Design case for additive manufacturing : electrode for electrochemical gold separation process
Heiskanen, Atte (2020)
Diplomityö
Heiskanen, Atte
2020
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202001243430
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe202001243430
Tiivistelmä
The aim of this thesis was to study and understand the design process of metallic components to be manufactured with laser-based powder bed fusion (L-PBF). The design process and tools were applied to design an electrode used in electrochemical gold separation process. The thesis was done by conducting literature review to understand the possibilities and challenges related to this process, and case study, where the electrode was designed.
Design of additively manufactured components is multifaceted design optimization process. As the additive manufacturing offers significant geometrical freedom, design is an important factor to add value to parts, to make the use of L-PBF feasible. However, the possibilities and limitations of the manufacturing process need to be well understood. Additionally, various design tools, such as topology optimization, lattice generation and build process simulation software, are required to fully leverage the design possibilities offered by AM.
Electrode structure to be used in electrochemical gold separation process was designed by applying the design process and tools studied in the literature part. Most important factors for the electrode design were deemed to be the surface area and uniform porosity. These were achieved by using very fine lattice structure. Manufacturability of the electrode via L-PBF was then studied by conducting build process simulations, where no significant deformations were observed, suggesting that the electrode design would be manufacturable and usable after build process. Further studies are required to confirm the results of used simulation methods and to validate the electrode performance. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tutkia ja ymmärtää laser pohjaisella jauhepetisulatuksella valmistettavien metallikomponenttien suunnitteluprosessia. Suunnitteluprosessia ja -työkaluja käytettiin sähkökemiallisessa kullan erotusprosessissa käytettävän elektrodin suunnitteluun. Työ koostuu kirjallisesta osasta, jossa tutkittiin suunnitteluprosessiin liittyviä mahdollisuuksia ja haasteita, ja case study -osasta, jossa elektrodi suunniteltiin.
Lisäävällä valmistuksella valmistettavien komponenttien suunnittelu on monitahoinen suunnittelun optimointiprosessi. Koska lisäävä valmistus tarjoaa merkittävää geometrista vapautta, suunnittelu on tärkeä tekijä, jolla osiin saadaan lisättyä arvoa, ja tätä kautta tehdä jauhepetisulatuksen käytöstä mahdollista. Valmistusprosessin rajoitteet ja mahdollisuudet on kuitenkin tärkeä ymmärtää. Lisäksi tarvitaan suunnittelutyökaluja, esimerkiksi topologiaoptimointia, verkkorakenteen luomista ja prosessisimulaatiota varten, jotta lisäävän valmistuksen tarjoamia suunnittelumahdollisuuksia voidaan hyödyntää.
Sähkökemiallisessa kullanerotusprosessia käytettävä elektrodi suunniteltiin hyödyntämällä kirjallisuusosuudessa tutkittuja suunnitteluprosessia ja -työkaluja. Tärkeimmiksi elektrodin toimintaan vaikuttaviksi tekijöiksi todettiin suuri pinta-ala ja tasalaatuinen huokoisuus. Nämä ominaisuudet saavutettiin hyödyntämällä tiheää verkkorakennetta kappaleen muodossa. Elektrodin valmistettavuutta laser pohjaisella jauhepetisulatuksella tarkasteltiin hyödyntämällä prosessisimulaatiotyökaluja. Simulaatioissa ei havaittu merkittäviä muodonmuutoksia, mikä viittaa siihen, että elektrodi on valmistettavissa ja käyttökelpoinen valmistuksen jälkeen. Jatkotutkimuksia vaaditaan, jotta käytettyjen simulointimenetelmien tulokset voidaan varmistaa ja elektrodin suorituskyky validoida.
Design of additively manufactured components is multifaceted design optimization process. As the additive manufacturing offers significant geometrical freedom, design is an important factor to add value to parts, to make the use of L-PBF feasible. However, the possibilities and limitations of the manufacturing process need to be well understood. Additionally, various design tools, such as topology optimization, lattice generation and build process simulation software, are required to fully leverage the design possibilities offered by AM.
Electrode structure to be used in electrochemical gold separation process was designed by applying the design process and tools studied in the literature part. Most important factors for the electrode design were deemed to be the surface area and uniform porosity. These were achieved by using very fine lattice structure. Manufacturability of the electrode via L-PBF was then studied by conducting build process simulations, where no significant deformations were observed, suggesting that the electrode design would be manufacturable and usable after build process. Further studies are required to confirm the results of used simulation methods and to validate the electrode performance.
Lisäävällä valmistuksella valmistettavien komponenttien suunnittelu on monitahoinen suunnittelun optimointiprosessi. Koska lisäävä valmistus tarjoaa merkittävää geometrista vapautta, suunnittelu on tärkeä tekijä, jolla osiin saadaan lisättyä arvoa, ja tätä kautta tehdä jauhepetisulatuksen käytöstä mahdollista. Valmistusprosessin rajoitteet ja mahdollisuudet on kuitenkin tärkeä ymmärtää. Lisäksi tarvitaan suunnittelutyökaluja, esimerkiksi topologiaoptimointia, verkkorakenteen luomista ja prosessisimulaatiota varten, jotta lisäävän valmistuksen tarjoamia suunnittelumahdollisuuksia voidaan hyödyntää.
Sähkökemiallisessa kullanerotusprosessia käytettävä elektrodi suunniteltiin hyödyntämällä kirjallisuusosuudessa tutkittuja suunnitteluprosessia ja -työkaluja. Tärkeimmiksi elektrodin toimintaan vaikuttaviksi tekijöiksi todettiin suuri pinta-ala ja tasalaatuinen huokoisuus. Nämä ominaisuudet saavutettiin hyödyntämällä tiheää verkkorakennetta kappaleen muodossa. Elektrodin valmistettavuutta laser pohjaisella jauhepetisulatuksella tarkasteltiin hyödyntämällä prosessisimulaatiotyökaluja. Simulaatioissa ei havaittu merkittäviä muodonmuutoksia, mikä viittaa siihen, että elektrodi on valmistettavissa ja käyttökelpoinen valmistuksen jälkeen. Jatkotutkimuksia vaaditaan, jotta käytettyjen simulointimenetelmien tulokset voidaan varmistaa ja elektrodin suorituskyky validoida.