Austeniittisen ruostumattoman teräksen 316 L soveltuvuus 3D-tulostukseen

Tiivistelmä. Lisäävä valmistus tai tavallisemmin 3D-tulostus on kasvanut yhdeksi valmistustekniikaksi perinteisten valmistusmenetelmien rinnalle. Erityisesti metallisten materiaalien tulostus on kasvattanut suosiotaan viimeisten vuosikymmenien aikana. Ajankohtaista tutkimustietoa eri menetelmistä ja materiaaleista on runsaasti saatavilla, johtuen valmistustavan uutuudesta. Työn tarkoituksena on tutustua metallien 3D-tulostamiseen käytettävien menetelmien toimintaan sekä tulostusmateriaaleihin. Tärkeimpänä tutkimuskohteena on austeniittisen ruostumattoman teräksen 316 L soveltuvuus metallia lisäävien menetelmien tulostusmateriaalina. Tutkielma on jaettu selkeyden vuoksi osioihin. Ensimmäiset osiot käsittelevät 3D-tulostamisen kehityskaarta sekä valmistustavan tulevaisuutta. Seuraavat osiot esittelevät 3D-tulostamisen periaatteet ja käytetyimmät metallia lisäävät valmistusmenetelmät. Lopuksi tarkastellaan tutkittavaa materiaalia ja sen tarjoamia mahdollisuuksia samalla muihin materiaaleihin verraten.Austenitic stainless steel 316 L:s suitability for 3D-printing. Abstract. Additive manufacturing or more commonly 3D-printing has grown into a manufacturing technique alongside the traditional manufacturing methods. Especially printing of metallic materials has rapidly grown its popularity over the last decades. Topical research data of different kinds of methods and materials is widely available due to the novelty of the manufacturing process. The purpose of this thesis is to introduce the working principles of various metal 3D-printing methods and printing materials. As the main subject of this thesis is to investigate how suitable austenitic stainless steel 316 L as a printing material is for metal additive manufacturing. This thesis has been split into sections for the sake of clarity. The first sections discuss the development of 3D-printing and the future of this manufacturing process. The following sections introduce the main principles of 3D-printing and the most used methods of metal additive manufacturing. At the end of this work, we look at the material of interest and showcase the possibilities it has to offer while comparing it to other used materials

Materiaalia lisäävä valmistus osana sotilaslogistiikkaa : suorituskykyä kerros kerrokselta

