Utredning, testing og dokumentering av produksjonsegenskaper, styrke og potensiale hos moderne RP-teknologier

Abstract

Bakgrunnen for prosjektet var å gjøre en kartlegging av moderne rapid prototyping (RP) teknologier. RP-teknologi gjør det enklere å produsere prototyper som kan gi et proof of concept, eller brukes i tester på kundegruppen. Dette kombinert med direkte digital produksjon gir nesten ubegrensede muligheter innenfor designtilpasninger, itereringer av produktet og etterprøving av produktets egenskaper. For å begrense omfanget av oppgaven ble den avgrenset til additiv produksjon (AM), og mer spesifikt material extrusion (MEX). AM-produksjon er en teknologi med mange fordeler, men materialegenskapene til AM-produserte deler er begrenset. Problemstillingene for prosjektet ble derfor å kartlegge materialegenskaper, bærekraftperspektivet, kostnadsbilde og designmulighetene teknologien har. Dette førte til en målsetningen om å undersøke, teste og dokumentere produksjonsegenskaper og andre aspekter rundt AM-produksjon. Det har også blitt sett på muligheter, fordeler og potensialet AM-produksjon har som fremtidig produksjonsmetode. Videre ble det også sett på muligheten til å kombinere AM-produksjon med etterbehandlingsmetoder for å gi produktene best mulig egenskaper. For å gjennomføre prosjektet ble det valgt ut relevant metodikk til å løse problemstillingene som ble reist. Metoder som IPD/IPPD, S.C.A.M.P.E.R, QFD house of quality og preferansesett har blitt brukt gjennom prosjektet for å gi et bilde på kundegruppens preferanser. Disse metodene har også blitt brukt til å sikre medvirkning og involvering av eksperter fra forskjellige fagfelt gjennom hele prosessen. Videre ble det gjort LCA-analyser, kostnadsanalyser og en utredning rundt designtilpasningsmulighetene til AM-produksjon for å gi et overordnet inntrykk av produksjonsmetoden. Gjennom oppgaven har det blitt undersøkt hvorvidt materialkvaliteten påvirkes av produksjonsorienteringen til prøvestavene. Det har blitt produsert prøvestaver i tre forskjellige orienteringer. Prøvestavene har blitt brukt i to forskjellige forsøk for å definere flytegrensen og hardheten. Alle forsøkstrinn, maskineri, produksjonsparametere og parametere for testing har blitt dokumentert i oppgaven for å gjøre forsøket etterprøvbart. Resultatene og analysen av strekkprøvene viser at det er en statistisk signifikant forskjell i flytegrensene hvis en ekstremmåling ble fjernet fra datasettet. Om ekstremmålingen var inkludert i datasettet var det ikke en statistisk signifikant forskjell mellom prøvestavene som ble produsert horisontalt på byggeplattformen og vertikalt på XY-planet. Resultatene og analysen av hardhetsprøvene viste at det ikke var en statistisk signifikant forskjell i hardheten til prøvestavene. Det ble også definert materialegenskaper for hver av gruppene, og disse har blitt målt opp mot standardverdier for materialet. Det har også kommet frem at AM-produksjon er mer kostnadseffektiv ved få produserte enheter, og mer bærekraftig enn tradisjonell produksjon. For å bygge videre på forsøket bør det produseres flere prøvestaver med forskjellige produksjonsparametere for å kartlegge hvilke faktorer som påvirker materialegenskapene til AM-produserte produkter. Disse dataene bør brukes til å lage en kvantitativ modell som kan predikere materialegenskaper basert på produksjonsparametere og orientering.

The motivation for conducting this study is to create an aggregated impression of rapid prototyping (RP) technology. RP-technology makes it easy to produce prototypes that can create a proof of concept or be used to get feedback from a control group. The combination of direct digital production and RP-technology creates almost unlimited design possibilities, an option to iterate the product based on feedback from the control group and verification of the products features. The study has been limited to explore the possibilities of additive manufacturing (AM), and more specific material extrusion (MEX). AM-technology comes with many benefits, but the material properties of AM-produced components is limited. Therefore this project aims to create an aggregated impression of material properties, sustainability, cost of production and design possibilities AM-production creates. For these reasons the goal of the project is to investigate, test and document production capabilities and other aspects of AM-production. It has also been looked into the possibilities, benefits and potential of AM-production as a future manufacturing technology. The effects of postprocessing and how different postprocessing techniques impacts the material properties of AM-produced components. To conduct this study relevant methodologies has been chosen to answer the research questions. IPD/IPPD, S.C.A.M.P.E.R, QFD house of quality and vectorization of customer preferences has been used to compare technical requirements with the customer groups needs. These methodologies have also created involvement and participation of the experts throughout the study. There has also been completed LCA-analysis, cost-analysis, and an exploratory study of design possibilities for AM-production. Throughout the study it has been researched how orientation during production affect material properties of a test rod. It has been produced test rods in three different orientations, and these test rods has been used to gather information of the materials hardness and yield strength. All the research steps, test machinery, production parameters and test parameters has been documented so that the study can be verified by another researcher. This study resulted in a statistically significant difference in yield strength based on orientation during production if an outlier was removed from the dataset. If this outlier is included in the dataset there is no statistically significant difference in yield strength between two of the groups. The results and analysis of the hardness test concluded that there was no statistically significant difference in hardness based on orientation during production. Material properties of the different orientations during production was also determined, and these were compared to standard properties for the material. The study also conclude that AM-production is more cost efficient when few units are produced, and that the method is more sustainable than traditional manufacturing. Further work should focus on producing more test rods with different production parameters. This data should be used to create a predicative model for material properties based on production parameters and orientation during production.