Metal 3D Printing in Low Voltage Switches

Abstract

Metal 3D printing has multiple possibilities in manufacturing industry due to the freedom of design, which is natural for additive manufacturing. Manufacturing of components with complex geometry is possible also with metals. Technology has existed for a long time already, but the metal 3D printing has just begun to gain more attention in manufacturing industries. The purpose of this thesis is to explore the potential of 3D printing in ABB Oy, Protection & Connection product development processes and what it would require from the design phase. The main focus areas are prototyping of metal parts, small batch production and mold making. From the different metal printing technologies, SLM technology was selected for this thesis. The SLM technology has already a lot of research data, case studies and scientific articles. The benefits and challenges of this printing technology are studied, and a compact guide is created for the design of the components for metal 3D printing and the materials used in SLM technology. Practical work in this thesis includes SLM printed component designing, ordering components, and testing. Aluminium and stainless steel components are printed and validated. Based on these validations, it is possible to interpret the maturity level of the SLM technology and to estimate its suitability for the production of prototypes. Results indicate, that prototyping with SLM technology is suitable in ABB, and especially with components having complex geometries. Metal 3D printing will continue to develop in the future and in thesis the focus of visioning the future is the five next years. 3D metal printing is constantly evolving and interest in it has grown in Finland as well.

Metallien 3D tulostuksessa on monia mahdollisuuksia, sillä tämä tekniikka antaa paljon vapauksia kappaleen suunnittelussa. Monimutkaisten geometrioiden valmistaminen 3D tulostuksen avulla on mahdollista nykyään myös eri metallien avulla. Tekniikka on ollut olemassa jo melko pitkän aikaa, mutta metallien 3D tulostus on alkanut vasta nyt saamaan enemmän huomiota valmistavassa teollisuudessa. Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia metalli 3D tulostuksen mahdollisuuksia ABB Oy, Protection & Connection -yksikön tuotekehitysprosesseissa ja mitä se vaatisi suunnittelussa. Pääasialliset huomionkohteet ovat metalliosien prototyypit, piensarjavalmistus ja muottien valmistaminen. Eri tulostustekniikoista tähän diplomityöhön on valittu SLM-tekniikka, josta on jo ennestään tutkimustietoa, case-esimerkkejä ja tieteellisiä artikkeleita. Tämän tulostustekniikan hyötyjen ja haasteiden käsittelemisen lisäksi luodaan tiivis ohjeistus kappaleiden suunnittelusta metalli 3D tulostusta varten ja käytössä olevista materiaaleista. Työhön kuuluu olennaisena osana SLM tulosteiden suunnittelu, tulostuttaminen ja testaus. Testejä tehdään kahdelle raaka-aineelle, jotka ovat alumiini ja ruostumaton teräs. Näiden perusteella pystytään tulkitsemaan SLM teknologian soveltuvuutta ja arvioimaan sen hyödynnettävyyttä prototyyppien valmistukseen käytännössä. Tuloksena on, että prototyyppien valmistus ABB:llä on mahdollista etenkin geometrisesti monimutkaisten kappaleiden kohdalla. Metalli 3D tulostus tulee kehittymään vielä tulevaisuudessakin ja sen arvioinnissa pyritään keskittymään viiteen seuraavaan vuoteen. Metallin 3D tulostus on alana koko ajan kehittymässä ja kiinnostus sitä kohtaan on kasvanut myös Suomessa.