Tässä väitöskirjassa käsitellään materiaalia lisäävää valmistusta ja sen sotilaallista käyttöä. Tutkimuksen kohteena ovat olleet menetelmän hyödyntäminen ja siihen liittyvät reunaehdot, erityisesti osana sotilaslogistiikkaa. Tutkimus on tehty Suomen Puolustusvoimien näkökulmasta, osana Puolustusvoimien materiaalia lisäävän valmistuksen tutkimusta. Materiaalia lisäävän valmistuksen potentiaali suhteellisen uutena valmistusmenetelmänä on tunnistettu ympäri maailmaa. Sen tekijöitä ja käyttöä on tutkittu eri sovelluksissa erityisesti siviiliyritysten käytössä. Sotilaallisessa käytössä menetelmää on testattu, mutta tutkittua tietoa on vain rajallisesti saatavilla. Tämän tutkimuksen keskiössä onkin ollut menetelmän käytön sotilaallisen toimintaympäristön, toimintatapojen ja organisaatioperiaatteiden asettamien vaatimusten ja rajoitusten vaikutukset sen käyttöön. Tutkimuksen päätavoitteena oli tutkia, analysoida ja arvioida, miten materiaalia lisäävää valmistusta voidaan käyttää osana sotilaslogistiikan kehittämistä. Tutkimuksen keskeisin tulos on, että materiaalia lisäävän valmistuksen käyttö osana sotilaslogistiikkaa kehittää joukkojen kunnossapitoa ja näin mahdollistaa niiden tukemisen tilanteessa, jossa normaalit toimitusketjut eivät ole käytössä tai komponenttien saanti on muutoin estynyt. Tämänhetkisellä tulostuskyvykkyydellä tehokkain tapa tukea joukkoja on sijoittaa teollinen tulostuskyky korjaamokunnossapitoon tai siviilikomponenttiin. Menetelmän käytön kannalta oleellista on huomioida se jo uuden materiaalin hankintavaiheessa. Käyttöön liittyy kuitenkin rajoitteita, jotka tulee huomioida tehtäessä päätöksiä missä ja miten menetelmää käytetään. Työn tuloksena kirjoittaja esittää menetelmän käyttöönottoon liittyviä tuloksia, joilla voidaan kehittää Puolustusmateriaalin kunnossapitoa ja uuden materiaalin hankintaa. Väitös tuo tieteelliseen keskusteluun uusia näkökulmia ja tutkimustuloksia sotilaallisen materiaalin kunnossapidosta, strategisen kumppanin kanssa kehitettävästä yhteiskäyttöisestä materiaalia lisäävä valmistuksen suorituskyvystä sekä materiaalia lisäävän valmistuksen käytön lainopillisista tekijöistä. Tutkimus on tehty poikkitieteellisesti yhdistäen sotatekniikan, sotatalouden, lakitieteiden ja tuotantotalouden menetelmiä. Tutkimuksen lopputulokset osoittavat, kuinka materiaalia lisäävän valmistuksen käytössä teknologinen osaaminen, teknologian käytön edut ja rajoitukset tulee huomioida menetelmän käytön suunnittelussa ja toimeenpanossa.This dissertation deals with Additive Manufacturing (AM) and its military use. The thesis has focused on the utilization of the AM and the related boundary conditions, especially as part of military logistics. The research has been carried out from the perspective of the Finnish Defense Forces (FDF), as part of its AM research. The potential of AM as a relatively new manufacturing method has been identified around the world. Its factors and use have been studied in various applications, especially in the civilian enterprises. In military use, the method has been tested, but only limited research results are available. The focus of this study has been on the effects of the requirements and limitations imposed by the military operating environment, procedures and organizational principles on the use of the method. This dissertation provides new and useful information about the possibilities and limitations of the method and provide a basis for its use and implementation, especially in organizations operating in different circumstances. The main goal of the work is to study, analyze and evaluate how AM can be used as part of logistics development. As a result of the work, the author presents the results which can be used to develop the maintenance of Defense Equipment and the acquisition of new material. The most important result of the research is that the use of Additive Manufacturing as part of military logistics improves the maintenance of troops and thus enables them to be supported in a situation where normal supply chains are not in use or access to parts is otherwise disrupted. However, there are limitations in using the method, which should be considered when making decisions about where and how to use the AM. The dissertation brings to the scientific discussion new perspectives and research results on the maintenance of military material, the joint AM capability to be developed with a strategic partner, and the legal factors of the use of AM. The research has been conducted interdisciplinary, combining the methods of military technology, military economics, law and production economics. The results of the study show how technological know-how, the advantages and limitations of the use of technology in the use of AM should be considered in the planning and implementation of the use of the method.Tämä Samu Raution väitöskirja pitää sisällään yhteenvedon ja neljä osajulkaisua: [1] Rautio, S., Valtonen, I., Pirinen, R., (2018). Enhancing the Technical Resilience of Critical Infrastructure with Additive Manufacturing. Jan Stentoft (toim.): Proceedings of the 30th Annual NOFOMA Conference: Relevant Logistics and Supply Chain Management Research. Syddansk Universitet. Institut for Entreprenørskab og Relat-ionsledelse, Kolding, Denmark. s.705-720, ISBN 978-87-91070-93-8. [2] Rautio, S., Valtonen, I., (2022). Supporting Military Maintenance and Repair with Additive Manufacturing. Journal of Military Studies. Vol 11, No. 1, s.1-14, ISSN 1799-3350. DOI: 10.2478/jms-2022-0003 (JUFO 1) [3] Rautio, S., Tuomi, T., Akmal, J., (2022). Legal Aspects of Additive Manufacturing in the Military Logistics. Security Dimensions. No.40, s.154-195, ISSN 2353-7000. DOI: 10.5604/01.3001.0015.8153 (JUFO 1) [4] Valtonen, I., Rautio, S., Salmi, M., (2022). Capability Development in Hybrid Organizations - Enhancing Military Logistics with Additive Manufacturing. Progress in Additive Manufacturing, No. 7, s. 1037-1052, ISSN 2363-9520. DOI: 10.1007/s40964-022-00280-z (JUFO 1

