Master's Thesis

Design of experimental chamber for multi-material additive manufacturing

Final Thesis 12.36 MB Appendix 1.73 MB

Author of thesis: Ing. Petr Jeleček

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D.

Reviewer: Ing. Petr Čížek, Ph.D.

Abstract:

The subject of this master´s thesis is to create a structural design of an experimental chamber intended for multi-material additive manufacturing of metallic components using LPBF technology. The proposed device is intended to be used as a modular platform for the development and testing of subsystems that cannot be effectively integrated into conventional machines. The main emphasis is placed on enabling the implementation of a newly designed multi-material powder deposition system, compatible build platforms, and an inert gas circulation circuit. The chamber design was based on a review of current experimental LPBF systems. The main design requirements were defined based on the findings.
The outcome of the thesis is the final design of an experimental chamber with a modular structure, an enlarged working space and access from both sides. The proposed solution also includes modular inert gas distributors, whose orientation and functional potential were verified using numerical simulations. Critical sections of the design were manufactured and during assembly, the proper fit of the manufactured components and the basic function of the sealing elements were verified. The experimental chamber therefore forms a basis for future development and testing of experimental LPBF subsystems, not only in the field of multi-material additive manufacturing.

Keywords:

Chamber, LPBF, design, experimental, multi-material, inert atmosphere, powder
deposition systems

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentoval výsledky své diplomové práce a zodpověděl otázky oponenta: dr. Čížek: Nastudujte v literatuře proudění symetrickým difuzorem/konfuzorem. Jaké jsou parametry pro vyhodnocení difuzoru? Popište nerovnoměrnost výstupního proudění a její příčiny. Jak se dá tato znalost využít pro řešení situace v mezilopatkových kanálech na obr. 5-55? Např.: Dejč: Technická dynamika plynů 1967, Idelčik: Hadbook of hydraulic resistance 2005) ZODPOVĚZENO dr. Čížek: Nastudujte v literatuře metodu závojového chlazení spalovacích komor. Jak je možné vysvětlit proudění na obr.6-19 s menší tendencí se rozšiřovat vertikálně? Jaké jsou hlavní rozměrové parametry, které řídí rovnoměrnost a dosah proudění z vašeho distributoru? Např.: Storožuk: Spalovací komory 1978, Veselý S: Spalovací komory 2007. ZODPOVĚZENO dr. Čížek: Dokázal byste říct kterým parametrem byste dokázal zajistit dosažení požadovaného rychlostního profilu? ZODPOVĚZENO dr. Dočekalová: Vysvětlete kritéria výběru koncepce. ZODPOVĚZENO doc. Maňas: Jak jste vyřešil proces revize zařízení? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek: Jak je myšlená podmínka modularity zařízení? ZODPOVĚZENO doc. Němeček: Neuvažoval jste využití vakua? ZODPOVĚZENO

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Mechanical Engineering Design (N-KSI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (člen)
doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Němeček, PhD. (člen)
Ing. Kateřina Dočekalová, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Čížek, Ph.D. (člen)
Ing. Jaroslav Baron (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D.

Cílem práce bylo navrhnout konstrukční řešení experimentální komory pro multi-materiálovou aditivní výrobu kovových materiálů technologií LPBF. Práce navazuje na výzkumné aktivity pracoviště v oblasti multi-materiálového tisku a reaguje na potřebu samostatné modulární platformy umožňující integraci nových nanášecích systémů, tiskových platforem a okruhu inertní atmosféry.

Student zpracoval rozsáhlou rešerši současných experimentálních zařízení a na jejím základě definoval požadavky na vlastní konstrukční řešení. Oceňuji systematický postup od koncepčních variant přes výběr řešení až po detailní návrh komory, distributorů inertního plynu a návazných konstrukčních uzlů. Významným přínosem je také fyzická realizace kritických částí a ověření jejich sestavitelnosti a základní těsnosti.

Slabší stránkou práce je až příliš detailní popis velkého množství ovlivňujících faktorů a omezené experimentální ověření celého zařízení.  Textová část je tak příliš rozsáhlá a místy obsahuje stylistické nedostatky. Práce splňuje požadavky závěrečné vysokoškolské práce a doporučuji ji k obhajobě s výsledným hodnocením „A“.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Petr Čížek, Ph.D.

Cílem diplomové práce je konstrukce a výroba tiskové komory pro experimentální použití s možností multimateriálového tisku. Práce navazuje na existující zařízení, které se má rozšířit a také na předchozí práce na daném pracovišti. Vychází se z detailního rozboru problému a kvalitního průzkumu stavu poznání. Výstupem je fyzicky smontovaná komora a její test těsnosti.

Definice cílů vychází z konstatování, že k experimentálním účelům musí být zařízení dostatečně modulární. Tato modulárnost však měla vycházet z rozboru plánovaných testů a konstrukčních variant. Prostorové požadavky různých způsobů nanášení multimateriálu nebyly uvedeny. Může nastat potřeba testovat komponenty, které se do komory nevlezou.

Velká část práce je věnovaná inertní atmosféře a optimalizaci distribučního traktu. Tato část rozšiřuje zadání práce a není jasné, zda je vynucena multimateriálovým nanášečem či jiným důvodem. Oproti stávajícímu uspořádání přináší zlepšení jen na menším úseku. Navíc se optimalizace provádí metodou pokus omyl bez detailního rozboru aerodynamických příčin.

Za slabinou práce považuji nedostatek číselných srovnání (podobně jako u simulací vtokového potrubí). Presentace CFD obrázků není dostatečná na odůvodnění lepší rovnoměrnosti proudu. Srovnání je zapotřebí udělat pomocí grafů křivek výstupního rychlostního profilu, případně vyhodnocovat faktor rovnoměrnnosti.

Použitý jazyk je obtížnější sledovat, text je zbytečně dlouhý a monolitický, v mnoha případech by pomohl strukturovaný text. Technické vyjadřování má být přímočaré, s využitím odrážek.

Práce je příspěvkem pro další využívání v rámci širšího programu a otevírá další rozvoj v budoucích diplomových pracích. Má tedy praktický kolektivní význam.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment B
Working process, extent and suitability of applied methods C
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout D
Grafic layout, used style and language level D
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Nastudujte v literatuře proudění symetrickým difuzorem/konfuzorem. Jaké jsou parametry pro vyhodnocení difuzoru? Popište nerovnoměrnost výstupního proudění a její příčiny. Jak se dá tato znalost využít pro řešení situace v mezilopatkových kanálech na obr. 5-55? Např.: Dejč: Technická dynamika plynů 1967, Idelčik: Hadbook of hydraulic resistance 2005)
  2. Nastudujte v literatuře metodu závojového chlazení spalovacích komor. Jak je možné vysvětlit proudění na obr.6-19 s menší tendencí se rozšiřovat vertikálně? Jaké jsou hlavní rozměrové parametry, které řídí rovnoměrnost a dosah proudění z vašeho distributoru? Např.: Storožuk: Spalovací komory 1978, Veselý S: Spalovací komory 2007.

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová