Kvalitetssäkring vid additiv tillverkning Definiering av en process för utveckling, tillverkning och kvalitetssäkring av additiv tillverkade komponenter Kandidatarbete inom Högskoleingenjörsprogrammet Maskinteknik SASA NIKOLIC Institutionen för Industri- och Materialvetenskap CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Kandidatarbete IMXS30-19-XX Göteborg, Sverige 2019 KANDIDATARBETE IMXS30-19-XX Kvalitetssäkring vid additiv tillverkning Definiering av en process för utveckling, tillverkning och kvalitetssäkring av additiv tillverkade komponenter Kandidatarbete inom Högskoleingenjörsprogrammet Maskinteknik SASA NIKOLIC Institutionen för Industri- och Materialvetenskap CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Göteborg, Sverige 2019 Kvalitetssäkring vid additiv tillverkning Definiering av en process för utveckling, tillverkning och kvalitetssäkring av additiv tillverkade komponenter SASA NIKOLIC © SASA NIKOLIC, 2019 Kandidatarbete IMXS30-19-XX Institutionen för Industri- och Materialvetenskap Chalmers tekniska högskola SE-412 96 Göteborg Sverige Telefon: +46 (0)31-772 1000 Omslag: Additiv tillverkad sko från Adidas Chalmers Reproservice Göteborg, Sverige 2019 Kvalitetssäkring vid additiv tillverkning Definiering av en process för utveckling, tillverkning och kvalitetssäkring av additiv tillverkade komponenter Kandidatarbete inom Högskoleingenjörsprogrammet Maskinteknik SASA NIKOLIC Institutionen för Industri- och Materialvetenskap Chalmers tekniska högskola SAMMANFATTNING I denna rapport utvärderas det hur processen för additiv tillverkning via Markforged Mark Two ska gå till för att komponenterna som printas enligt den ska kunna kvalitetssäkras. Detta är alltså ett teoretisk arbete där fokus ligger på att beskriva hur en process bör se ut. För att hitta eventuella brister i processen utförs en riskanalys för de olika stegen i processen. Uppdelningen är: Framtagning av materialdata, i denna del läggs mycket tid på att definiera vilka materilaparametrar som blir nödvändiga att ha med för att senare kunna utföra beräkningar. Ett materialdatablad tas fram som reslutat av denna del. Implementering i beräkningsmodellen, vid denna del definieras det hur materildatan ska hanteras. Konstruktion, en kortare konstuktionsguid tas fram som delas upp i två delar. Vid den första ligger fokus på rekommendationer utifrån hållfasthet för komponenten. Vid den andra läggs fokus på de berägränsingar utifrån Markforged Mark Two printern samt tillvekningsmetoden. Beräkningar, då det saknas materilparameterat för Onyx som är tillvekingsmaterialet blir beräknings- delen omöjlig att utföra fullt ut. Däremot så beskrivs det hur denna bör utföras och rapporteras efter att materilparametrarna tagits fram. Slutligen beskrivs hur processen vid additivt tillverkade komponenter bör utföras och hur kvalitets- kontroller bör vara. Projektet utförs vid Deva Mecaneyes kontor i Västerås. Nyckelord: Additiv tillverkning, Kvalitetssäkring , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX i, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX i, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX i Quality assurance of component manufactured with additive manufacturing Definition of a process for development, manufacturing and quality assurance regarding additive manufacturing of components Bachelor’s thesis in Mechanical Engineering SASA NIKOLIC Department of Industrial and Materials Science Chalmers University of Technology ABSTRACT This degree project has been written by a student from the Bachelor of Engineering program in Mechanical Engineering at Chalmers University of Technology. The purpose of this report is to try to describe a process for quality assurance of additive-manufactured components. A large part of the work has been to produce a proper template for how the material data is to be covered and to produce a proper risk analysis. The work was done at the Department of Industrial and Materials Science (IMS) and in collaboration with Deva Mecaneyes in Västerås. Keywords: Additive manufacturing, Quality assurance ii , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XXii , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XXii , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX INNEHÅLL Sammanfattning i Abstract ii Innehåll iii Förord ix 1 Introduktion 1 1.1 Bakgrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Syfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.3 Avgränsningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.4 Rapportöversikt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Bakgrund 2 2.1 Materiallära . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2.1.1 Val av material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2.1.2 Framtagning av materialdata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1.3 Metaller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1.4 Polymeramaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.5 Onyx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.6 Tillverkning med plast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.7 Standardisering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2 Hållfasthetslära . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.1 Spänning och E-modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.2 Viktiga samband . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.3 Utmattning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2.4 Dragprov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3 Konstuktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3.1 Kraftflöde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3.2 Dimensioneringskriterier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.3 Spänningskoncentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4 Additiv tillverkning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4.1 Inställningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4.2 Vanliga fel för 3D-printade detaljer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.5 Nuläget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.6 FMEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3 Metod 17 3.1 Framtagninga av Materildata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.1.1 Frågeställningen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.1.2 Printerinställningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.1.3 Provstav . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.1.4 Tillvekningsförhållanden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1.5 Teoretiska egenskaperna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX iii, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX iii, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX iii 3.1.6 De framtagna värdena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2 Implementering i beräkningsmodellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.1 Frågeställning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.2 Materialdata och dess behandling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3 Konstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3.1 Frågeställning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3.2 Konstruktionsguiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3.3 Del 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.3.4 Spänningskoncentationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.3.5 Storlek på komponent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.3.6 Stödmaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.3.7 Krympande hål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.3.8 Tillverkningsunderlag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4 Beräkningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4.1 Frågeställningen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4.2 Beräkningsmetod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.5 Tillverkning och Kvalitetssäkring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.5.1 Frågeställningen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.5.2 Tillverkning och kontroll av tillverkning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.6 Riskanlys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4 Resultat 27 4.1 Framtagning av materialdata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.1.1 Printerinställningar och orientering av provstaven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.1.2 Tillverkningsförhållanden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.1.3 Teoretiska egenskaper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.1.4 Databladet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.2 Implementation i beräkningsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.2.1 Behandling av materialdatan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.3 Konstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.3.1 Konstruktionsguiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.3.2 Konstruktionsguiden del 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.3.3 Konstruktionsguide del 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.3.4 Tillverkningsunderlag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.4 Beräkning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.4.1 Implementering av materialdata och tillverkningsunderlaget vid beräkningar . . . . . 41 4.4.2 Rapporteringen av resultaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.5 Tillverkning och kvalitetssäkring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.5.1 Tillverkningen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.5.2 Kvalitetssäkring av tillverkningen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.5.3 Kvalitetssäkringsdokument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.6 Riskanalys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5 Diskussion 44 5.1 Metoddiskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.1.1 Framtagning av Materialdatan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.1.2 Konstuktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 iv , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XXiv , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XXiv , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 5.2 Reslutatdiskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.2.1 Framtagning av Materialdatan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.2.2 Implementering i Beräkningsmodellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.2.3 Konstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.2.4 Beräkningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5.2.5 Tillverkning och kvalitetssäkring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 6 Slutsatser och Rekommendationer 46 6.1 Rekommendationer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 6.2 Slutsatser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Referenser 49 Bilaga A Materialdatabladet 51 Bilaga B Excelfil för hantering av materialdatan 56 Bilaga C Lathund 58 Bilaga D Kvalitetssäkringsdokument 62 Bilaga E Riskanalys 65 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX v, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX v, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX v Figurer 2.1 Reslutat av stavhopp i meter på x-axeln och tiden i på y-axel . . . . . . . . . . . . 2 2.2 Polymerdeformation kurvan och utsträckningen av kedjorna . . . . . . . . . . . . 4 2.3 Strukturen av polymerkedjor hos amorfa vs semikristallin . . . . . . . . . . . . . . 