Energy efficiency in additive manufacturing – metallic powder-bed fusion

Tässä työssä tehtiin kirjallisuusselvitys metallisten jauhepetimenetelmien energiatehokkuudesta, sillä materiaalia lisäävä valmistus on luonut uusia mahdollisuuksia valmistukseen. Näitä mahdollisuuksia ovat esimerkiksi valmistettavien tuotteiden osakomponenttien pienempi määrä ja kappaleiden suurempi kompleksisuus. Työ on jaettu neljään osaan, joista ensimmäisessä tarkastellaan erilaisia materiaalia lisääviä jauhepetimenetelmiä ja niiden ominaisuuksia. Toisessa osassa tarkastellaan jauhepetimenetelmien energiankulutusta ja sen jakautumista eri toimilaitteille. Lisäksi tutkitaan prosessiin käytettävien materiaalien kuten metallijauheiden ja suojakaasujen sitoutunutta energiaa. Energiatehokkuuden kohdalla tarkastellaan menetelmien energiankulutukseen vaikuttavia asioita kuten valmistettavien kappaleiden poikkipinta-alaa ja korkeutta. Lisäksi pohditaan valmistusaikaa ja valmistuksessa käytettävien jauheiden kierrätystä. Viimeisessä osassa tarkastellaan tutkimuksia, joissa on vertailtu materiaalia lisäävää valmistusta ja koneistamista. Jauhepetimenetelmien energiankulutus jakautuu useaan eri alueeseen, joiden osuus energiankulutuksesta riippuu paljon valmistettavista kappaleista. Energiatehokkuuteen vaikuttaa paljon kappaleiden poikkipinta-ala ja korkeus, joista jälkimmäinen vaikuttaa erityisesti siihen, kuinka monta valmistuskerrosta tarvitaan. Kappaleiden poikkipinta-ala ja määrä määrittävät sen kuinka tehokkaasti saatavissa oleva valmistustilavuus tulee käytettyä. Vertailussa huomattiin, että jauhepetimenetelmien energiatehokkuus verrattuna koneistukseen riippuu valmistettavien kappaleiden muodoista, käytettävästä materiaalista ja valmistuksessa käytettävästä menetelmästä. Joissain tilanteissa materiaalia lisäävä valmistus on energiatehokkaampaa kuin koneistaminen

Kolmiulotteisen astian mallin tekeminen ja tulostus 3D-tekniikalla

Tiivistelmä. 3D-tulostus eli materiaalia lisäävä valmistus on moderni menetelmä valmistaa kolmiulotteisia kappaleita. 3D-tulostimelle tuodun CAD-mallin avulla tulostin valmistaa mallin mukaisen kappaleen kerros kerrokselta. Menetelmä on suhteellisen nopea, ja käytössä olevia valmistusmateriaaleja on useita. Kandidaatintyön tavoitteena oli tutustua 3D-tulostukseen ja sen antamiin mahdollisuuksiin prosessiteollisuudessa. Työ oli rajattu esittelemään muovien 3D-tulostusta. Työssä esiteltiin 3D-tulostamisen etuja, muovien tulostustekniikkaa sekä tulostusmateriaaleja. Teoreettiseen taustaan tutustumisen jälkeen tehtiin kokeellisena osana jo olemassa olevan vaahdotusastian mallintaminen sekä tulostus 3D-tekniikalla. Uuteen vaahdotusastiaan tehtiin muutamia muutoksia helpottamaan sen käyttöä ja tekemään siitä toimivampi. Valmistusmateriaaliksi valittiin ABS-muovi, joka sopi tilanteeseen parhaiten. Työn aikana käytiin läpi tarvittavat vaiheet, jotta ideasta saatiin aikaan valmis kappale 3D-tulostuksen avulla. Vaahdotusastian mallintaminen ja tulostaminen onnistuivat hyvin. Uudesta vaahdotusastiasta tuli sellainen kuin haluttiin ja laadun tarkkuus riitti käyttötarkoitukseen. 3D-tulostuksen käyttöä prosessiteollisuudessa tarkasteltiin ja muutamia käyttökohteita löytyi. Nämä eivät ole mitään teollisuutta mullistavaa, mutta kuitenkin elämää helpottavia sekä tarjoavat mahdollisuuksia kappaleiden uudenlaiseen muotoiluun

