole vielä suunnitelleet tuotteita materiaalia lisääville menetelmille

Tekes projekti SuperMachines loppuraportti

Tutkimuksessa kerättiin best practice aineistoa ja kehitettiin internet alusta kerätyn aineiston tutkimiseen ja hakujen suorittamiseen. Aineisto löytyy internet osoitteesta: http://www.amcase.info/. Rekisteröitymällä kuka vain voi syöttää alustalle lisää aineistoa. Kappaleiden suunnitteluohjeet on julkaistu Suomen pikavalmistusyhdistyksen sivuilla: http://firpa.fi/html/am-tietoa.html. Ohjeesta löytyy mm. suositeltu minimi seinämänvahvuus, suositellun pienimmän yksityiskohdan koko, tyypillinen markkinoilta löytyvä rakennuskammin koko, sekä tyypilliset materiaalit. Valmiiden kokoonpanojen ja mekanismien suunnitteluun muodostettiin Objet 30 ja UPrint SE+ laitteelle ohjeistus josta löytyy pienin radiaalinen välys, aksiaalinen välys, sekä pienin rako riippuen rakennussuunnasta. Tutkimusprojektin aikana seurattiin alan teknologian kehitystä. Kahden vuoden aikana markkinoille ilmaantui noin. 50 uutta laitevalmistajaa, sekä noin 300 erilaista laitetta, sekä lukuisia materiaaleja. Merkittävimmät uudistukset listattiin ja pohdittiin mahdollisia kehityssuuntia. Kaikki uudet toimijat ja laitteet päivitettiin Firpan ylläpitämään tietokantaan: http://firpa.fi/html/am-tietoa.html. Markkinoilla on selvä suuntaus tuotantokomponenttien valmistamiseen, kotitulostimien hintojen laskemiseen, sekä isompien kappaleiden valmistamiseen. Muovilevy komponenttien muovaamista tutkittiin laserin ja alipaineen avulla DDShape laitteella. Laitteella onnistuttiin tekemään testikappaleita ja laitetta saatiin kehitettyä eteenpäin. Laitteiston kehittämiseksi ja kaupallistamisen tueksi Tekes on myöntänyt "Tutkimusideoista uutta tietoa ja liiketoimintaa" (TUTLI) rahoituksen. ISF mini projektissa onnistuttiin kehittämään edullinen pienten kappaleiden painomuovauskone. Samalla kartoitettiin laitteelle soveltuvat parametrit ja rajoitukset. Laseravusteisella muovaamisella päästään kuparilla isompaan seinämän kaltevuuteen ja pinnalaatu pysyy hyvänä. Teräksellä laserista ei ollut juuri hyötyä ja alumiinilla muovattavuus kyllä parani, mutta pinnalaatu huononi. AM kappaleiden viimeistelykoneistuksessa tutkittiin muovisten kappaleiden viimeistely jyrsimällä, sekä metallikappaleiden automaattista hiontaa. Jyrsinnässä vertailtiin eri menetelmillä tehtyjä kappaleita, sekä mitattiin kappaleiden mittatarkkuutta ja geometrisia toleransseja. Huonosta kotitulostimella tehdystä kappaleesta on vaikea saada hyvää kappaletta vaikka se viimeisteltäisiin koneistamalla. Suurimmat ongelmat liittyvät kappaleiden vääntymiseen johtuen lämpöjännityksistä valmistusprosessin aikana. Kappaleiden automaattisessa hionnassa parhaat tulokset saatiin DMLS kappaleille käyttämällä hionta-aineena teräshauleja ja pyörittämällä niitä hiottavat kappaleen kanssa rummussa. Ra arvo parani tällöin noin seitsemästä mikrometristä kolmeen mikrometriin