5 2.4 Onyx fibren under mikroskåp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.5 Komponent där man ser den tydliga lager på lager uppbyggnaden . . . . . . . . . . 7 2.6 De fyra olika typerna av deformation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.7 Sprött och segt brott . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.8 Spänningstöjningsdiagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.9 Refflat material där ett utmattningbrott skett . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.10 Dragprov för metall som visar ingenjörsspänningen . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.11 Dragning av plaster med olika E-moduler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.12 Kraftflödet hos en nötknäppare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.13 Spänningskoncentation linjer vid stora och små radier . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.14 Processen för tillverkning av 3D-printade objekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.15 Pillowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.16 Trådning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.17 Bristning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1 Provstav D638 TYP IV enligt ASTM-standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2 Anordningen som användes av företaget tidigare för kontroll av temperaturen och luftfuktighete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.3 Bild på Onyxkuben och IR-mätaren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.4 Modell A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.5 Modell B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.6 Bild på trappan med de olika vinklarna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.7 Illustration över vad som menas med fria vinkeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.8 Fem hål med olika geometri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.9 Fem hål med olika geometri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.1 Provstavarnas orientering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.2 Anordningen av stående provstavar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.3 De teoretiska egenskaperna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.4 Graf som visar den parallella utvidgningen jämnfört med utvidgningen i normalled 30 4.5 Von Mises spänning över modell A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.6 Von Mises spänning över modell B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.7 Illustrering över krafterna som drar i komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.8 Tre sätt att orientera en och samma komponent som ger den olika hållfasthet . . . . 35 4.9 Riktningar i modell illustrerade över printbädden . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.10 Riktningar i modellen illustrerade på komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.11 Fem hål med olika geometri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.12 Ovanifrån i 2D syns tydligt att stödmaterial behövs. . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.13 Orientering A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.14 Orientering B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.15 Koordinatsystem för ett generellt additivt tillverkat objekt . . . . . . . . . . . . . . 42 vi , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XXvi , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XXvi , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX Tabeller 2.1 Sammanfattning av de vanligaste inställningarna hos 3D-printer . . . . . . . . . . 15 4.1 Förbestämda inställningarna som provstaven ska printas med . . . . . . . . . . . . 27 4.2 Rekommenderade tillverkingsförhållanden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.3 Utvidgningskoefficientstabell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.4 Andel kolfiber i Onyx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.5 Tabellen där materialparametrarna ska fyllas i . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.6 Sammanfattningstabell över maximala Von Mises spänningen för de två modellerna 34 4.7 Första tabellen där minsta möljiga fria vinkeln söktes . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.8 Andra tabellen där minsta möljiga fria vinkeln söktes . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.9 Tredje tabellen där minsta fria vinkeln söktes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.10 Skillnaden i procent mellan angivna mått och de faktiska måtten . . . . . . . . . . 38 4.11 Passningstabell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.12 Kvalitetskontroll innan print . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.13 Kvalitetskontroll efter print . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX vii, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX vii, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX vii FÖRORD Det här examensarbetet är genomfört av en student från högskoleingenjörsprogrammet för Maskin- teknik på Chalmers Tekniska Högskola. Arbetet har pågått i 20 veckor från januari 2019 till juni 2019 och utgör 30 högskolepoäng av de 180 poäng som programmet motsvarar. Arbetet gjordes på institutionen för Industri och Materialvetenskap (IMS) och i samarbete med Deva Mecaneyes i Västerås. Jag skulle i första hand vilja tacka min handledare Mårten Olsson på Deva Mecaneyes för att jag fick möjligheten att skriva detta examensarbete hos dem. Jag är även tacksam över att jag fick använda mig av deras programvara, prova att printa i deras 3D printer och självklart för alla råd och stödet jag fått på vägen, inte endast från Mårten men även från de övriga på Deva Mecaneyes kontoret i Västerås. Jag vill dessutom tacka min examinator Antal Boldizar för den tiden han lade åt sidan för mig. , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX ix, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX ix, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX ix , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX xi, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX xi, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX xi 1 Introduktion Additiv tillverkning har används sedan början på 80-talet, denna tillverkningsmetod har använts inom många olika områden i allt från maskinkomponenter, medicinska delar till kläder och skor. Trots att denna metod funnits tillgänglig i drygt 40 år saknas det konkreta standarder kring den. Vilket kan vara anledningen att det största användningsområdet för denna metod är framtagninen av prototyper. Hunter, 1966 I detta arbete tars det fram en process som Deva Mecaneyes kan komma att följa i syfte att kunna kvalitetssäkra de komponenter som tillverkas via additiv tillverkningen i deras verksamhet, samt att en riskanalys av denna process skapas. 1.1 Bakgrund Examensarbetet kom till då företaget Deva Mecaneyes insåg att det fanns ett behov att skapa rutiner som bör följas för att kunna kvalitetssäkra additivt tillverkade komponenter. Behovet var stort då det för tillfället saknas en standardisering kring additiv tillverkning av komponenter. Vid skrivandet av detta arbete används tidigare examensarbete utfört av Tobias Bäckman Bäckman, 2018 för Deva Mecaneyes. I hans rapport var fokus på att ta fram materialdata för 3D-printmaterial. Yttligare hjälp togs från guidelines från Markforged, tillverkaren av den 3D-printern som företaget använder. 1.2 Syfte Syften med arbetet är att utarbeta en överskådlig bskrivning avseende kvalitetssäkring av komponenter som från additiv tillverkning. Särsilgt uvsågs att utföra en utgångspunkt för fortsatt kvalitetssäkring och att etablera en riskanalys. 1.3 Avgränsningar Tiden är begränsad till 20 veckor och arbetet ska motsvara 30 hp enligt Högskoleförordningen. Arbetet kommer att avgränsas till Markforged 3D-printern Mark Two som företaget Deva Mecaneyes använder sig av. Materialdata kommer att avgränsas till användningen av Onyx som består av nylon och kolfiber. 1.4 Rapportöversikt Arbetet blir uppdelat i fem faser som följer tillverkningsprocessen av additiv tillverkning så att den process som fastställs i arbetet får en tydlig och logisk följd. Uppdelningen är enligt följande: Fas 1 - Framtagning av materialdata Fas 2 - Implementation i beräkningsmodell Fas 3 - Konstruktion Fas 4 - Beräkning Fas 5 - Tillverkning och kvalitetssäkring , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 1, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 1, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 1 2 Bakgrund I detta kapitel presenteras den teori som låg till grunden för projektet. Kapitlets avsikt är att beskriva den relevanta kunskap som krävs för att ge en god uppfattning om rapportens resultat och diskussion. 2.1 Materiallära Material som idag används för additiv tillverkning är plaster och metaller. För att kunna ha goda förutsättningar för att förstå detta arbete bör man bekanta sig med platsernas och metallernas grund- läggande egenskaper. Därav detta stycke. För att skriva avsnittet användes kunskap från Materrilas: 2.1.1 Val av material Att välja rätt material kan vara svårt då det för tillfället beräknas finns över 200 tusen olika material att arbeta med. Det är dock mycket viktigt att välja rätt då materialet ofta har en avgörande roll för prestandan. Ta bilden 2.1 nedan som exempel. Figur 2.1: Reslutat av stavhopp i meter på x-axeln och tiden i på y-axel Bilden visar en graf över utvecklingen inom stavhopp över åren med årtalen på x-axeln och höjden i meter på y-axeln. Man kan se ett tydligt hopp kring 70-talet där resultaten plötsligt blir påfallande bättre, man kan även notera att utvecklingen blir snabbare därefter. Så vad var det som hände inom stavhopp kring 70-talet? Svaret till denna fråga finner vi inte genom att kika på atleterna själva utan när vi istället kollar på deras utrustning. 2 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX2 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX2 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX Fram till 70-talet använde sig de tävlande av stavar som var tillverkade av trä, bambu, stål och aluminium men på 70-talet slog ett relativt nytt material genom. Detta nya material hade hög E- modul, hög draghållfasthet och en låg vikt, vilket visade sig vara en stor fördel. Det nya materialet var glasfiber, med epoxi vilket i dagsläget är en välkänd högprestanda kompostit. Från exemplet ovan förstå att det är mycket viktigt att välja rätt material för en produkt. Den stora frågan blir då, hur ska man gå till väga för att välja just rätt material ? En rekommendation enligt är att följa en process med fyra steg. Kortfattat är stegen: 1. Översätt behovet I detta steg skriver man om behoven till mål, funktioner. begränsningar/kraven och fria variabler. 2. Screening I detta steg gör man en elimineringsmatris där man tar bort alla de material som inte uppfyller kraven. 3. Ranka I detta steg rankar man materialen med hjälp av de målen en satt upp i steg ett. 4. Sök dokumentation Vid det sista steget bör inte allt för många kandidater var kvar och tanken här är att ta fram så mycket dokumentation som möjligt för varje kandidat för att sedan kunna göra ett beslut. En mycket viktigt sak man inte får glömma vid val av materialval är även att ha i åtanke hur väl materialet är anpassat till den tillverkningsmetod som kommer att användas samt hur materialet kommer att påverkas av tillverkningsprocessen. I vårt fall var materialvalet gjort på så sätt att tillverkningsmetoden begränsar till att endast använda Onyx som material. 