Utilizing metallic waste streams as raw material for powder-based additive manufacturing
Reijonen, Joni (2016)
Diplomityö
Reijonen, Joni
2016
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2016121531581
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2016121531581
Tiivistelmä
This study is done as a part of VTT’s Mineral Economy innovation programme, which aims at developing technological innovation for a profitable circular economy. The possibilities of enhancing the sustainability of the manufacturing industry are studied by utilizing metallic waste streams from the manufacturing industry as feedstock material for powder bed fusion (PBF) additive manufacturing (AM). The goal is to apply the concept of circular economy into AM, in attempt to provide solutions simultaneously for issues regarding conventional recycling of scrap and the high price of feedstock material used in PBF AM.
This study consists of a literature review and experimental part. In the literature review the possibilities and potential benefits of the proposed recycling methods are explained. Based on the findings from the literature, suitable waste streams and powder preparation technologies were selected for a case study. In the experiments the objective was to prepare spherical powder from 100 % scrap feedstock following two routes: 1) mechanical milling and further plasma spheroidization (if needed) of agglomerated residue powder, and 2) gas atomization of solid scrap. These were scrap generated as a side stream during the PBF process. The powder properties were analysed and test specimens for the determination of mechanical properties were made from the prepared powders and commercial reference powder with SLM 125 HL powder bed fusion machine. Based on the literature review, the proposed recycling routes use less energy than the conventional recycling. Additive manufacturing also inherently generates less waste than the conventional manufacturing of today. The experimental work proved the technical feasibility of recycling new scrap into suitable powder for PBF via gas atomization of solid scrap and jet milling of agglomerated residue powder. Therefore shifting from subtractive towards additive manufacturing will enhance the sustainability of the manufacturing industry. Diplomityö on tehty osana VTT:n Mineraaliekonomia-hanketta, joka tähtää teknologisiin innovaatioihin, joilla edesautetaan kannattavaa kiertotaloutta. Työssä tutkittiin mahdollisuuksia käyttää valmistavan teollisuuden metallijätettä jauhepetitekniikkaan perustuvan lisäävän valmistuksen raaka-aineena. Tavoitteena on soveltaa kiertotalouden ajatusta lisäävään valmistukseen. Pyrkimyksenä oli yhtäaikaisesti tuottaa ratkaisuja konventionaalisen kierrätyksen ongelmiin ja lisäävän valmistuksen raaka-aineen korkeaan hintaan. Tutkimus koostuu kirjallisuuskatsauksesta ja kokeellisesta osuudesta. Kirjallisuuskatsauksessa kartoitettiin ehdotettujen kierrätysreittien soveltamismahdollisuuksia ja hyötyjä. Katsauksen perusteella valittiin eräät soveltuvat jauheenvalmistusreitit ja jätevirrat kokeelliseen osuuteen testattaviksi.
Kokeissa valmistettiin jauhepetitekniikkaan soveltuvaa metallijauhetta sata prosenttisesta kierrätysromusta. Jauhetta valmistettiin kahdella eri prosessilla: 1) agglomeroituneen jätejauheen mekaaninen jauhatus yhdistettynä tarvittaessa plasma pyöristykseen sekä 2) tukirakenteiden ja viallisten komponenttien kaasuatomisointi. Hyödynnetyt jätteet olivat peräisin tuotteiden valmistuksesta jauhepetitekniikalla. Romusta valmistettujen jauheiden ominaisuuksia verrattiin kaupallisen jauheen ominaisuuksiin. Molemmista jauheista valmistettiin koekappaleita mekaanisten ominaisuuksien määrittämiseksi jauhepetisulatukseen perustuvalla SLM 125 HL laitteella. Kirjallisuuskatsauksen perusteella työssä ehdotetut kierrätysreitit kuluttavat vähemmän energiaa kuin konventionaalinen kierrätys. Lisäävä valmistus myös synnyttää lähtökohtaisesti vähemmän jätettä kuin nykyisin yleisesti käytetty materiaalia poistava valmistus. Kokeet osoittivat kiinteästä jätteestä kaasuatomisoinnilla ja agglomeroituneesta jauhejätteestä suihkujauhamisella valmistetun jauheen soveltuvuuden jauhepetitekniikan raaka-aineeksi ja täten näiden kierrätysreittien teknologisen toteutettavuuden. Näin ollen siirtyminen kohti lisäävää valmistusta tulee parantamaan valmistavan teollisuuden kestävyyttä.
This study consists of a literature review and experimental part. In the literature review the possibilities and potential benefits of the proposed recycling methods are explained. Based on the findings from the literature, suitable waste streams and powder preparation technologies were selected for a case study. In the experiments the objective was to prepare spherical powder from 100 % scrap feedstock following two routes: 1) mechanical milling and further plasma spheroidization (if needed) of agglomerated residue powder, and 2) gas atomization of solid scrap. These were scrap generated as a side stream during the PBF process. The powder properties were analysed and test specimens for the determination of mechanical properties were made from the prepared powders and commercial reference powder with SLM 125 HL powder bed fusion machine. Based on the literature review, the proposed recycling routes use less energy than the conventional recycling. Additive manufacturing also inherently generates less waste than the conventional manufacturing of today. The experimental work proved the technical feasibility of recycling new scrap into suitable powder for PBF via gas atomization of solid scrap and jet milling of agglomerated residue powder. Therefore shifting from subtractive towards additive manufacturing will enhance the sustainability of the manufacturing industry.
Kokeissa valmistettiin jauhepetitekniikkaan soveltuvaa metallijauhetta sata prosenttisesta kierrätysromusta. Jauhetta valmistettiin kahdella eri prosessilla: 1) agglomeroituneen jätejauheen mekaaninen jauhatus yhdistettynä tarvittaessa plasma pyöristykseen sekä 2) tukirakenteiden ja viallisten komponenttien kaasuatomisointi. Hyödynnetyt jätteet olivat peräisin tuotteiden valmistuksesta jauhepetitekniikalla. Romusta valmistettujen jauheiden ominaisuuksia verrattiin kaupallisen jauheen ominaisuuksiin. Molemmista jauheista valmistettiin koekappaleita mekaanisten ominaisuuksien määrittämiseksi jauhepetisulatukseen perustuvalla SLM 125 HL laitteella. Kirjallisuuskatsauksen perusteella työssä ehdotetut kierrätysreitit kuluttavat vähemmän energiaa kuin konventionaalinen kierrätys. Lisäävä valmistus myös synnyttää lähtökohtaisesti vähemmän jätettä kuin nykyisin yleisesti käytetty materiaalia poistava valmistus. Kokeet osoittivat kiinteästä jätteestä kaasuatomisoinnilla ja agglomeroituneesta jauhejätteestä suihkujauhamisella valmistetun jauheen soveltuvuuden jauhepetitekniikan raaka-aineeksi ja täten näiden kierrätysreittien teknologisen toteutettavuuden. Näin ollen siirtyminen kohti lisäävää valmistusta tulee parantamaan valmistavan teollisuuden kestävyyttä.