Hydrogen embrittlement susceptibility of selective laser melted, and post-heat treated AISI 316 L and Inconel 718 steels

Laser powder bed fusion is one of many additive manufacturing techniques where specimen is fabricated layer by layer via melting powder selectively with laser beam. Additive manufacturing provides benefits including reduced material needs and waste, closer localization of spare part production and suppressed warehouses. However, the microstructural features formed during the manufacturing process differs from a conventionally produced counterparts leading to modified mechanical properties and performance in various circumstances. Hydrogen embrittlement is a phenomenon that embrittles metals, where hydrogen absorbs into the lattice through high pressure gas environment or electrochemical reaction causing decrease in toughness. It is extensively studied phenomena in metal materials, but the mechanisms and factors enhancing brittleness are further uncertain. Thus, thorough research of hydrogen embrittlement behaviour in additively manufactured metals is necessary to prevent premature failures causing dreadful accidents. The aim of the thesis is to raise awareness of the current research findings promoting hydrogen embrittlement in selective laser melted AISI 316 L and Inconel 718 steels, involving microstructural features, fracture mechanisms and mechanical properties. Both steels manufactured by selective laser melting are subjected to several post-heat treatments and compared to each other and their conventionally produced counterparts, to discuss the most compatible post-processed steel for hydrogen environment. The selective laser melting reduces hydrogen embrittlement susceptibility in both materials which can be explained by the unique microstructure formed during the manufacturing process. Moreover, the properties and hydrogen embrittlement vulnerability were able to be altered with post-heat treatments. Hot isotopic pressing and heat treatment without polishing procedures of AISI 316 L exhibited the highest resistance with a minimal brittleness. For one’s part, homogenization plus one aging treatment showed the lowest hydrogen embrittlement behaviour in Inconel 718, yet it does not compare to AISI 316 L. The grain and cell boundaries acted as a hydrogen accumulation and diffusion paths in both steels, but the primary factors enhancing hydrogen embrittlement were separate. The focus in AISI 316 L was dislocation structure and density while the detrimental features of Inconel 718 were precipitants γ′, γ′′, δ and Laves phases. Based on the research results, AISI 316 L is more compatible steel for hydrogen environment, but the hot isotopic pressing treatment caused the lowest yield and tensile strengths, and the absence of surface polishing could be problematic in the place of use. Hydrogen embrittlement behavior of selective laser melted steels requires further studies to achieve thorough understanding of the phenomenon where the conclusions of the thesis provide potential investigation paths.Materiaalia