2.1.2 Framtagning av materialdata Materialdata kan delas upp i fyra områden: Generella Mekaniska Termiska Elektriska De generella är exempelvis densitet eller kostnad och dessa går oftast enkelt att slå upp i materialda- tabaser. Till de mekaniska materialdata hör materialets elasticitet, spänning, deformation, förmåga att ta upp energi, seghet, brottseghet, hårdhet mm. Med den termiska materialdata menas framför allt smältpunkt, försvinningspunkt samt expansionsko- efficienten även kallad för utvidgningskoefficienten samt värmeledningsförmågan. Med de elektriska egenskaperna syftar man på exempelvis elektrisk konduktivitet. Dessa kan mätas upp experimentellt som Tobias Bäckman gjorde i sitt arbete. Detta är dock både tids och resurskrävande och därför uppskattas standardvärden mycket. För metaller finns det förhållandevis bra data medans det ont om god data för platser som används vid additiv tillverkning.Antal Boldizar, 2008 2.1.3 Metaller De vanligaste materialet för 3D-printning är polymermaterial, dock finns det även en del additiv tillverkning som görs med metall. Därför tas detta korta stycke med i arbetet så att läsaren ska kunna bekanta sig med grundläggande egenskaper även hos metaller. Metaller är grundämnen med hög ledningsförmåga både för elektricitet och värme, de är lätta att forma, har generellt en hög densitet och glänser när de är polerade. , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 3, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 3, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 3 Metaller har använts av människan sedan bronsåldern som började 1700 f.Kr så det är inte överras- kande att det finns gott om standarder för dessa. Däremot saknas det ännu en del värden på hur dessa påverkas av utmattning. Jobbaren, 2019 2.1.4 Polymeramaterial Med polymermaterial menas härdplast, termoplast och elastomerer. Dessa är sega material som huvudsakligen består av långa kedjor av upprepade monomererpolymerere. Polymerer kallas ofta i vardagsspråk för plaster fast plaster är egentligen polymerer med adderade tillsatser som ger dessa önskade egenskaper. För nuvarande saknas allmänna erfraenheter omformade till industrin för polymermaterial. Figur 2.2: Polymerdeformation kurvan och utsträckningen av kedjorna Plaster har ett specifikt brottbeteende som bör beaktas om man ska arebeta med dessa. Som vi kan se från figur 2.2 ovan så har polymerer speciella egenskaper. Kurvan i den vänstra delen av bilden kan delasas upp i den elastiska delen, den plastisk även kallad för den flytande delen och den andra elastiska delen eller deformations hårdnande. Vid den första elastiska delen då materialet befinner sig under sträckgränsen beter sig materialet som en metall. Här är det enkelt att förutse hur materialet beter sig. Att materialet är elastiskt innebär att om man släpper på den pålagda spänningen kommer materialet att återvända till ursprungsformen utan någon kvarstående deformation. På en kemisk nivå är det trådarna i polymeren som sträcker ut sig från det nystan de befinner sig i. När dessa har sträckt ut sig helt kommer materialet in på den andra delen som kallas för den plastiska eller den flytande delen. Här blir det svårt att avgör hur materialet kommer att bete sig, det sägs att det “flyter”. Denna del är svår att räkna på då töjningen blir större medan spänningen i stort sätt är detsamma. 4 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX4 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX4 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX När alla kedjorna rätats ut och töjts ut maximalt kommer vi in i den andra elastiska delen. Här ökar spänningen mycket snabbt och slutligen går materialet av. Ytterligare ett viktigt avsnitt inom polymerer att ha kunskap kring är skillnaderna mellan Amorfa och Delkristallina. Denna skillnad är egentligen enklast att förklara med bilden 2.3 nedan. Figur 2.3: Strukturen av polymerkedjor hos amorfa vs semikristallin Från figur 2.3 syns det att de amorfa polymerer kedjor är ihopskrynklade utan någon ordning, medan de delkristallina även kallade för semikristallina är delvis ordnade. Det intressanta är hur detta upplägg av kedjorna påverkar egenskaperna hos materialet. Amorfa: De amorfa polymererna tål belastning bra, har en bra ytfinhet, är genomskinliga, de är styva upp till sin glastemperatur, mycket dimensionsstabila men hos dessa uppstår även lätt spänningssprickor. Exempel på Amorfa är: ABS - har god styvhet, mycket lättbearbetade, känsliga för UV-ljus, dessa används vanligtvis för bland annat kåpor, skyddshjälmar, kylskåp inredning mm. PMMA - även känd som plexiglas, dessa kan man tex finna som glasersättning, relativ billig och genomskinlig. Polykarbonat PC - mycket slagkraftig, tål höga temperaturer, känslig för metanol, utmattas lätt, och kan skapa spänningssprickor snabbt i kontakt med olja eller bensin. Semikristallina: De semikristalina polymererna är relativt styva, har en låg friktion, skevar lätt, har en stor form- krympning, bra dragtöjning och är inte genomskinliga. Exempel på semikristalina är: Polyacetal POM - dessa är relativ styva, bra mot utmattning, tar inte upp fukt men brinner häftigt, känslig för skarpa hörn, lättbearbetad. Används vanligtvis för kugghjul, remskivor, vattenmätare, pumphjul och finmekaniska detaljer. , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 5, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 5, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 5 Polyamid PA - styv vid höga temperaturer, låg friktion, lättsprutad, fungerar bra upp till 120 Celsius, spröd vid låga temperaturer. Används exempelvis till hushållsmaskiner, fibrer av olika slag, kugghjul, dörrhandtag mm. Polypropen PP - känslig för UV-ljus, spröd vid låga temperaturer, mycket kemiskt tålig och används därför ofta inom laboratorier och för att tillverka behållare för kemiska substanser. Nosslrac, 2019 2.1.5 Onyx Det material som detta arbete begränsas till är Onyx då det är detta material som man använder sig av vid additiv tillverkning på Deva Mecaneyes. Nedan visas en mikroskopbild, figur 2.4, på onyxfibren. Onyx är en blandning av flexibelt nylon och kolfiber som ger den en hög styvhet och är ett vanligt 3D-printer material. PLM-grup, 2019 Figur 2.4: Onyx fibren under mikroskåp 2.1.6 Tillverkning med plast De vanligaste tillverkningsmetoderna för plast är: Formsprutning Formsprutning är en av det mest använda tillverkningsmetoderna för plast i Sverige, denna används till termoplaster, härdplaster och elaster. Metoden kan användas för både semikristallina och amorfa plaster. Formsprutningsmaskiner består av sprutenhet och formblåsningenhet. Sprutenheten består av en upp- värmd cylinder och en roterande skruv. Formlåsningsenheten är stängd tills den fyllts med tillräckligt mycket smält plast och tillräckligt högt tryck har byggs upp och materialet stelnat. Det är viktigt att se till att hela formen är uppfylld och att den smälta plasten inte stelnar för fort då detta gör att plasten blir spröd. Gjutning Utan att gå in alltför mycket på detaljer kan gjutning kortfattat beskrivas som att hälla smältan i en form även kallad för kokill och låta den stelna utan trycksättning. Gjutning görs ofta med metaller men även en del härdplaster. Extrudering Extrudering eller strängpressning är användbar för föremål som har konstant tvärsnitt. Här pressas materialet genom ett munstycke även kallad matrisen. Matrisens utformning bestämmer detaljens geometri. Produkten som strängpressas är långa och har samma genomskärningsyta längst hela längden. 6 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX6 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX6 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 3D-print Själva händelseförloppen för 3D-print beskrivs utförligt nedan. Det som är viktigt att ha i åtanke är de mekaniska egenskaperna i detaljers olika riktningar. Lennart Hågeryd, 2001 ”3D-printing is actually a misnomer, It´s actually 2D-printing over and over again” – Joe DeSimone 2015 Beskrivningen given från Joe DeSimone är betänklig, det som idag kallas för 3D-printning är egentligen inte riktigt 3D-printing. Utan vanlig 2D-printade lager staplade på varandra. Detta är enkelt att se om i tillräcklig förstorning av strukturen av en 3D-printad detalj, se figur 2.5 nedan. Figur 2.5: Komponent där man ser den tydliga lager på lager uppbyggnaden 2.1.7 Standardisering Dragprovning används vanligen för framtagning av mekaniska egenskaper. För att ta fram material- data används ofta dragprover. För att dessa ska vara så lika varandra som möjligt bör det bestämmas vilken provstav som kommer att användas vid dragproverna, dvs processen bör standardiseras. Standardisering kom till för att underlätta och påskynda arbetet mellan olika företag och har visat sig vara mycket effekt och hjälpsamt för många företag. Standarder kan göras på flera olika aspekter så som dimensionering, material, metod som används, prestanda, beräkningar mm. Viktiga standarder organ är: ISO-standard, International Organization for Standardization EN, Europeiska Unionen SS, Svensk standard ASTM, American Society for Testing and Materials ASTM är den största nationella organisationen för framtagning av standarder, bland annat standarder att för till vid provtagningar. ASTM D 3039 - 17 och ASTM D638 - 14 är exempel på två standardprovstavar som ASTM tagit fram för att standardisera provstavar av plast. Dessa används till dragprovhjug av kompositer för förstärkta plaster har vistats D3039 och enbart plast för D 638. Detta arbete är begränsat till enbart plaster och därför kommer provstaven enligt D 683 standarden att användas.International, 2019 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 7, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 7, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 7 2.2 Hållfasthetslära I detta avsnitt går kort igenom några grundläggande termer och aspekter av hållfasthetsläran. Hållfasthetslära är läran om fasta kroppars beteande under mekanisk bearbetning och deformering. Alltså beskrives förhållandet mellan deformationen hos kroppar och de krafter som verkar på kroppen. Det finns fyra typer av deformation som grundläggande: Drag Tryck Skjuvning Böjning Dessa visas schematisk i fig 2.6. Figur 2.6: De fyra olika typerna av deformation. 