Innovation in composite additive manufacturing

158 Pages·2015·8.69 MB·English

Master Thesis

Innovation in composite additive

manufacturing

Euan Muir

Division of Machine Design • Department of Design Sciences

Faculty of Engineering LTH • Lund University • 2015

Innovation in composite additive
manufacturing
Euan Muir

Division of Machine Design • Department of Design Sciences
Faculty of Engineering LTH • Lund University • 2015
Division of Machine Design, Department of Design Sciences
Faculty of Engineering LTH, Lund University
P.O. Box 118
SE-221 00 Lund
Sweden

ISRN LUTMDN/TMKT 15/5525 SE
Preface
I want to thank a few people for their contribution to this report.
Giorgos Nikoleris, my advisor whom always knew who to contact
Katarina Elner-Haglund for lots of useful help bouncing ideas.
Pernilla Karlsson, my friend that helped me understand the chemical engineering
standpoints.
All of the contacts in the industry that took the time to guide me and answer my
questions.

Lund, May 2015

Euan Muir

i

Abstract
This master thesis contains an overview of existing additive manufacturing methods
and considers possible new methods. The purpose being to develop a method for
additive manufacturing that can create 3D objects with composite material and/or out
of metal. Further this method should work on a low cost additive manufacturing
machine. A development process is used in order to select an appropriate method. The
method is then divided into parts that are individually analysed in order to produce a
proof of concept model.
Initially an overview of existing patents regarding additive manufacturing was
conducted in order to see if the devised problem was addressed and how. A patent
search regarding both additive manufacturing of composites and of metallic objects
was performed.
The next phase was conducting a market overview of existing low cost 3D printers
and selecting one model that was appropriate for purchase. The purchased 3D printer
was then assembled and tested to build up a general experience of properties and
limitations of low cost printers. These properties regard both control parameters,
mechanical properties (such as eigen frequencies, resolution) and print limitations
(typical errors, materials etc.).
Concept generation took place by brainstorming a wide range of possible ideas to
address the project goal. Existing manufacturing methods and processes that inspired
the concepts are described in the theory.
The final concept was selected by a process of first concept screening followed by
concept scoring and selection. After screening the bulk of four concepts remained.
One mainly addressed the goal of manufacturing metallic parts and the others
composites. Further literary study of material properties and manufacturing processes
relevant to these methods was conducted for the scoring step. Also appropriate
retailers of materials and parts and machines were contacted for relevant cost
information.
The selected concept uses photopolymers cured by UV radiation. In order to finalise
the proof of concept a print head was constructed and several tests were conducted in
order to observe possible fill rates and required radiation levels in order to achieve a
required flow rate and curing times respectively.
Finally suggestions for further development and studies is summarised.

iii
Keywords:
Additive manufacturing, Composites, Rapid Prototyping

iv
Sammanfattning
Studien har utforskat möjligheter för att utveckla en ny lågpris metod för additiv
tillverkning som skall svara mot önskemål från dagens användare. Önskemålen har
identifierats till att vara en metod som tillåter att med en enkel 3D skrivare kunna
skriva ut detaljer med komposit eller metalliska materialegenskaper. Målet med
studien är att ta fram en ”proof of concept” lösning för att visa att metoden går att
utveckla och tillverka inom ramarna för kostnad och kundbehov.
Ledande önskemålen och kraven som identifierades var behov av fler material,
metalliska materialegenskaper och möjligheten till integrerad ledningsförmåga i
designen. Dessa önskemålen togs fram från en samlad undersökning av
användarforum, intervjuer från plastindustrin samt testning och användning av
maskiner. Önskemålen kompletterades även med kriterier och önskemål som används
för utvärdering av framtagna koncept.
För djupare förståelse byggdes en 3D skrivare. En granskning av befintliga maskiner
utfördes och en maskin valdes efter pris, öppen hårdvara, öppen mjukvara och
mängden användare. Konstruktionen, installation och körning av maskinen gav
erfarenhet av användarbehov möjligheter gällande styrning och reglering av
processen. Maskinens mekaniska och elektroniska gränssnitt sattes som gränssnitt för
konceptlösningen.
En undersökning av existerande metoder för additiva tillverkning och relaterade
tillverkningsmetoder utfördes. Existerande metoderna inkluderar Stereolithography
(SLA), Selective Laser Sintering (SLS), Fused Deposition Modeling (FDM), Three
dimensional printing (3DP), Ultrasonicwelding (UW), Metal injection molding
(MIM), Microwavewelding (MW) och Injection Molding (IM) med extra granskning
på extrudering.
En granskning av ovan nämnda metoder används för att skapa och utvärdera nya
möjligheter för tillverkningsmetoder som uppfyllde kraven från användare. Detta
resulterade i generering av tolv koncept.
Koncepten utvärderas först enl. de framtagna kraven. Först valdes de koncept ut som
klarade alla fastlagda kraven där komplexitet, kostnad, olämplig metod för en novis
användare och brist på kunskap och erfarenhet var de avgörande kriterierna.
Fyra av koncept uppfyllde kravställningen. För att avgöra vilket koncept som skulle
utvecklas jämfördes de med målen. Målen viktades för att de mest avgörande ska ha
störst inflytande.
v
De fyra koncepten var
1. En matare med förblandad UV härdad vätska/fiber el. partikel
2. En värmd matare för förblandad polymer/fiberkomposit
3. Elektrisk motstånd matare av metalltråd
4. En matare för inbyggd kontinuerlig fiber eller tråd.
Konceptet som bäst svarade på de viktade behoven var mataren för förblandad UV
härdad vätska.
En enkel konstruktion togs fram för testning av produkten som svarade till den
monterade maskinens gränssnitt. Delar beställdes in för tillverkning och testning
inkluderat:
 Gas atomatiserat metallpulver
 Fotopolymer
 UV dioder
En matare konstruerades med en plastspruta, en stegmotor, en rem och en
kuggremskiva. En hållare för testning konstruerades (med inspiration från en befintlig
modell ”pastruder”) för att passa till projektets ändamål.
Den fotopolymer som beställdes levererades aldrig. För testning användes överbliven
fotopolymer från en äldre SLA maskin.
Testning utfördes för att undersöka fiberns fyllnadsgrads och kvantitet av UV dioders
inverkan på härdningstid. Utifrån testerna valdes lämpliga komponenter av UV dioder
och tillhörande motstånd.
Slutsatsen av undersökningen är att metoden fungerar som additiv
tillverkningsprocess och uppfyller kraven på kostnader.
Rapporten avslutas i ett flertal förslag för vidare tester och behov av utveckling av
metoden. Däribland föreslås tester av komponenter för ökad ledningsförmåga samt en
utveckling av mjukvara för datorstödd tillverknings (CAM) beredning av mer process
specifika parametrar.

vi