Digital Spare Parts

Published by Aalto University and VTT Technical Research Centre of Finland.Digital spare parts is a concept where the spare parts and the related manufacturing data are stored and transferred in digital form. The spare parts are manufactured using 3D printing according to need, usually close to the end user’s premises. The digitalisation of spare parts aims for a better, more flexible and quicker availability of spare parts, and lower storage, manufacturing and transport costs. The quicker delivery of spare parts can also reduce downtime, which can mean significant cost savings. It is essential in the digitalisation of the companies' spare parts to find the parts in the spare part libraries that bring the greatest benefit when they are stored in digital form and manufactured by 3D printing. Such parts include, in particular, parts of old equipment and machines and slowly circulating parts with complex geometries. Today, 3D printing can be used to manufacture high-performance pieces, and the method is excellently suited to the manufacturing of individual pieces or short-run batches; it also allows the improvement of the spare parts, with updated and intelligent spare parts as examples. Information on a company's spare parts is scattered between multiple systems, and manufacturing data in particular may be difficult to find. At the initial stage, it is important to identify the 3D printable parts in the spare part libraries and digitalise them, not only with regard to 3D models but all other manufacturing data from materials and tolerances to the required post-processing data. The digitalisation of spare parts requires 3D design competence, knowledge of the 3D printing processes, and familiarisation with the printable materials. Spare parts are rarely designed to be manufactured by 3D printing; on the other hand, the selection of 3D printable materials remains reasonably limited, due to which situations where a part is manufactured from a replacement material will likely occur. 3D printing processes produce their own kind of a structure and surface finish, due to which the post-processing of 3D printable parts, such as heat treatments and finishing, must be carefully chosen. The goal is that the properties of parts manufactured by 3D printing are at least as good as those of conventionally manufactured parts. The vision of the roadmap for digital spare parts presented in the report is that after ten years or so, 10% of spare parts are digital, and the manufacturing technology is reliable and is of a high quality. In other words, quality verification, the extension of the related material selection and the automation of processes are required of the 3D printing technologies. 3D printing creates new possibilities for the development of the operation of parts, equipment or entire processes. IDs and sensors can be embedded into 3D printed parts, allowing the tracking of their movement in the supply network and anticipatory condition monitoring. A spare part of the future will be able to automatically order a new part from a digital spare part library so that it can be replaced by the new part just at the right time before the machine breaks down or the process stops

Digitaaliset varaosat

Aalto-yliopiston ja Teknologian tutkimuskeskus VTT:n yhteisjulkaisu.Digitaaliset varaosat on konsepti, jossa varaosat ja niihin liittyvä valmistustieto säilytetään ja siirretään digitaalisessa muodossa. Varaosien valmistus tapahtuu 3D-tulostamalla tarpeen mukaan yleensä lähellä loppukäyttäjää. Varaosien digitalisoinnilla tavoitellaan parempaa, joustavampaa ja nopeampaa varaosien saatavuutta sekä pienempiä varastointi-, valmistus- ja kuljetuskustannuksia. Nopeammalla varaosien toimittamisella voidaan myös pienentää seisokkiaikoja, mikä voi tarkoittaa merkittäviä kustannussäästöjä. Oleellista yritysten varaosien digitalisoinnissa on löytää varaosakirjastoista ne osat, joiden säilyttämisestä digitaalisessa muodossa ja valmistamisesta 3D-tulostamalla saadaan suurin hyöty. Tällaisia osia ovat etenkin vanhojen laitteiden ja koneiden osat sekä hitaasti kiertävät osat, jotka ovat geometrialtaan monimutkaisia. 3D-tulostamalla voidaan nykypäivänä valmistaa suorituskykyisiä kappaleita ja menetelmä soveltuu erinomaisesti yksittäiskappaleiden tai pienten sarjojen valmistamiseen. Digitaalinen valmistus antaa myös mahdollisuuden kehittää varaosia, mistä esimerkkinä voidaan mainita päivitetyt ja älykkäät varaosat. Tiedot yritysten varaosista ovat hajallaan monissa järjestelmissä ja varsinkin valmistukseen liittyvää tietoa voi olla vaikea löytää. Alkuvaiheessa on tärkeää tunnistaa 3D-tulostettavat osat varaosakirjastoista ja digitalisoida osat mukaan lukien niin 3D-mallit kuin kaikki muu valmistustieto materiaaleista ja toleransseista tarvittaviin jälkikäsittelytietoihin. Varaosien digitalisointi vaatii 3D-suunnitteluosaamista sekä 3D-tulostusprosessien tuntemusta ja tulostettaviin materiaaleihin perehtymistä. Varaosia on harvoin tarkoitettu valmistettavaksi 3D-tulostamalla ja toisaalta 3D-tulostettavien materiaalien valikoima on vielä kohtuullisen rajallinen, mistä syystä joudutaan todennäköisesti tilanteisiin, joissa valmistetaan osa jostakin korvaavasta materiaalista. 3D-tulostusprosessit tuottavat omanlaista rakennetta ja pinnanjälkeä, mistä syystä myös 3D-tulostettavien osien jälkikäsittelyt kuten lämpökäsittelyt ja viimeistelyt on valittava huolellisesti. Tavoite on, että 3D-tulostamalla valmistettujen osien ominaisuudet ovat vähintään yhtä hyvät verrattuna perinteisesti valmistettuihin osiin. Raportissa esitetyn digitaalisten varaosien tiekartan visio on, että noin kymmenen vuoden päästä 10% varaosista on digitaalisia ja valmistusteknologia on luotettavaa ja laadukasta. 3D-tulostusteknologioilta edellytetään siis laadun tosittamista, niihin liittyvän materiaalikirjon laajenemista sekä prosessien automatisointia. 3D-tulostaminen avaa uusia mahdollisuuksia kehittää osien, laitteiden tai kokonaisten prosessien toimintaa. 3D-tulostettuihin osiin voidaan upottaa tunnisteita ja sensoreita, joiden avulla voidaan seurata osien liikkumista toimitusverkostossa sekä suorittaa ennakoivaa kunnonvalvontaa. Tulevaisuuden varaosa osaa tilata automaattisesti uuden osan digitaalisesta varaosakirjastosta, jolloin uusi osa saadaan vaihdetuksi kuluneen tilanne juuri oikeaan aikaan ennen koneen rikkoutumista tai prosessin pysähtymistä