2.2.1 Spänning och E-modul Spänning är ett grundläggande begrepp inom hållfasthetsläran defineras som kraften som kan tas upp av en viss area. Om materialets spänningsgräns överstigs kan brott uppstå. Man skiljer på spröda och sega brott. Vid sega brott kvarstår deformationen som skapades i materialet innan brottet medan det inte gör det vid spröda brott. Man kan se det som att vid spröda brott går objektet plötsligt av ", se fig 2.7 nedan. Dahlberg, 2001 Figur 2.7: Sprött och segt brott 8 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX8 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX8 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX Ett annat grundläggande begrepp inom hållfastheten är den så kallade E-modulen, som beskriver stybheten hos ett material. E-modulen är egentligen kvoten mellan spänningen och deformationen under den elastiska delen. Med den initialaelastiska delen av deformation menas deformation som sker under sträckgränsen. Under denna gräns återgår materialet till sin ursprungsform när belastningen tas bort. Över den gräns erhålls istället en kvarstående deformation. När material deformeras över sin sträckgräns kallas det för plastik deformering. Dahlberg, 2001 2.2.2 Viktiga samband Sambanden mellan spänningen i materialet och töjningen av det kan tas fram enligt spänningsdefini- tionen, där spänningen är kvoten mellan kraften och tvärsnittsarean: � = F A (2.1) Töjningen i materialet är sambandet mellan förlängningen och den ursprungliga längden. Där täljaren är förlängningen och nämnaren är ursprungslängden: e = � L0 (2.2) Sambandet mellan spänningen och töjningen i ett material kan för den elastiska delen (den linjära delen på drag kurvan) tas fram med E-modulen. Omman plottar spänningen på y-axeln och töjningen på x-axeln, dvs skapar ett spännings-töjningsdiagram kan E-modulen avläsas som den initiala lutningen, se fig 2.8 nedan. Figur 2.8: Spänningstöjningsdiagram Sambandet mellan spänning och töjning kallas även för Hookes lag, och från den defineras enligt: E = � " Töjning i material kan även uppstå på grund av ändring i temperaturen, denna töjning beräknas med utvidgningskoefficienten � är känd via: � = �ΔT Det är viktigt att ha i åtanke att deformationen i längdriktningen även ger deformation i tvärriktningen, dvs töjning i längdriktning ger upphov till töjning i tvärriktning. , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 9, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 9, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 9 Töjningen i tvärriktning är proportionell mot töjningen i längdriktningen. Denna proportionalitets- konstant kallas för tvärkontraktionstalet eller för Poissons tal, � och kan tas fram enligt: � = l−l0 l0 L−L0 L0 Täljaren är här den relativa ändringen i tjocklek och nämnaren är den relativa ändringen i längden. 2.2.3 Utmattning Utmattning innebär en lägre hållfasthet orsakad av upprepade mekaniska spänningar. Vid utmattning påverkas materialets elasticitet och sträckgräns. Materialets förmåga att motstå utmattning kallas utmattningshållfasthet och är ett mått på hur väl materialet står emot brott vid stort antal spänningsväxlingar. Man kan dela upp utmattningsbrott i tre steg. I steg ett uppstår den initiala sprickan, denna börjar ofta med en repa på ytan eller från en inre defekt. Under det andra steget växer sprickan för varje cykel komponenten utsätts för, man kan se hur sprickan har vuxit fram cykliskt, materialet är refflat, se fig 2.9 nedan. När sprickan växer sig tillräckligt stor uppstår ett plötsligt kastrofalbrott. Dahlberg, 2001 Figur 2.9: Refflat material där ett utmattningbrott skett Utmattningsbrott utgör 80% av maskinkonstruktionshaverier och ca 90% av alla brott i metall. MagnusA.Bot, 2019 Ett känt kastrofalbrott orsakad av utmattning är olyckan vid oljeplattformen Alexander Kielland i Ekofisk i Nordsjön, Norge. Här var det vågorna som orsakade utmattningen genom att cykliskt slå emot en av pelarna som oljeplattformen stod på. Den ursprungliga sprickan som sedan spreds under cyklisk inverkan skapades troligen redan då plattformen tillverkades. 10 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX10 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX10 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX I denna olycka orsakad av utmattningsbrott omkom 123 människor som arbetade på oljeplattfor- men.MagnusA.Bot, 2019 2.2.4 Dragprov I figur 2.10 nedan visas en dragprovskurva där x-axeln är deformationen och y-axeln visar spänningen. Dragspänningskurvan delas in i tre områden. Först är den linjära delen som visar sambandet mellan spänning och töjning. Lutningen på denna del är materialets E-modul.Denna del når sin höjd vid ReH vilket är den övre gränsen av sträckgränsen. Den andra delen är efter att ReH överskrids vilket resulterar i stora förändringar med avseende på deformation samtidigt som spänningen bevaras relativt lika. Den tredje och sista delen är den delen då kurvan börjar svänga nedåt trots att spänningen egentligen ökar, detta beror på att det uppstår en midjebildning i provstaven som orsakar att tvärsnittsarea minskar lokalt. Figur 2.10: Dragprov för metall som visar ingenjörsspänningen Nedan i figur 2.11 visas dragprover från tre olika plaster. Den gröna kurvan är från en fiberförstärkt plast som är styv och spröd. Sträckgränsen och brottgränsen inträffar vid samma punkt. Detta innebär att brott sker plötsligt utan att materialet ger någon visuell indikation på det. Den röda kurvan är från ett segare material där det finns en tydlig midjebildning. Den blåa kurvan är från det segaste materialet med lägst E-modul. Här finns en tydlig plasticering som leder till deformationshårdnande orskada av att molekylärna ordnas om vid plasticeringen. , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 11, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 11, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 11 Figur 2.11: Dragning av plaster med olika E-moduler 2.3 Konstuktion För förståelse av konstruktionsdelarna i denna rapport bör läsaren vara bekant med några grundläg- gande koncept inom konstruktion. Melkersson, 2017 2.3.1 Kraftflöde För att kunna skapa hållbara komponenter behövs en god uppfattningen om hur den kommer att belastas. Här kommer kunskapen om kraftflöde till användning. Kraftflöden och momentflöden är slutna händelsekedjor som uppstår pga att, varje verkande kraft framkallar en lika stor motriktad kraft. Detta innebär i kort att om en komponent utsätts för en kraft eller ett moment så skapas stödreaktioner i komponenten. Dessa skapar i sin tur krafter på nästa element som då får stödreaktioner på nästa o.s.v. Det finns inga generella metoder för att ta fram kraftflöde mer än ett tränat öga med förmågan att se kraftflödet genom en detalj eller en hel konstruktion. Nedan i figur 2.12 illustreras ett kraftflöde genom en nötknäppare. Melkersson, 2017 Figur 2.12: Kraftflödet hos en nötknäppare 12 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX12 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX12 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 2.3.2 Dimensioneringskriterier För att kunna sätta dimensioner på detaljer krävs det mer än endast de siffervärden man får från från de teoretiska modellerna. Det krävs en del objektiva kriterier såsom överskridande av brottgräns, utmattningsgräns, stabilitetsgräns. 2.3.3 Spänningskoncentration Spänningskoncentrationen innebär att spänningen koncentreras kring ett visst ställe ovh har ofta en stor inverkan på detaljens hållfasthet. Spänningskoncentrationsfaktorn eller formfaktorn förkortas ofta med Kt och är tabellerad för olika geometrier i de flesta formelsamlingarna finns deaa angivna. Generellt eftersträvas så stora radier som möjligt och skarpa invändiga hörn undviks eftersom de högsta spänningskonentationerna lätt uppstår där, se figur 2.13. Figur 2.13: Spänningskoncentation linjer vid stora och små radier 2.4 Additiv tillverkning Additiv tillverkning är den tillverkningsmetod där tredimensionella föremål skapas genom att gradvis lägga till material. Additiv tillverkning kallas ofta 3D-printing. Additiv tillverkning kan utföras på olika sätt och kategoriseras upp, det gemensamma samlingsnamnet är Additive Manufacturing och förkortas ofta bara till AM. Ytterligare ett samlingsnamn är Freeform fabrication eller förkortat FFF. Trots att processerna för AM kan variera något har alla gemensamma steg. Dessa är visade pedagogiskt i figur 2.14Gibson, 2014 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 13, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 13, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 13 Figur 2.14: Processen för tillverkning av 3D-printade objekt Konceptframtagning Här gäller det att ta beslut om utseende och funktionen för en produkt. Konceptframtagning kan se ut på många olika sätt, allt från beskrivningar till skisser men för att kunna använda sig av AM behövs det en digital-modell. Denna skapas ofta i CAD. Konvertering till STL/AMF Konvertering till STL innebär att göra om modellen till en enklare modell än i CAD, man tar bort all konstruktions och modelldata sedan approximeras ytan med ett triangulärt mönster. De flesta CAD programmen har idag en direkt översättning till STL-fil men en del problematik uppstår då CAD-programmet vill rätta till felen som att det saknas material. Vilket inte är fel enligt STL-filen. En STL-fil är egentligen endast en samling av trianglar och normalvektorer. För att undvika dessa problem har AMF(Additive Manufacturing File) tagits fram som numera är standard att använda sig av. Arbeta med STL/AMF Manipulering av STL/AMF filen behövs de flesta AM-maskinerna har verktyg som tillåter användaren att manipulera den parten som ska byggas genom att exempelvis orientera parten annorlunda eller variera mängden av stödmaterial. Maskinställningar I detta steg ställs AM-maskinen in genom att välja inställningsparametrar såsom materialval, skikt- tjocklek mm. Byggprocess När alla inställningar i föregående steg är färdiga påbörjas uppbyggnaden och parten byggs i verklig- heten. Det första skiktet byggs på plattan som sedan rör sig sakta neråt och nästa skikt byggs på det föregående och så stegvis till hela parten är klar. Friläggning När parten är färdig ska den tas bort från plattan den byggts på, detta görs oftast manuellt och parten 14 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX14 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX14 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX kan skadas om detta steg utförs slarvigt. Efterbehandling Den tillverkade parten behöver oftast efterbehandlas för att få önskade egenskaper. Efterbehandlingen kan innebära slipning, polering och värmebehandling. Användning Här kommer den stora problematiken med AM-tillverkade produkter. Produkter tillverkade i samma material via traditionella tillverkningsmetoder har med sig en beprövad materialstandard medan AM-tillverkade produkter saknar denna standardisering vilket troligtvis är en av anledningarna till att AM-tillverkade komponenter för det mesta endast används som prototyper. Gibson, 2014 2.4.1 Inställningar Tabellen nedan är en kort sammanfattning av de vanligaste inställningarna man bör ha kännedom kring om man ska arbeta med 3D-printing: Engelska namnet Översättningen Beskrivning Rekommendationer Layer Height Lagerhöjd Höjden på skikten Ju tunnare desto finare detalj Shell Thickness Väggtjocklek Antal lager i väggen Ju tjockare desto ro- bustare detalj Retraction Indragning Bestämmer hur myc- ket munstycket dras in Fel inställning kan or- saka trådning, se riska- nalys Fill Density Fyllningsgraden Anges i procent och ta- lar om fyllnadsgraden av detaljen (100% = helt fylld) Generellt starkare med högre fyllnadsgrad Printing Speed Utskriftshastigheten Hur snabbt skrivhuvu- det färdas Mera detaljerade detal- jer behöver lägre has- tighet Bottom/Top Thickness Botten och topptjockle- ken Antal topp och botten- lager Tjockare botten ger mera stabilitet, tjocka- re topp minskar risken för pillowing" Spiralize Utslätning av Z-ärren Vid skarpa hörn kan Z- ärr eller dragkedja-ärr skapas Se till att aktivera den- na om detaljen som till- verkas innehåller skar- pa hörn Tabell 2.1: Sammanfattning av de vanligaste inställningarna hos 3D-printer 2.4.2 Vanliga fel för 3D-printade detaljer Vissa fel uppstår oftare än andra vid 3D-printning, här nedan tas tre vanliga fel upp. Dessa kan uppstå var för sig eller tillsammans på en och samma komponent som i fallet nedan. Pillowing - orsakas ofta av att det översta lagret är för tunt och ser ut som små kuddar mellan skikten , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 15, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 15, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 15 2.15. Figur 2.15: Pillowing Trådning - orsakas ofta av att det finns en viss läckning från munstycket och kan åtgärdas med ökad indragning 2.16 Figur 2.16: Trådning Cracking/Bristning - orsakas ofta av att skikten inte fäster i varandra ordentligt och kan förbättras med ökad temperatur 2.17. 