lisäävä valmistus on kasvava tulostustekniikka, jossa materiaalia lisätään kerros kerrokselta. Valmistustekniikalla on useita hyötyjä, kuten pienempi materiaali- ja varastotilojen tarve sekä tuotantojäte ja varaosatuotannon mahdollinen uudelleensijoitus lähemmäksi. Mikrorakenteelliset ominaisuudet kuitenkin eroavat tavanomaisella tavalla valmistetuista vastineista, mikä johtaa erilaisiin mekaanisiin ominaisuuksiin sekä suorituskykyyn vaihtelevissa olosuhteissa. Vetyhauraus on metalleja haurastuttava ilmiö, jossa vetyatomi absorboituu metallihilaan korkeapaineisessa vetykaasuympäristössä tai sähkökemiallisen reaktion myötä ja aiheuttaa sitkeyden heikkenemistä sekä hauraan murtumaan. Metallien vetyhaurastumista on laajalti tutkittu, mutta haurautta edistävät mekanismit ja tekijät ovat edelleen kiistanalaisia. Täten tulostustekniikalla valmistetun metallin perusteellinen vetyhaurauskäyttäytymisen tutkiminen on välttämätöntä ennenaikaisten murtumien estämiseksi. Opinnäytetyön tavoitteena on lisätä tietoisuutta ajankohtaisista tutkimustuloksista, jotka edistävät jauhepetisulatettujen AISI 316 L- ja Inconel 718 -terästen vetyhaurautta käyttämällä jauheen sulatustekniikkana kuitulaseria. Ilmiötä tutkitaan murtumismekanismien ja mikrorakenteellisten sekä mekaanisten ominaisuuksien näkökulmasta. Molemmille teräsmateriaaleille tehdään useita erilaisia jälkikäsittelyjä, joiden ominaisuuksia vertaillaan keskenään sekä tavanomaisella tavalla valmistettuihin vastineisiin. Tulosten perusteella pohditaan vety-ympäristöön yhteensopivampaa terästä ja lämpökäsittelytekniikkaa. Materiaalia lisäävä valmistus vähensi vetyhaurausherkkyyttä molemmissa materiaaleissa, mikä voidaan perustella jauhepetisulatuksen aikana muodostuneen ainutlaatuisen mikrorakenteen avulla. Lisäksi tutkittavien teräksien ominaisuuksia sekä vetyhaurausherkkyyttä oli mahdollista muokata lämpökäsittelyiden avulla. Suurin vetyhaurauden kestävyys havaittiin AISI 316 L teräksellä kuuman isostaattisen puristuskäsittelyn ja pintakäsittelemättömän lämpökäsittelyn jälkeen. Puolestaan Inconel 718:n yhden ikäännyttämisvaiheen sisältävä homogenisointikäsittely osoitti suurinta vetyhaurauskestävyyttä, mutta se ei kuitenkaan ole verrattavissa AISI 316 L teräkseen. Mikrorakenteen rae- ja solurajat toimivat vedyn kasaantumis- ja diffuusioasemina, mutta ensisijaiset vetyhaurautta edistävät tekijät erosivat tutkittavien teräksien välillä. Haitalliset ominaisuudet AISI 316 L teräksessä olivat dislokaatiorakenne sekä -tiheys ja Inconel 718: ssa γ′-, γ′′-, δ -saostumat ja Laves -faasit. Tulosten perusteella voidaan todeta, että AISI 316 L on ominaisuuksiltaan suotuisampi vaihtoehto, mutta kuuman isostaattisen puristuskäsitellyn teräksen myötö- ja vetolujuus olivat tutkimuksien heikoimpia sekä pintakäsittelemättömän teräksen pinnankarheus voi aiheuttaa ongelmia, jotka tulee ottaa huomioon käyttökohteen vaatimuksia ajatellen. Jauhepetisulatettujen metallien vetyhauras vaatii yhä syvempää tutkimusta ilmiön perusteellisen ymmärryksen saavuttamiseksi, mihin opinnäytetyö antaa potentiaalisia tutkimussuuntia

