Additive Manufacturing of Thruster Gear Housing

Abstract

Bakgrunnen med rapporten er å optimalisere og modifisere girhuset Azipull Karbon 65 truster til å kunne lages med metoden additive produksjon. For Kongsberg Maritime Commercial Marine er det to typer AM («Additive Manufacturing») metoder som ønskes å rette søkelys på. Disse er Powder Bed Fusion (PBF) og Laser Metal Deposition (LMD).

For PBF var det tre girhus som var i fokus. Materialene som er blitt brukt er aluminium og rustfritt stål. Fordelen med å bruke PBF er at det trengs mindre etterbehandling og det er tilgjengelighet på slicer-program. På grunn av mangel på slicer-program for LMD ble det ikke satt søkelys på noe mer enn et anbefalt design.

De nye designa passer bra til en PBF printer. Begge har fått en lettvekt optimalisering. Gradient gitter struktur har blitt brukt i girhusene. Strukturen gjorde det mulig å redusere 50-70% av materialbruken. Det ble ingen resultat ved å bruke finite element analyse for å sjekke om gradient gitterstruktur kunne være funksjonell. Topologioptimalisering ble også brukt, men bare som en inspirasjon for å lage girhuset.

En stor forskjell mellom gitterstrukturen og hult design er at en FEM-analyse er mye enklere å få til med hult design enn med gitterstruktur. Hult design tok lang tid å lage ettersom det krevde å lage alle strukturene selv. Vekten ble større enn gitterstrukturen.

PBF aluminium hadde den rimeligste kostnaden og den var billigere sammenlignet med rustfritt stål. Kostnaden hadde mye å si på den totale vekten som ble estimert til slutt. Sammenlignet med det originale girhuset er den estimerte kostnaden med additive produksjon for PBF aluminium billigere. Med aluminium så kreves det mindre etterarbeid. PBF er også raskere enn støping. Grunnen til det er at støping og kø tar tid. Den estimerte lead-tiden for aluminium er 155 timer som er 50% av den originale delen.

For testprøver er anbefalingen å printe tester ut fra DNV GL- standarden. I tillegg anbefales det å printe ut tester for oljehullene for å se om det er mulig å redusere maskineringstid og redusere vekta på girhuset. I tillegg anbefales det å printe ut gitter-sandwich-tester for å se om de mekaniske egenskapene klarer å stå imot kreftene. Hvis alle testprøvene holder, bør man printe ut et girhus og teste denne også. Det vil gi et mer sikkert svar.

The purpose of the report is additive manufacturing a gear house for Azipull Carbon 65 Thruster. In the report, the original gear house design has been modified and optimised for 3D printing. For Kongsberg Maritime Commercial Marine, the two AM methods, Powder Metal Deposition (PBF) and Laser Metal Deposition (LMD), were focused upon in this thesis.

Since there was a lack of a slicer program for LMD, the LMD were not considered further than a design suggestion for a gear house. For PBF, two gear houses focused on the difference were the material aluminium and stainless steel. The benefits of using PBF were less required for post-processing and availability of slicer software.

Both of these have been designed to be fitted in a PBF printer and undergone lightweight optimisation. Gradient lattice structure was used for both of these gear houses. Gradient lattice structure was able to save approximately between 50-70% of the material. However, there was no final confirmation of using a finite element analysis to check if gradient lattice structure could be functional. Topology optimisation was also taken to usage, but only as an inspiration for creating the gear house.

The difference between lattice structure and hollow design were found that the hollow design could create a fully FEM analysis, where gradient lattice structure could not. The hollow design was tested for other properties, but this method took a long time to design. The weight was also much higher than the lattice structure.

For the cost, the PBF Aluminium was the cheapest compared to stainless steel. This was due to the material weight, which was critical for estimating the total cost. Compared to the original gear house, the estimated cost with additive manufacturing for PBF with aluminium can be cheaper. The reason for this is that the PBF aluminium requires minor post-processing. Also, PBF aluminium can be a faster manufacturing choice compared to casting. This is primarily due to the logistic and waiting queue for casting. The lead-time estimated for PBF aluminium is at 155 hours. With a difference at 50% compared to the original.

For test specimens, the crucial recommendation is to print the DNV GL test specimens to pass the standard. Oil flow holes test specimen is also recommended due to the possibility for reduced or eliminated machining time, and reduced gear house weight. Finally, the lattice sandwich test specimen is recommended to check the mechanical properties of the chosen lattice structure. If these test specimens pass, a fully gear house print could be the next test specimen.