16 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX16 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX16 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX Figur 2.17: Bristning 2.5 Nuläget Idag finns det flertalet användningsområden för AM såsom snabb prototyptillverkning, produkt- utveckling, medicinsk 3D-print, tillverkning av kläder och även konst. Nordamerika och Europa är världsledande inom 3D teknologier idag, men även Japan använder sig mycket av denna teknologin. 2.6 FMEA FMEA är kort för Fail Models and Effects analysis eller på svenska feleffektsanalys. Detta är en metod som många företag använder sig av för att på ett systematisk sätt kunna förutse möjliga fel och utvärdera dess konsekvenser. En FMEA analys bör utföras i grupp med deltagare från olika områden. Analysen genomförs genom att en blankett/datablad fylls i eller genom att man använder sig av FMEA-programvaror. Det senare är dock för väldigt komplexa riskanalyser. I denna rapport kommer en förberedd excel-fil att fyllas i. Per Linstetedt, 2003 3 Metod I detta kapitel redogörs arbetsgången för arbetet och metoden granskas för att ge förståelse i den genomförda processens utformning. Avsnittets syfte är att ge svar på hur genomförandet utformats samt varför det har utformades på det viset. , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 17, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 17, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 17 3.1 Framtagninga av Materildata Inför denna del träffades styrgruppen med studenten och pratade ihop sig om vilka delar som bör finnas med i processen för framtagning av materialdata för att kunna kvalitetssäkra additivt tillverkade komponenter. Man kom fram till att ett datablad bör skapas där all relevant fakta skulle stå med. I denna del av arbetet var målet att ta fram ett sådant datablad. 3.1.1 Frågeställningen Frågeställningen här blir: Vilka materialprover behöver utföras för att kunna säkra kvaliteten för en komponent tillverkad via additiv tillverkning i en Markforged Mark Two skrivare? 3.1.2 Printerinställningar Inställningarna på printern blir högst avgörande för komponentens slutgiltiga hållfasthet, därav bör dessa tas med i databladet som skapas för framtagning av materialdata. Dom relevanta printinställningarna för denna rapport som avgränsas till Markforged Mark Two skrivaren är: Fyllningsmönster Fyllningsdensitet Väggtjockleken Topp och bottenplattans tjocklek Lagerhöjden Hur dessa ställs in vid print av provstaven som kommer att användas för framtagning av mate- rialdatan finns angivet i databladet under resultat samt i appenix A. Det ansåg även viktigt att specificera hur provstaven är uppställd på plattan, därav kommer databladet innehålla en figur på hur provstaven ska vara uppställd. 3.1.3 Provstav Det beslöts använda provkropp enligt D638 - 14 TYP IV enligt ASTM standard, se figur 3.1. Just denna provstav valdes av två anledningar. Den första anledningen blev att det enligt ASTM- standarden anses vara bra vid jämförande av bland annat styvheten hos olika material The Type IV specimen is generally used when direct comparison are required between materials in different rigidity cases.” (ASTM International, 2018) Den andra anledningen var att det just var denna typ som Tobias Bäckman använde sig av i sitt arbete och han ansåg att den fungerade väl. 18 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX18 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX18 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX Figur 3.1: Provstav D638 TYP IV enligt ASTM-standard 3.1.4 Tillvekningsförhållanden Luftfuktighet och temperatur i rummet där 3D-printern sitter kan påverka materialdatan. Detta beror på att dessa påverkar hur snabbt och väl lagren binder varandra. Därför ansågs det viktigt att dessa skulle antecknas vid tillverkningen av provstavar som ska användas till framtagningen av materialda- tan. För att kunna avläsa dessa införskaffas en temperatur och luftfuktmätare som placerades vid 3D- printern. Figuren 3.2 nedan visar den uppställningen som Tobias Bäckman använde sig av då han utförde sina prover på Deva Mecaneyes. För att få en idé om vilka värden man bör ligga kring frågades man Fredrik Finnberg som är VD på Digital Mechanics, Västerås. , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 19, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 19, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 19 Figur 3.2: Anordningen som användes av företaget tidigare för kontroll av temperaturen och luftfuk- tighete 3.1.5 Teoretiska egenskaperna Med de teoretiska egenskaperna menas värden som finns tillgängliga på förhand. De teoretiska egenskaperna som ansågs behövas blev: ⋅Utvidgningskoefficienten ⋅Andel kolfiber i onyx ⋅Smältpunkten ⋅Teoretiska E-modulen ⋅Poissons tal Utvigningskoefficenten Då inga pålitliga värden för utvidgning av onyx kunde hittas bestämdes det att dessa skulle tas fram experimentellt. En kloss på 100 mm x 100mm x 10 mm tillverkades med Markforged Mark Two i Onyx materialet med fyllnadsgraden 100%. Denna placerades i en frys med -20 C över en natt sedan plockades klossen fram och längden mättes i två riktningar. Normalt med fibrer och parallellt med fibern för att se om utvidgningen var densamma i båda riktningar. Sedan placerades denna i en ugn med +80 C och mättes igen strax efter den togs ut på samma sätt som ovan. Slutligen lät klossen kylas ner till rumstemperatur och en sista mätning utfördes. En IR-termometer användes för att mäta temperaturen på klossen, dock gjordes detta endast för den sista mätningen. I figur 3.3 nedan ses klossen och IR-mätaren. Alternativt hade dilatometer kunnat användas. 20 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX20 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX20 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX Figur 3.3: Bild på Onyxkuben och IR-mätaren De uppmätta värdena och ekvation 3.1 användes sedan för att beräkna utvidgningskoefficienten. Denna finns under resultat. � = Δl l1 ∗ ΔT (3.1) Andel kolfiber i Onyx Det ansåg vara relevant att ta fram andelen av kolfiber i Onyx. Detta med motivationen att det bör ha en inverkan på de teoretiska värden för materialet. Det visade sig att detta blev en utmaning då tillverkaren av materialet inte ville ge denna information. Istället användes klossen som printats för framtagning av utvidgningskoefficient. Klossen vägdes och densiteten kunde tas fram då volymen för denna var känd. Denisiteten för Onyx jämnfördes sedan men denisiteten för rent Nylon och densiteten för rent kolfiber. Med hjälp av ROM kunde andelen kolfiber i Onyx räknas fram. De framräknade värdena finns under resultaten. Smältpunkten Eftersom det endast är nylonet i Onyx som smälter medan kolfibet i Onyx hackas upp antogs Onyx smältpunkt till samma som Nylon, PA 6,6 vilken ligger på kring 255C. Eftersom detta teoretiska värdet visade sig vara mycket högre än arbetstemperaturen ansågs det inte relevant att ta fram det riktiga värdet. Teoretisk E-modul Anledningen att ta fram ett teoretisk värde för E-modul är egentligen bara för att ha det som referens- värde. Det fanns ett angivet teoretisk värde att hämta från Markforged, tillverkren av printer. För detta värden finns dock ingen riktning angiven vilket tyvärr gjorde att det i praktiken inte är speciellt användbara. Poissons tal Denna antas vara samma för nylon och för blandningen av nylon och kolfiber, Onyx. Därav används standardvärdet på 0.3. , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 21, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 21, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 21 3.1.6 De framtagna värdena Då syftet med denna rapport är att ta fram process som bör följas för att kunna kvalitetssäkra 3D- printade komponenter kommer det inte att tas fram några konkreta värden. Däremot kommer det att fastställas vilka värden som bör vara med. Genom en gruppdiskussion kom man fram till att följande värden ska finnas med: Sträckgränsen i xy samt z-riktningen Brottgräns i xy samt z-riktningen Antal cykler innan brott i xy samt i z-riktningen Dessa värden bör tas fram för tre olika temperaturer -20 C, + 20 C och + 40 C. Detta för att undersöka om materialet beter sig annorlunda vid varierande temperatur. Att utföra dragprover på - 20 C samt vid + 40 C kommer troligtvis att blir en utmaning. Här rekommenderar Johan Ahlström, professor vid Institutionen för materialvetenskap på Chalmers, att man tar hjälp av Research Institute of Sweden, förkortat RISE i Borås om dessa prover ska utföras. 3.2 Implementering i beräkningsmodellen Detta stycke beskriver hur den framtagna materialdatan ska behandlas. Även för denna del kommer en riskanalys att utföras där eventuella osäkerheter tas upp. 3.2.1 Frågeställning Frågeställningen här blir: Hur bör den erhållna materildatan behandlas? 3.2.2 Materialdata och dess behandling För att bestämma vilken materialdata som kommer att tas fram användes först och främst resultaten från “Framtagning av materialdata”. För att bestämma hur denna skulle behandlas tog studenten hjälp från kunskaper från kursen Matematisk Statistik. Blomqvist, 2002 3.3 Konstruktion I denna del behandlas de metoder som användes för att ta fram en enklare konstruktionsguide samt metoden för bestämde av vad som bör finnas med på tillverkningsunderlaget. 3.3.1 Frågeställning Frågeställningen här blir: Vad kan vara bra att tänka på vid konstruerar av komponenter som ska tillverkas med Markforged Mark Two printer och vad bör finnas med på tillverkningunderlaget? 3.3.2 Konstruktionsguiden Denna delades upp i två delar: - Del 1 av konstruktionsguiden som omfattar rekommendationer utifrån hållfasthet och materialläran -Del 2 av konstruktionsguiden som omfattar rekommendationer utifrån de begränsningar som finns 22 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX22 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX22 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX utifrån 3D-printern. Del 1 För att skriva denna del användes tidigare kunskap från hållfasthet och materialteknik-kurserna. Det som användes var tåga teorin samt att en enkel jämförelse gjordes kring spänningskoncentationen vid ändringen på formen. De enkla FEM-modeller jämnfördes i Solid Works, 2016. 3.3.3 Del 2 För att skriva denna del användes Markforged hemsida där man kunde finna en hel del hjälpsam information till hur skrivaren är begränsad. Utöver de begränsningarna som fanns angivna på hemsidan hade Deva Mecaneyes tidigare stött på en del problem med sina konstruktioner. Främst pågrund av att stödmaterial lagts till på oönskat vis. Ytterligare ett problem som noterats av var att hål krymper. 3.3.4 Spänningskoncentationen Redan i teoriavsnittet gick förklarades det att spänningskoncentrationen uppstod vid skapa hörn. För att testa hur detta påverkar additivt tillverkade komponenter skapdes två enkla FEM-modeller. Modellerna gjordes enligt ritningarna 3.4 och 3.5 nedan, som material valdes Nylon 6 då Onyx inte fanns i SolidWorks 2016. Den ena sidan av modellen sattes fast och en andra drogs med en jämnt fördelad kraft på 1000 N. Figur 3.4: Modell A , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 23, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 23, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 23 Figur 3.5: Modell B 3.3.5 Storlek på komponent På mötet med styrgruppen diskuterades storleken på komponenten. Både maximala storleken och minimala storleken en komponenten kan ha. För att ta fram dessa användes rekommendationer från tillverkaren för printern. 