Materiaalia lisäävän valmistuksen (3D-tulostus) kaasu- ja hiukkaspäästöt eri työvaiheissa

Materiaalia lisäävän valmistuksen (3D-tulostus) kaasu- ja hiukkaspäästöt eri työvaiheissa –tutkimushankkeessa selvitettiin 3D-tulostusalaan liittyvää työturvallisuutta kyselytutkimuksen, kokeellisten mittausten sekä mallinnuksen avulla. Tutkimustulosten perusteella työntekijät voivat altistua hiukkasmaisille epäpuhtauksille ja kaasumaisille yhdisteille hengitysteiden kautta 3D-tulostuksen eri työvaiheissa. Eri työvaiheita ovat 3D-tulostusmateriaalin käsittely, varsinainen 3D-tulostustyö, 3D-tulostetun kappaleen jälki- ja pintakäsittely sekä huolto- ja kunnossapitotyöt. Altistumisen havaittiin riippuvan mm. työvaiheesta, käytettävästä tulostustekniikasta sekä 3D-tulostusmateriaalista

Fabrication additive ou Impression 3D. Aperçus sur une variation terminographique

Materiaalia lisäävä valmistus eli 3D-tulostus on valmistusmenetelmä, jossa kappale tehdään 3D-mallin pohjalta materiaalikerroksia lisäämällä, käyttäen useita tekniikoita ja materiaaleja. Menetelmää sovelletaan useilla teollisuuden aloilla. Lisääviä valmistustekniikoita on kehitetty 1990-luvun alkupuolelta lähtien, ja ne monipuolistuvat jatkuvasti. Tässä pro gradu -tutkielmassa tutkitaan sovellusalan terminologian kehitystä vertailevilla menetelmillä ja luodaan kolmikielinen sanasto alan asiantuntijoille, joita edustaa Suomessa FIRPA ry. Sanaston kielet ovat englanti, ranska ja suomi. Terminologian tutkimus on perinteisesti keskittynyt sanastotyöhön ja käsiteanalyysiin, sen sijaan termihistorian tutkimus on ollut vähäisempää. Tässä työssä on tehty vertailevaa termitutkimusta sekä sanastotyön että termihistorian näkökulmista. Vertailutasoja ovat termien merkityksen muuttuminen, vertailu pivot-kielen suhteen ja kielikohtaisten ominaisuuksien tarkastelu termien muotoutumisessa. Tutkittavia asioita ovat sanastokäsitteiden väliset suhteet, synonyymien, varianttien ja uudissanojen moninaisuus, ja termien yleiskielistyminen. Samalla pohditaan muita termien muuttumiseen vaikuttavia syita. Tärkeimpänä lähteenä käytetään Wohlersin vuosiraportteja, jotka kuvaavat kattavasti koko teollisuudenalaa. Koska englannin pivot-vaikutus on voimakasta teknisillä aloilla, omankielisen terminologian kehittyminen vaatii tietoista terminologiatyötä ja aktiivista omankielisten termien käyttöä. Terminologian vakiintumista voidaan arvioida termivarianttien ja uudissanojen määristä, sekä termien yleiskielistymisestä. Terminologia muuttuu jatkuvasti toimialan kehittyessä ja vaatii säännöllistä päivittämistä. Termihistorian tunteminen tukee sanastotyön termivalintoja. Alan asiantuntijat ovat vastuussa omasta terminologiastaan, ja heidän aktiivisuutensa on tärkeää sen kehittämisessä. Toteutettu sanasto on tämän pro gradu -tutkielman liitteenä ja se julkaistaan myös FIRPA ry:n Internet-sivustolla. Suomenkielinen osio sanastosta on ensimmäinen laaja suomeksi julkaistu materiaalia lisäävän valmistuksen sanasto.Siirretty Doriast

3D-printing – the new world map of logistics

Materiaalia lisäävä valmistus tulee olemaan teknologinen murros monella toimialalla. Viime aikoina 3D-tulostimien kehittymisen ja hintojen laskun myötä yleinen keskustelu on keskittynyt siihen, miten tulostimia voidaan hyödyntää kotitalouksissa. Vähemmälle huomiolle on jäänyt murroksen vaikutukset kuljetuksiin ja toimitusketjuihin. Tässä tutkimuksessa keskityttiin kartoittamaan materiaalia lisäävän valmistuksen vaikutuksia maailmanlaajuisesti logistiikkaan. Työssä käytettiin yleiskielen termiä 3D-tulostus käsittämään kaiken tyyppinen materiaalia lisäävää valmistus. Tutkimuksessa luotiin logistiikka- ja konsulttiyritysten strategioiden kautta 3D-tulostuksen muutospolkuja, joiden avulla hahmotettiin muutoksen voimakkuutta. Muutospolut suunniteltiin ortogonaalisina. Näin polun voimakkuus ja vaikutukset voitiin säätää toisista poluista riippumattomana. Kolmea skenaariota 3D-tulostuksen yleistymisestä käytettiin lähtötietoina muutospoluille, joiden muutosvoimakkuudella tuotiin esiin vaikutukset toimitusketjuihin ja niiden hallintaan. Tutkimus osoitti, että 3D-tulostuksen aiheuttama teknologinen murros tulee vaikuttamaan voimakkaasti logistiikan toimitusketjuihin. Ne tulevat lyhenemään sekä maantieteellisesti että kuvaannollisesti. Maailmanlaajuiset toimitusketjut muuttuvat paikalliseksi toimitusverkostoiksi ja prosessivaiheet tulevat vähenemään. Varastoinnin tarve vähenee sekä valmistuksen välivarastoinnin että lopputuotteiden, mutta erityisesti varaosien osalta. Toimitusverkoston hallinnassa tulee informaation kuten dynaamisen tietovirran käsittely nousemaan entistäkin tärkeämpään asemaan ja edellyttää tehokasta ohjelmistojen käyttöä. Kuluttaja tulee olemaan toimitusverkostojen keskiössä ja kuluttajan rooli valinnan mahdollisuuksineen tulee korostumaan 3D-tulostuksessa