Development of 3D-printer for small scale testing of new metal alloys

Abstract

Da det kom til valg av bacheloroppgave, var en av oppgavene vi kunne velge «Utvikling av mini 3D-printer for testing av nye metallegeringer» fra SINTEF. Dette prosjektet baserte seg på å utvikle en mini 3D-printer fra en eksisterende lasergraverer som ikke var i bruk. Oppgaven inkluderte å lage et kammer for oksidasjonsbeskyttelse, utvikling og programmering av et system for pulverdistribusjon og lage et system for samarbeid mellom laser og disse delene. Den første delen av prosjektet gikk ut på å bli kjent med den eksisterende programvaren og kontrollsystemet til lasergraveren. Basert på bestilling fra oppdragsgiver som ønsket en plattform for rask utvikling av nye materialer for additiv produksjon og mulighetene med den eksisterende programvaren ble det besluttet å utvikle en maskin for printing av 3D prøver som er passende for mekanisk testing og demonstrasjon av de nye materialene. Med bakgrunn i at nytt pulver er relativt dyrt og for å begrense tid som går til å redusere oksygennivået i kammeret, ble det bestemt at byggekammeret skulle vært minst mulig med mulighet til å printe prøver opp til 30mm i tverrsnitt. Et enkelt brukergrensesnitt og mulighet for videreutvikling var et viktig moment og LabVIEW ble derfor valgt som systemet for kontroll av pulverdistrubusjon og enkelte sensorer i kammeret. På grunn av dette kan systemet styres av et grafisk brukergrensesnitt som er enkelt å bruke. Da vi designet systemet for pulverdistrubusjon tok vi inspirasjon fra eksisterende SLM maskiner. Det er begrenset med plass i laseren, og systemet måtte derfor designes så kompakt som mulig. Vi endte med sluttdesignet vårt på bakgrunn av at dette var lett å få produsert. Det kompakte designet gjør det lett å tømme kammeret for oksygen, og reduserer dermed tiden mellom hvert print. I løpet av prosjektperioden har følgende blitt utført: re-design og ombygging av Rofin CombiLine Advanced laser graverer, utviklet grensesnitt i LabVIEW, konstruksjon og testing av pulverdistribusjonsenhet, design av kammer. De siste detaljene og test av kammer vil bli utført før demonstrasjon den 4. juni.

When choosing our bachelor thesis, SINTEF offered the project «Development of a 3D printer for testing of new metal alloys». The project is based around an existing laser processing machine with the challenge being to implement 3D printing functionality into a machine never intended for this purpose. This includes designing of an inert gas chamber to protect the printed objects from oxidation, developing and programming a powder distribution system and creating a system that allows these systems to cooperate with the existing laser processing machine. The first part of the project was to get familiar with the laser processing machine's existing software and control system. We had to figure out the limitations and the features of the system to accommodate the requirements set out by SINTEF. The new system was developed for fast testing of new materials used in additive manufacturing and was therefore developed to print 3D samples perfect for testing and demonstration of new materials. Because new metal alloy powder is expensive, the system is configured to minimise the powder required for testing. LabVIEW is utilised to control the powder distribution system and monitor some of the sensors fitted to the system. This allows for the machine to be operated via an easy-to-understand graphical user interface. Thus, requiring minimal training before taking full advantage of the inbuilt features of the system. When designing the powder distribution system and inert gas chamber we took inspiration from existing SLM machines. Because of the limited space inside the laser machine, we had to design the system to be as compact as possible. The limiting factor of the design was the height of the laser engraving head. The final design was chosen because of ease of production and ease of use. The compact design allows for faster evacuation of oxygen and a reduced turnaround time between prints. During this project the following has been achieved: re-design and modifications of the Rofin CombiLine Advanced laser engraver, development of a user interface in LabVIEW, construction and testing of the powder distribution system and design of an inert gas chamber. The last details and test of the inert gas chamber will be completed before the demonstration on June 4th