Wire-based direct energy deposition (DED) applications in maritime industry
Niittyaro, Luukas (2024-05-24)
Wire-based direct energy deposition (DED) applications in maritime industry
(24.05.2024)
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
avoin
Julkaisun pysyvä osoite on:
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024060645575
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024060645575
Tiivistelmä
Maritime industry plays a significant part in the world’s economy, because around 90% of all goods in the world are transported by shipping at one point. Therefore, finding ways to improve the performance of different components and cut the manufacturing times of these components is vital to enhance the efficiency and profitability of the entire branch. Incorporating wire-based direct energy deposition (DED) methods could cut manufacturing time, costs and decrease the required manpower, whilst creating parts with great mechanical properties and complex shapes and dimensions. DED processes can also be implemented with smart systems and sensors, which can track different parameters of the substrate during the process and make slight changes to parameters, such as power or feed rate of the wire.
The parts that can be fabricated by DED are ones that are difficult or expensive to manufacture using traditional methods, such as sand moulding. To fabricate these parts with moulding would require high heat input, increased costs and material losses. The repeatability of the traditional processes is relatively poor due to the single-use nature of the moulds in sand moulding. The manufactured components are usually parts that have complex shapes, such as propellers, need to withstand corrosion, such as parts of the hull and need to withstand heat and fatiguing, such as parts of the engine. DED processes can fabricate components from scratch or even repair parts that otherwise would have to be replaced with little losses to mechanical properties, such as tensile strength.
The wire-based DED methods examined in this thesis are wire-arc additive manufacturing method (WAAM) and laser-based direct energy depositions (DED-LB). The working principle of both processes are that a heat source creates a melt pool and a feedstock material, in this case wire is added to create a substrate. This process is repeated several times to create a 2D/3D object. WAAM and DED-LB vary from each other by the speed of the fabrication process or the quality of the end product. The goal of this thesis is to explain the fundamental differences between WAAM and (DED-LB) and how both can be applied to the maritime industry. Merenkulkuteollisuudella on huomattava rooli maailmantaloudessa, sillä noin 90 % kaikesta tavarasta kuljetetaan laivalla jossain pisteessä. Täten on tärkeää löytää menetelmiä, joilla parannetaan eri komponenttien suorituskykyä sekä vähennetään näiden komponenttien valmistusaikoja, jotta koko toimialan tehokkuus ja kannattavuus paranee. Lankaperäisen suorakerrostusmenetelmän (DED) sovittaminen voi leikata valmistusaikoja, kustannuksia sekä vähentää työvoiman tarvetta samalla luoden osia, joilla on hyvät mekaaniset ominaisuudet sekä monimutkaiset muodot. DED prosesseihin voi myös soveltaa älykkäitä järjestelmiä ja sensoreita, jotka voivat seurata kerrosten eri parametreja prosessin aikana sekä tehdä pieniä muutoksia eri parametreihin, kuten tehoon sekä langansyöttönopeuteen.
Osat, joita voi valmistaa DED:lla ovat monimutkaisia tai kalliita valmistaa käyttämällä perinteisiä valmistusmenetelmiä, kuten hiekkavalamista. Näiden osien valmistaminen valamalla vaatii korkeita lämpötiloja, lisäkustannuksia sekä aiheuttaa materiaalihäviöitä. Perinteisten valmistusmenetelmien toistettavuus on melko huono johtuen hiekkamuottien kertakäyttöisyydestä. Valmistetut kappaleet, kuten potkurit ja laivan rungon osat ovat muodoltaan monimutkaisia sekä niiden pitää vastustaa korroosiota, sekä kappaleiden tarvitsee vastustaa lämpöä sekä liikettä, kuten moottorin eri osat. DED prosessit voivat luoda osia tyhjästä tai jopa korjata osia, jotka pitäisi kokonaan vaihtaa samalla kärsien vain pieniä tappioita mekaanisiin ominaisuuksiin, kuten vetolujuuteen.
Lankaperäiset DED menetelmät, joita tutkitaan tässä tutkielmassa ovat wire-arc additive manufacturing method (WAAM) sekä laser-based direct energy deposition (DED-LB). Molempien toimintaperiaatteet ovat, että lämpölähde luo lämpöalueen, jonka jälkeen lisäaine, tässä tapauksessa lanka lisätään luoden kerroksen. Tämä toistetaan usean kerran, kunnes 2D/3D kappale on luotu. WAAM ja DED-LB eroavat toisistaan prosessin nopeudella sekä lopputuotteen laadulla. Tämän tutkielman päämäärä on selittää olennaiset erot WAAM:n ja DED-LB:n välillä ja miten molempia voi soveltaa merenkulkuteollisuuteen.
The parts that can be fabricated by DED are ones that are difficult or expensive to manufacture using traditional methods, such as sand moulding. To fabricate these parts with moulding would require high heat input, increased costs and material losses. The repeatability of the traditional processes is relatively poor due to the single-use nature of the moulds in sand moulding. The manufactured components are usually parts that have complex shapes, such as propellers, need to withstand corrosion, such as parts of the hull and need to withstand heat and fatiguing, such as parts of the engine. DED processes can fabricate components from scratch or even repair parts that otherwise would have to be replaced with little losses to mechanical properties, such as tensile strength.
The wire-based DED methods examined in this thesis are wire-arc additive manufacturing method (WAAM) and laser-based direct energy depositions (DED-LB). The working principle of both processes are that a heat source creates a melt pool and a feedstock material, in this case wire is added to create a substrate. This process is repeated several times to create a 2D/3D object. WAAM and DED-LB vary from each other by the speed of the fabrication process or the quality of the end product. The goal of this thesis is to explain the fundamental differences between WAAM and (DED-LB) and how both can be applied to the maritime industry.
Osat, joita voi valmistaa DED:lla ovat monimutkaisia tai kalliita valmistaa käyttämällä perinteisiä valmistusmenetelmiä, kuten hiekkavalamista. Näiden osien valmistaminen valamalla vaatii korkeita lämpötiloja, lisäkustannuksia sekä aiheuttaa materiaalihäviöitä. Perinteisten valmistusmenetelmien toistettavuus on melko huono johtuen hiekkamuottien kertakäyttöisyydestä. Valmistetut kappaleet, kuten potkurit ja laivan rungon osat ovat muodoltaan monimutkaisia sekä niiden pitää vastustaa korroosiota, sekä kappaleiden tarvitsee vastustaa lämpöä sekä liikettä, kuten moottorin eri osat. DED prosessit voivat luoda osia tyhjästä tai jopa korjata osia, jotka pitäisi kokonaan vaihtaa samalla kärsien vain pieniä tappioita mekaanisiin ominaisuuksiin, kuten vetolujuuteen.
Lankaperäiset DED menetelmät, joita tutkitaan tässä tutkielmassa ovat wire-arc additive manufacturing method (WAAM) sekä laser-based direct energy deposition (DED-LB). Molempien toimintaperiaatteet ovat, että lämpölähde luo lämpöalueen, jonka jälkeen lisäaine, tässä tapauksessa lanka lisätään luoden kerroksen. Tämä toistetaan usean kerran, kunnes 2D/3D kappale on luotu. WAAM ja DED-LB eroavat toisistaan prosessin nopeudella sekä lopputuotteen laadulla. Tämän tutkielman päämäärä on selittää olennaiset erot WAAM:n ja DED-LB:n välillä ja miten molempia voi soveltaa merenkulkuteollisuuteen.