Classification of end-use industrial applications of additive manufacturing

Additive manufacturing (AM) has recently been gaining traction in the manufacturing of industrial end-use components and has found success in a variety of applications, which have varied from the production of superior high value components to the reduction of costs associated with procuring simple products, such as spare parts for consumer electronics. This spectrum of applications is causing confusion for companies who are willing to adapt AM in their operations and slowing down the rate of propagation of AM in industrial settings. This paper attempts to clarify the opportunities of AM in end-use components by proposing a categorization system from the point of view of Design for Additive Manufacturing (DfAM). The categories are obtained from the existing DfAM literature and are “Components designed for AM”, “Components redesigned for AM”, and “Components not designed for AM”. The article presents the categories in detail, explains when they should be used, and provides examples for each category.Peer reviewe

The applicability of the 40 TRIZ principles in design for additive manufacturing

The theory of inventive problem solving methodology (TRIZ) is a well-established accelerator to support problem solving by linking specific engineering problems and solutions to general patterns. TRIZ can be applied in conjunction with Design for Additive Manufacturing (DFAM) to create novel geometries, shapes, and enhanced functionalities. In this study, the applicability for DFAM of each of the 40 inventive principles of TRIZ is evaluated and classified. Examples for three TRIZ principles (i.e. asymmetry, nested doll, blessing in disguise) are evaluated further in the context of DFAM, outlining their advantages in functionality and performance. This study is particularly helpful to practitioners who are unfamiliar with the concept of DFAM. © 2018, Danube Adria Association for Automation and Manufacturing, DAAAM. All rights reserved.Peer reviewe

Additive Manufacturing in Offsite Repair of Consumer Electronics

Spare parts for products that are at the end of their life cycles, but still under warranty, are logistically difficult because they are commonly not stored in the central warehouse. These uncommon spare parts occupy valuable space in smaller inventories and take a long time to be transported to the point of need, thus delaying the repair process. This paper proposes that storing the spare parts on a server and producing them with additive manufacturing (AM) on demand can shorten the repair cycle by simplifying the logistics. Introducing AM in the repair supply chain lowers the number of products that need to be reimbursed to the customer due to lengthy repairs, improves the repair statistics of the repair shops, and reduces the number of items that are held in stock. For this paper, the functionality of the concept was verified by reverse engineering a memory cover of a portable computer and laser sintering it from polyamide 12. The additively manufactured component fit well and the computer operated normally after the replacement. The current spare part supply chain model and models with AM machinery located at the repair shop, the centralized spare part provider, and the original equipment manufacturer were provided. The durations of the repair process in the models were compared by simulating two scenarios with the Monte Carlo method. As the biggest improvement, the model with the AM machine in the repair shop reduced the duration of the repair process from 14 days to three days. The result points to the conclusion that placing the machine as close to the need as possible is the best option, if there is enough demand. The spare parts currently compatible with AM are plastic components without strict surface roughness requirements, but more spare parts will become compatible with the development of AM.Peer reviewe

Selective Laser Melted Digital Hydraulic Valve System

The purpose of this article is to investigate the possibility of manufacturing a digital hydraulic valve system using additive manufacturing and to identify the challenges and benefits of doing so. In this study, an existing hydraulic valve manifold, operating at pressures up to 25 MPa, was redesigned for selective laser melting (SLM) and further optimized with computational fluid dynamics. Certain dimensioning challenges were encountered because laser melting is not yet accurate enough for some features, but these challenges were circumvented. The manifold was successfully manufactured from tool steel and tested for maximum operating pressure and flow capacity. Due to the improved flow channels, the selective laser melted manifold provided up to 49% reduction in the energy losses caused by flow resistance. This article demonstrates that SLM can be used to improve the performance of hydraulic valves and that the cost of SLM manifolds is feasible for high-end valve assemblies.Peer reviewe