3.3.6 Stödmaterial Som nämnt ovan orsakar oönskad stödmaterial problem vid konstruktion. För att kunna lösa detta problem bestämdes behövde det först hittas vid vilken vinkel som stödmaterial läggs till. För att göra detta skapades en “trappa” med varierande lutning på trappstegen, se figur 3.6. Denna lutning döptes till “fria vinkel”. Lutningen börja från 90 graders och arbeta sig neråt från det för att finna den minsta möjliga “fria vinkel”. Figur 3.7 nedan visar en enkel skiss av vad som menas med den fria vinkeln. Figur 3.6: Bild på trappan med de olika vinklarna 24 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX24 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX24 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX Figur 3.7: Illustration över vad som menas med fria vinkeln Oönskat stödmaterial orsakar framför allt problem vid konstruktion av hål, då det täpper igen hålen. Därför testades fem olika geometrier som kan användas för att göra hål, se figur 3.8. Figur 3.8: Fem hål med olika geometri 3.3.7 Krympande hål Ytterligare en sak att tänka på vid konstruktion av hål är att de tenderar att krympa, speciellt stående hål. För att undersöka detta gjordes en kub med fem olika olika stora hål, se figur 3.9. Som ett första prov mättes den riktiga storleken på hålen efter att de hade printats och fått svalna. Dessa mätningar gjordes av studenten med hjälp av ett digitalt skjuvmått med två decimalers noggrannhet. Sedan användes en vanlig cylinderstav på 5 mm med en tolerans på +0.004/ +0.0012. Med hjälp av denna undersöktes istället passformen för de olika storlekarna. , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 25, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 25, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 25 Figur 3.9: Fem hål med olika geometri 3.3.8 Tillverkningsunderlag För att kunna få en hållbar komponent behövs ett bra tillverkningsunderlag. Under resultaten nedan sammanfattas vad den bör innehålla. Vad den bör innehålla kom man fram till genom diskussion med styrgruppen. 3.4 Beräkningar Vid detta stycke kommer en beräkningsguide att tas fram där det redogörs hur beräkningarna ska genomföras och rapporteras baserat på den befintliga materialdatan och tillverkningsunderlag. 3.4.1 Frågeställningen Frågeställningen här blir: Hur används den framtagna materildatan och informationen från tillverkningsunderlag för att utföra beräkningar för komponenten ? 3.4.2 Beräkningsmetod För att utföra hållfasthetsberäkningar används de flesta ingenjörer idag av något FEM-program. Deva Mecaneyes använder sig av NX. Under resultatdelen kommer det att behandlas hur materialdatan och tillverkningsunderlaget kommer till användning vid beräkningar med FEM-programet NX. 3.5 Tillverkning och Kvalitetssäkring I detta avsnitt definieras hur beredning av print-jobb ska genomföras baserat på tillverkningsunderlag samt hur kvalitetssäkring av tillverkning ska genomföras. En mall tas fram på kvalitetssäkringsdoku- ment där ovan nämnt ska dokumenteras och arkiveras/lämnas till kund tillsammans med komponent. 26 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX26 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX26 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 3.5.1 Frågeställningen Frågeställningen här blir: Hur går det till när en additiv tillverkad komponent ska tillvekas i en Mark Two printer och hur kvalitetssäkras denna tillverkning? 3.5.2 Tillverkning och kontroll av tillverkning För att enklast beskriva hur ett print-jobb går till skapades en lathund för printjobbet, se bilaga C. Genom diskution med styrgupp bestämdes det att kvalitetssäkring av tillverkningen bör sker dels genom kontrollerar av tillverkningsförhållanden innan printjobbet och dels genom att kontroll av hållfastheten hos materialet efter printjobbet. 3.6 Riskanlys Riskanalysen för processen gjordes enligt FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) och finns som bilaga E. 4 Resultat I detta kapitel Bäckman, 2018 redovisas resultatet av de utförda metoderna i föregående kapitel. Kapitlet är uppdelat i sex delar på samma sätt som metoddelen. 4.1 Framtagning av materialdata Målet för denna del var att besvara frågan: Vilka materialprover behöver utföras för att kunna säkra kvaliteten för en komponent tillverkad via additiv tillverkning i en Markforged Mark Two skrivare? 4.1.1 Printerinställningar och orientering av provstaven För att göra komponenten så stark som möjligt valdes följande inställningar. Fyllningsmönster Solid Fyllnadsdensitet 100 % Väggtjocklek Solid Botten och topp tjocklek Solid Lagerhöjd 0,1 Tabell 4.1: Förbestämda inställningarna som provstaven ska printas med , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 27, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 27, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 27 Orienteringen av provstaven Eftersom materialdata önskas i både XY- och Z-led måste dragprovstavar tillverkas med två olika orienteringar. Liggandes enligt bild 4.1b för XY-led och stående enligt bild 4.1a för Z-led. På så sätt kan hållfastheten testas både mellan lagren (Z-led) och i själva fibern (XY-led). (a) Provstav stående, dras i Z-led (b) Provstav liggandes, dras i XY-led Figur 4.1: Provstavarnas orientering För att kunna printa provbiten och testa hållfastheten mellan lagren (Z-led) utan att provbiten böjs rekommenderas det att flera provstavar printas stående samtidigt med stöd mellan dem, se figur 4.2. Figur 4.2: Anordningen av stående provstavar 4.1.2 Tillverkningsförhållanden Rekommenderade tillverkningsförhållanden enligt nedan: Luftfuktighet 60 % Rumstemperatur vid print 20 grader Tabell 4.2: Rekommenderade tillverkingsförhållanden 4.1.3 Teoretiska egenskaper De teoretiska egenskaperna kan urläsas från figuren nedan. 4.3. 28 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX28 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX28 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX Figur 4.3: De teoretiska egenskaperna Utvidgningskoefficienten Utvidgningskoefficienten för de två olika riktningar visas i tabell 4.3 nedan. 80 C 23 C -20 C Utvidgningskoefficenten Parallellt 100,63 [mm] 99,75 [mm] 99,25 [mm] 154 [�m/C] Normalt 99,75 [mm] 99,60 [mm] 99,50 [mm] 27 [�m/C] Tabell 4.3: Utvidgningskoefficientstabell Den så kallade normalriktningen anger utvidgning mellan lagren medan den parallella anger utvidgningen av själva Onyxfibern. Grafen 4.4 nedan visar hur längden ändras med stigande temperatur i de två riktningarna. , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 29, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 29, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 29 Figur 4.4: Graf som visar den parallella utvidgningen jämnfört med utvidgningen i normalled Andel kolfiber Som nämnt ovan i metodavsnittet ansågs det vara viktigt att ta reda på andelen kolfiber i Onyx, resultatet presenteras nedan. 4.4. Andel kolfiber i Onyx [%] Med den densiteten man själv tagit fram 18 % Tabell 4.4: Andel kolfiber i Onyx 4.1.4 Databladet Fullständiga materiladatabladet finns som appendix A. 4.2 Implementation i beräkningsmodell Här kommer resultaten att redovisas för hur materialdatan ska behandlas. Frågan som strävas efter att besvara här är: Hur bör den erhållna materildatan behandlas? 4.2.1 Behandling av materialdatan Med materialdatan menas de värden som tagits fram i föregående avsnitt. Enligt Blomqvist, 2002 ger flera försök säkrare resultat och det bör, av denna anledning, strävas efter att ha så många försök som möjligt. Åt andra sidan vet vi att ökat antal försök innebär ökade kostnader. Med detta i åtanke bör det genomföras tio försök för följande prover: ⋅ Sträckgräns i xy-riktning 30 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX30 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX30 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX ⋅ Sträckgräns i z-riktning ⋅ Brottgräns i xy-riktning ⋅ Brottgräns i xy-riktning ⋅ Framtagen E-modul för xy-riktning ⋅ Framtagen E-modul för z-riktning ⋅ Antal cykler för halva sträckgränsen i xy-riktning ⋅ Antal cykler för halva sträckgränsen i z-riktning ⋅ Skjuvmodul i xy-riktning ⋅ Skjuvmodul i z-riktning Samtliga försök ska utföras med dragprover och avläsning av dragprovskurvor fylls i den förberedda excelfilen B. Från denna erhålls då följande värden: ⋅ Maxvärdet ⋅ Minimivärdet ⋅ Medelvärdet ⋅ Standardavvikelsen Dessa tas fram för tre olika temperaturer och tabell 4.5 nedan kan fyllas i: , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 31, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 31, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 31 Medelvärde -20 C Medelvärde 20 C Medelvärde 40 C Standardav- vikelsen -20 C Standardav- vikelsen 20 C Standardav- vikelsen 40 C Sträckgräns XY Sträckgräns Z Brottgräns XY Brottgräns Z E-modul XY E-modul Z G-modul XY G-modul Z Antal cykler in- nan brott för hal- va sträckgränsen XY-led Antal cykler in- nan brott z för halva sträckgrän- sen Z-led Tabell 4.5: Tabellen där materialparametrarna ska fyllas i 4.3 Konstruktion Detta stycke delas upp i två huvuddelar, Konstruktionsguiden och Tillverkningsunderlag. Dessa delar är tänkta att tillsammans besvarat frågan: Vad kan vara bra att tänka på vid konstruerar av komponenter som ska tillverkas med Markforged Mark Two printer och vad bör finnas med på tillverkningunderlaget? 4.3.1 Konstruktionsguiden Vid denna del ska en enkel konstruktionsguide tas fram med exempel på bra/dålig konstruktion av komponenter som tillverkas via additiv tillverkning och vad som är viktigt att tänka på. Som vi nämnde tidigare i metodavsnittet så kommer konstruktionsguiden att delas upp i två delar beroende på vad som begränsar konstruktionen. 32 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX32 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX32 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 4.3.2 Konstruktionsguiden del 1 I denna del undersöks hur formen av komponenten kan påverka spänningskoncentrationen samt tåga-teorin. Spänningskoncentration Det skapades två FEM-modeller som kunde användas för att undersöka på hur spänningen påverkas, ritningen för dessa finns under metoden. Vi kallar den modellen med 90 graders lutning för modell A och modellen med mjuka kanter för modell B. Figur 4.5: Von Mises spänning över modell A , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 33, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 33, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 33 Figur 4.6: Von Mises spänning över modell B Modell Högsta V.M spänning Modell A 92 MPa Modell B 87 MPa Tabell 4.6: Sammanfattningstabell över maximala Von Mises spänningen för de två modellerna Ur tabell 4.6 ovan kan en skillnad på 495 kPa utläsas mellan modellerna dvs den maximala spänningen minskar med ca 500 kPa av att endast mjuka till hörnen. Det kan sägas att kraften sprids ut jämnare vid mjukare kanter än vid skarpa hörn, vilket resulterar i att den högsta spänningen blir betydligt lägre hos modellen med mjuka hörn. Detta bör betraktas vid konstruktion av komponenter. Det är extra viktigt att undvika skarpa hörn i z-led vid additiv tillverkning, anledningen till detta beskriv nedan. Tåga Faktum är att lager på lager uppbyggnaden försämrar detaljens hållfasthet betydligt vilket kan förstås av svaghet i sammanflytning. Hållfastheten är därmed alltid högre i själva materialet jämnförts med emellan lagren. Om bild 4.7 observeras inses det ganska snabbt att det behövs en betydligt större kraft Fx för att dra isärkomponenten än Fy.Detta beror på att detaljen hålls fast av materialets egna bindningar i x-led, medan det endast hålls fast av limmet mellan lagren i y-led. 34 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX34 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX34 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX Figur 4.7: Illustrering över krafterna som drar i komponenten När 3D-komponenter ska tillverkas är det viktigt att se över hur krafterna kommer att verka på komponenten och försöka tillverka vända komponenten så att den kan hålla emot i den riktning som konstruktionen kräver. Figur 4.8: Tre sätt att orientera en och samma komponent som ger den olika hållfasthet Bild 4.8 visar tre krokar som alla ska hålla emot lasten F enligt bilden. Även om alla krokarna är gjorda i samma material och tillverkade med samma 3D-printer kommer de att ha olika hållfasthet. Varken krok A eller B kan vöntas hålla emot lasten F speciellt bra, då komponenten kommer att “rivas” av mellan lagren under lasten. , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 35, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 35, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 35 Fall C håller betydligt bättre. I fall C tas kraften upp av bindningarna i själva materialet och inte av avgränsskiktet mellan plattorna, detta är tåga. Komponenter som tillvekas med additiv tillverkning bör tillverkas så att tåga finns i material. 4.3.3 Konstruktionsguide del 2 I denna del undersöks begränsningar utifrån Markforged Mark Two printern. Storlek på komponent Enligt rekommendationer från tillverkaren av Markforged Mark Two är den maximala storleken för en detalj: 320 mm i X-led 132 mm i Y-led 154 mm i Z-led Med riktningarna enligt bild 4.9. Figur 4.9: Riktningar i modell illustrerade över printbädden Den minsta storleken enligt samma referens som ovan och orienteringen enligt bild 4.9: 1,6 mm i X-led 1,3 mm i Y-led 0,8 mm i Z-led Minsta rekommenderade hålstorlek är 1.5 mm i XY-led och 1 mm i Z-led med orientering enligt bild 4.10 nedan. Om hålen är mindre finns risken att de fylls. Figur 4.10: Riktningar i modellen illustrerade på komponenten 36 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX36 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX36 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX Fria vinkeln Här är resultaten från att ha provat sig fram till den minsta vinkeln som en komponent kan ha utan att kräva stödmateril. Se tabellerna 4.7, 4.8 och 4.9 nedan för resultat. Vinkeln Stödmaterial behövs 90 nej 80 nej 70 nej 60 nej 50 nej 40 ja Tabell 4.7: Första tabellen där minsta möljiga fria vinkeln söktes Vinkeln Stödmaterial behövs 50 nej 45 nej 40 ja Tabell 4.8: Andra tabellen där minsta möljiga fria vinkeln söktes Vinkeln Stödmaterial behövs 45 nej 44 ja Tabell 4.9: Tredje tabellen där minsta fria vinkeln söktes Det visade sig att 45 grader är den minsta fria vinkel. Konstruktion av hål Som nämnt i metoddelen provades två olika aspekter för konstruktion av hål. Den första var att prova olika geomentrier för att undersöka när stödmateril behövs vid stående hål. Den andra att kolla på krympning hos liggande hål. Liggande hål och deras geometri De former som klarade sig utan stödmaterial blev de som inte behövde ha en mindre frivinkel än 45 grader,se bilderna 4.11 och 4.12 nedan. , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 37, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 37, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 37 Figur 4.11: Fem hål med olika geometri Figur 4.12: Ovanifrån i 2D syns tydligt att stödmaterial behövs. Stående hål Stående hål kan vara ett bra alternativ om den geometriska formen inte kan ändras, dock uppstår det problem med att stående hål krymper. Här nedan finns två tabeller som visar på hur hålet krymper. Angivet mått Faktiskt mått Skillnad Skillnad i % 5 mm 4,57 mm 0,43 mm 8,6 5,15 mm 5,08 mm 0,7 mm 13,59 5,10 mm 4,74 mm 0,63 mm 12,35 5,05 mm 4,65 mm 0,4 mm 7,92 4,95 mm 4,62 mm 0,33 mm 6,66 Tabell 4.10: Skillnaden i procent mellan angivna mått och de faktiska måtten Från tabell 4.10 ovan kan vi konstatera att hålen krymper och de verkar krympa ca 10 % till 15 %. Flera prover bör dock utföras för att kunna dra en slutgiltig slutsats om hur mycket dem krymper. Värden från tabell 4.10 ovan är varken pålitliga eller speciellt användbara i praktiken. Ett passningprov 38 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX38 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX38 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX med en cylindrisk stav valdes därför att utföras då detta är betydligt mer användbart i verkligheten. Den cylindriska staven som användes för att prova passformen mättes upp till 5 mm med en tolerans på +0.004/ +0.0012. I tabell 4.11 nedan finns passformen för de olika hålen angivet. Angivet mått på hålet Passform 5 mm Lätt drivpassning 5,15 mm Löpande spel 5,10 mm Lätt löpande passning 5,05 mm Sugpassning 4,95 mm Presspassning Tabell 4.11: Passningstabell Orientering av komponent När materialet stelnar har det en tendens att dras ihop något, krympning. Detta kan leder till att materialet släpper från plattan och att kanterna viks uppåt. För att undvika detta bör först och främst komponenten alltid limma fast. Yttligare en sak som kan hjälpa mot att komponenten släpper är att den orienterats rätt. Figur 4.13: Orientering A , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 39, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 39, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 39 Figur 4.14: Orientering B Bilderna 4.13 och 4.14 visar samma komponent men vänd på två olika sätt innan print. Variant A är att föredra då denna har mindre sannolikhet att släppa från plattan. Både för att den har en större yta som fäster vid plattan men framför allt för att det är en mindre kraft som drar upp den. 4.3.4 Tillverkningsunderlag Tillverkningunderlag bör som minst innehålla följande: 1. Namn på komponent 2. Till vilket projekt komponenten görs 3. Person/er som ritat den 4. Person/er som godkänt ritningen 5. Last (typ av last och dess storlek) 6. Randvillkoren (fixering i x,y och z led) 7. Ifylld tillverkingsruta 8. Bild på orienteringen innan print Exempel på tillverkingsunderlag till “Sashas Triangel” 40 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX40 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX40 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 4.4 Beräkning Vid denna del ska följande fråga besvaras: Hur används den framtagna materildatan och informationen från tillverkningsunderlag för att utföra beräkningar för komponenten ? 4.4.1 Implementering av materialdata och tillverkningsunderlaget vid beräkningar Oavsett vilket beräkningsprogram som används är upplägget enligt följande . Programmet tar in en STEP eller Parasolid fil och denna 3D modellen bryts ner i finita element, detta kallas för att skapa en mesh. Vid nästa steg tillsätta materialegenskaper, här kommer materialdatan som tidigare tagits fram till användning. Då Onyx är ett ortotropt material kräver beräkningsprogrammet att två av tre parametrar fylldes i för att materialet ska kunna definieras. De tre parametrarna är E-modul, Poissons tal och G-modul. För materialet Onyx antas E-modulen och därmed även G-modulen vara detsamma för x och y riktningen. Medan E-modulen och G-modulen för z-led antas vara annorlunda, se bild 4.15. , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 41, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 41, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 41 Figur 4.15: Koordinatsystem för ett generellt additivt tillverkat objekt Gällande Poissons tal antas att följande gäller: xy=yx zy=yz zx=xz Det antas även att z är den svaga vertikala riktningen och därav följer det att: xy=yx planet blir svag för skjuvning dvs kommer att ha ett högt poissons tal medan zy=yz och zx=xz planen kommer att stå emot skjuvning bättre och därmed ha en högre skjuvmodul dvs lägre poissons tal. Ovanstående antaganden bör kunna bekräftas när materialproverna utförts. Då detta inte görs i denna rapport får man nöja sig med antaganden som är baserade på teori. Efter att materialegenskaper tilldelats är nästa steg att lägga på laster och randvillkor. Dessa ska finnas tydligt angivna i tillverkningsunderlaget och om frågor skulle uppstå kontaktas personen som ritat komponenten. Även detta bör finnas angivet i tillverkingsunderlaget. Nästa steg blir att utföra simuleringen och ta fram resultaten. Detta sker genom att programmet beräknar approximativa lösningar för partiella differentialekvationer med hjälp av den skapade mes- hen. Kortfattat kan det sägas att FEM-analysen visar hur lasten kommer att påverka komponenten. 4.4.2 Rapporteringen av resultaten Resultaten från FEM-analysen bör redovisas som en kort teknisk rapport som minst innehåller: 1. Begränsningen 2. Beskrivning av modellen och dess geometri 3. Tabell med materialdata med referens 4. Tydlig beskrivning av lasterna och randvillkoren 5. Bild med kort beskrivning som visar hur spänningarna fördelar sig över komponenten 6. Bild med kort beskrivning över hur komponenten deformeras under lasten 7. Tabell där största Von Mises spänningen, huvudspänningen och deformationen finns angivna 8. Slutsats och rekommendation 42 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX42 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX42 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 4.5 Tillverkning och kvalitetssäkring Vid denna del ska det definieras hur kvalitetssäkring samt tillverkning bör genomföras. Det ska även redovisas den mall som tagits fram till kvalitetssäkringen som ska fylls i vid tillverkning och arkiveras/lämnas till kund tillsammans med komponent. 4.5.1 Tillverkningen Här nedan kommer det stegvis beskrivs hur tillverkningen ska gå till. Det förutsätts att tillverknings- underlaget är klart och det finns tillgängligt att använda sig av vid detta steg. Det förutsätts även att en STL-fil finns färdig. Använd Eiger, Markforgeds egna mjukvara. Denna är molnbaserad och kan användas från vilken dator som helst så länge den har webbläsaren Google Chrome. Eiger används för att förbereda STL-filen och leverera G-koden till skrivaren och det är denna process som beskrivs i en lathund som finns som appendix C. 4.5.2 Kvalitetssäkring av tillverkningen Som nämnt i metoddelen bör tillverkningen kontrolleras både innan och efter printjobbet. Kvalitetskontroll innan printern startas Innan printern startas bör följande tabell fyllas i: Optimalt Uppmätt/Observerat Luftfuktighet 60 % Temperatur 20 C Byggplattans skick Mycket god Tabell 4.12: Kvalitetskontroll innan print Kvalitetskontroll efter print Samtidigt som komponenten printas bör även två provstavar enligt ASTM D638-typ IV printats med den, en horisontell och en vertikal. Dessa provstavar ska användas för att testa materialegenskaperna, den liggande provstaven för att kolla materialegenskaperna i xy-led och den stående för att kontrollerna materialegenskaperna i z-led. Följande tabell bör fyllas i: , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 43, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 43, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 43 Angivet värde för materialda- tan vid liknande temperatur Värdet för provstaven tillver- kad tillsammans med kompo- nenten Luftfuktighet Brottgräns xy-led Brottgräns z-led Tabell 4.13: Kvalitetskontroll efter print 4.5.3 Kvalitetssäkringsdokument Innan en komponent lämnas över till kund bör mallen för kvalitetssäkring fyllas i, se appendix D. 4.6 Riskanalys Riskanalysen finns som appendix E. 5 Diskussion I detta avsnitt tas det upp en diskussion om metoden och resultatet samt dess utmaningar och förutsättningar. 5.1 Metoddiskussion I denna del diskuteras de delar av metodens upplägg som studenten ansåg behövde överläggas. 5.1.1 Framtagning av Materialdatan Metoden som användes för att ta fram utvidgningskoefficienten för Onyx var kreativt. Tyvärr utfördes denna metoden även slarvigt, då det endast användes en IR-termometer för att kontrollera temperaturen vid en av de tre temperaturerna. Längden på kuben mättes upp av olika personer vid de tre olika temperaturer. Detta gör att framtagna värdets pålitlighet minskar. Även den metoden som användes vid framtagning av andelen kolfiber i Onyx är opålitlig. Detta på grund av två anledningar. Först och främst är det okänt exakt vilket nylon MarkForged använder vid tillverkningen av Onyx. Därmed blir de antagande nylondesiteten en osäkerhet. Den andra anledningen är att det antas att inga andra tillsatser än rent kolfiber används. 5.1.2 Konstuktion Till och börja med är det värt att notera att metoden som användes för att undersöka hur varierande former påverkar spänningskoncentrationen i komponenten hade kunnat och borde egentligen ha utförts med betydligt flera modeller än endast modell A och B. 44 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX44 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX44 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX Trots det nöjde sig denna studie dock med att endast ur ett pedagogiskt syfte, påvisa skillnaden mellan ett skarpt hörn dvs modell A och ett med något större radie dvs modell B. Att kontrollera om stödmaterial läggs till endast genom att skapa modellen i Eiger-programmet är mycket tidseffektivt och billigt då en riktig komponenten inte behöver printas. Dock kvarstår frågan om verkligenheten blir samma som modellen. Samt även frågan om hur hållbara en 3D-printad komponent med 45 dragder vinkel egentligen är. 5.2 Reslutatdiskussion I denna del kommer vi att diskutera de framtagna resultaten. 5.2.1 Framtagning av Materialdatan Diskussionen här blir kring det materialdatablad som togs fram. Printinställningarna, typen av provstav och orienteringen av provstaven är bestämda och det framgår väldigt tydligt på materialdatabladet hur de ska vara. Utöver en kort beskrivande text hur provstaven bör orienteras finns det dessutom tre bilder som visar detta. Detta anses är mycket bra då det är viktigt att dessa parametrar blir inställda rätt. Dom angivna teoretiska egenskaperna på materialdatabladet är diskuterbara. Utvidgningskoefficienten togs fram via en tveksam metod, som diskuterats ovan. Trots detta valdes det att lita på att de framtagna värden för utvidgningen i de två riktningarna och ha med dessa i materialdatabladet. Det är intressant att notera att materialet utvidgar sig betydligt mer i själva materialet dvs i den parallella riktningen än mellan lagren dvs i normalriktningen. Detta är dock inte oväntat med tanke på att fibern i Onyx ligger i parallell riktning och utvidgas därefter. Värdet för andelen kolfiber i materialdatabladet ansågs inte vara pålitliga då den metod som användes var så pass bristande och därav togs detta värde inte med i materialdatbladet. Gällande de värden som enligt denna rapport bör tas fram till materialdatabladet är det högst tveksam att proverna kommer att utföras vid alla de tre angivna temperaturerna. Detta på grund av att det kommer att vara både dyrt och tidskrävande att utför proverna vid temperaturer på -20 grader samt +40 grader. Dessutom är det diskuterbart om det ger något merväde att utföra proverna vid de olika temperaturena. Då komponenter som printas troligtvis kommer att användas för robbotar som står inomhus där temperaturer inte variera något drastiskt. 5.2.2 Implementering i Beräkningsmodellen Det bestämdes att minst tio prover bör göras för var och en av de tio parametrarna man valde att undersöka, dessutom rekommenderas att alla prover görs vid tre olika temperaturer. Detta skulle innebära att man ska utföra 300 provtagningar. Frågan är om detta är rimligt i praktiken. Men då detta arbete endast är teoretiskt valde man att inte besvara denna fråga utan gå vidare och utgå från att det är rimligt och att alla dessa prover utförs. 5.2.3 Konstruktion Vi börjar med att kommentera del ett i konstruktionsguiden. Vi kollar då på skillnaden mellan modell A och modell B där den maximala Von Mises spänningen , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 45, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 45, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 45 minskar med ca 500 kPa då man mjukar till det invändiga hörnet. Detta är inte oväntat och bekräftar det som antogs skulle ske redan i metodavsnittet. Större radier ger lägre spänningskoncentrationer. I del två av konstruktionsguiden tas den maximala och minimala storleken för en komponent upp samt den minimala storleken för hål. Värdena är framtagna av tillverkaren och inget av dessa värden har testats fram experimentellt vilket gör att man inte bör lita på dem fullt ut. Ett av dess värden som sticker ut är den minsta radien ett hål påstås kunna vara i Z-led, 0,8 mm. Med kunskapen om att stående hål tenderar att krympa vid print anses en radie på 0,8 mm i Z-led orimligt litet och bör testas experimentellt. Att den minsta möjliga fria vinkeln blir 45 grader verkar fullt rimligt då det är ett vanligt värde för ett flertal andra 3D print modeller. Att hål krymper mellan 10 % till 15 % är oväntat och som nämnt ovan i metoddiskussionen är den metoden som man använder sig av för att ta fram storleken på hålen efter print inte alls pålitlig. Därmed blir inte heller resultaten pålitliga. Passningstabellen däremot är väl utförd och användbar i praktiken. Dock skulle fler prover kunna göras med flera stavar och flera hålstorlekar. 5.2.4 Beräkningar Den stora osäkerheten vid beräkningarna är om rätt antagningar har gjorts kring skjutningen. Detta kan man egentligen inte veta innan materialdataproverna tagits fram då antagandena bygger på att z-led är den svaga riktingen. 5.2.5 Tillverkning och kvalitetssäkring Att beskriva hur processen bör utföras med hjälp av en lathund kan anses vara överflödig. Det blir dock väldigt tydligt hur man ska gå till väga och detta är bra då det är vid denna del som den mänskliga faktorn kan komma att störa processen. Att utför kvalitetskontroll av materialet både innan och efter man printar kan diskuteras. Alternativt hade man kunnat göra en av provstavarna först, testa hållfastheten på den och sedan printa önskad komponent. Det ansågs dock vara lämpligare och enklare att printa komponenten direkt med provstavarna. Den provstav som ska printas stående, för att användas för att kontrollera hållfastheten i Z-led, kan komma att bli sned. I materialdatabladet rekommenderas det därför att flera stavar printas samtidigt så de kan hålla upp varandra. 6 Slutsatser och Rekommendationer I detta avslutande avsnitt kommer vi att skriva slutsatserna från arbetet och rekommendationer. 6.1 Rekommendationer Efter att ha skrivit denna rapport skulle man vilja lämna följande rekommendationer. Om materialparametrarna ska tas fram enligt denna rapport bör man fundera över om det kommer löna sig att utföra dem internt då det kommer vara väldigt tidskrävande. Lita inte blint på de teoretiska värdena i materialdatabladet särskilt då dessa är osäkra. Använd riskanalysen så mycket som möjligt under processens gång. Medan rapporten skrevs dök flertalet idéer om eventuella examensarbetet till framtiden upp, så som: 46 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX46 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX46 , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX - Ett större arbete där denna process testas från början till slut och riskanalysen utvärderas yttligare. - Ett arbete där utmattningen hos additivt tillverkade komponenter undersöks. - Ett arbete som endast fokuserar på kontruktionen med additiv tillvekade komponenter. 6.2 Slutsatser Processen som bör följas för att kunna beräkna additivt tillverkade komponenter behöver baseras på tillförlitlig materialdata. Som vi nämnde i introduktionen var den stora utmaningen i att kvalitetsäkra additivt tillverkade komponenter att standardisering saknas för dessa processer. Bland annat var en del i problematiken att det inte finns pålitlig materialdata. Därför lades mycket arbete på att skapa ett datablad där man skulle definierat vilka prover som behöver utföras, hur provstaven bör se ut, hur den ska printas samt hur den ska orienteras. Trots att antalet prover försökte hållas lågt komman till slut fram till att man skulle behöva utföra kring hundra prover för varje önskad temperatur för att kunna säkerställa de önskade materialparametrarna. Det är ett faktum att additivt tillverkade komponenter skapar ett ortotropt material som kräver att såpass många prover utförs. När väl materialparametrarna blir framtagna kvarstår beräkningsdelen som även den blir utmanande på grund av att man arbetar med ett ortotropt material. Slutligen kommer tillverkningen och kvalitressäkeringen av komponenten där man inser att den största risken är den mänskliga faktorn då rutiner inte följs. Sammanfattningsvis kan man säga att det blir mycket svårt att kvalitetssäkra en additivt tillverkad komponent så länge det saknas goda materialparametrar och bra dokumentation. Det finns mycket jobb kvar innan komponenter som additivt tillverkade kan kvalitetssäkras. , Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 47, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 47, Institutionen för Industri- och Materialvetenskap, Kandidatarbete, IMXS30-19-XX 47 Referenser Antal Boldizar, C. K. (2008). Plaster-Materialval och Materiladata. Liber. (Se sidan 3). Bäckman, T. (2018). Utredning om konstruktion och beräkning för additiv tillverkning - Markforged (examensuppsats, Mälardalens högskola Eskilstuna Västerås). (Se sidorna 1, 27). Blomqvist, H. (2002).Matematisk statistik, försöksplanering och kvalitsstyrning. HB Matematikliter- tur. (Se sidorna 22, 30). Dahlberg, T. (2001). Teknisk Hållfasthetslära. Studentliteratur AB. (Se sidorna 8–10). Gibson, I. (2014). Additive Manufacturing Technologies. Studentliteratur AB. (Se sidorna 13, 15). Hunter, J. S. (1966, 1. januari). Design of Experiments. Hämtad 22 maj 2019, från https://en.wikipedia. org/wiki/3D_printing. (Se sidan 1) International, A. (2019, 13. maj). ASTM International, hämtad 1 april 2019, från https://www.astm. org/Standards/D638.htmB. (Se sidan 7) Jobbaren. (2019, 12. januari). Metall. Hämtad 28 maj 2019, från https://sv.wikipedia.org/wiki/Metall. (Se sidan 4) Lennart Hågeryd, S. B. o. M. L. (2001). Modern Produktionsteknik del 1. Liber. (Se sidan 7). MagnusA.Bot. (2019, 12. januari). Materialutmattning. Hämtad 28maj 2019, från https://sv.wikipedia. org/wiki/Materialutmattning. (Se sidorna 10, 11) Melkersson, K. (2017). Maskinelement. Studentliteratur AB. (Se sidan 12). Nosslrac. (2019, 13. maj). Plaster. Hämtad 28 maj 2019, från https://sv.wikipedia.org/wiki/Plast. (Se sidan 6) Per Linstetedt, J. B. (2003). The Value Model. Nimba AB. (Se sidan 17). PLM-grup. (2019, 13. maj). PLM. Hämtad 2