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Narendran & Perera, SIL 2018  1

3D Printing Opportunities for SSL Components  and Fixtures

Nadarajah Narendran and Indika U. Perera

Lighting Research Center Rensselaer Polytechnic Institute

Troy, NY 12180

Session Number: T2 S1 P1

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What is 3D printing?

3D printing process: • Objects are fabricated by depositing  material using print heads, nozzles, or  other material deposition or  solidification processes using a layer by  layer approach with digital information  from a computer‐aided design (CAD)  model.

• Also known as additive manufacturing  (AM) 

• Several types of AM processes

http://edition.cnn.com/TECH/spec ials/make‐create‐innovate/3d‐ printing/ Example of vat photopolymerization 

https://3dprinting.com/what‐is‐3d‐printing/

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3D printing processes and material

Polymer Metal

Ceramic

Material jetting Direct energy  deposition

Vat photopolymerization Material extrusion Binder jetting

Powder bed fusion Sheet lamination

Source: Adopted from IDTechEx 2018, Masterclass 7 handouts http://www.3ders.org/articles/20170524‐sculpteos‐newly‐released‐state‐of‐3d‐printing‐2017‐report‐shows‐a‐maturing‐market.html

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3D printer and material manufacturers

• 3D Printers • Thermoplastic extrusion

• Stratasys, Ultimaker, RepRap  • Selective laser sintering

• 3DSystems, EOS  • Vat photopolymerization

• Formlabs, 3DSystems, Carbon 3D • Direct metal laser  sintering/Electron beam melting

• EOS, GE (Concept Laser, Arcam) • Binder/Material jetting

• 3DSystems, hp, Stratasys

• Materials • Thermoplastic 

• BASF, ARKEMA, COVESTRO

• Vat photopolymerization:  • DSM, Dow Corning, Henkel

• Metal powder • SANDVIK Osprey, Renishaw, Advance  laser Materials  (EOS)

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Expanding market for 3D printing

• Industries who have embraced 3D printing for  manufacturing parts and systems 

• Automotive 

• Aerospace 

• Medical

• Consumer products

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Source: ARK investment Management LLC | ark‐investment.com, 2016Source: ARK Investment Management LLC , 2016 |ark‐investment.com

Successful implementation of 3D printing

CFM International’s 3D‐printed  fuel nozzle reduces part count  from 18 to just 1. (Image  source: ge.com)/

3D‐printed parts for the Rolls‐Royce Phantom.  (Image source: bmw.com)

Customizable  3D‐printed  electric shavers from  partnership between Philips,  Shapeways and Twikit (Image source: 3dprint.com)

3D‐printed shoes from Adidas  and Carbon (Image source:  3dprint.com)

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2012 2014 2016 2018 2020 2022

G lo

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Year

Forecast Max. Global 3D printing

Forecast Min. 3D printing

Global 3D Printing (estimated)

Global SSL market

Global 3D printing market projections • Global 3D printing market

• $3.1B in revenue in 2013 • $12.8B by 2018 • $21.0B by 2020. 

• 2017 AM service providers • 29% Metal and polymer • 20% Metal • 51% Polymer

Source: Adopted from data obtained including Wohlers , Allied Market Research, Canalys, CCS  Insight, Freedonia, Gartner, IBISWorld, Business Wire, IDC, Statista market research reports

[ Source: Wohlers Report 2014 ] 

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Reasons for pursuing 3D printing 

• Prototyping  • Product development   • Customization • Cost reduction • Weight reduction • Increased efficiency • Innovation  

Source: 3D printing: The next revolution in industrial manufacturing, UPS and Consumer  technology Association, 2016

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Can SSL Benefit from 3D Printing? 

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Vision for SSL and 3D Printing

Building design Construction Interior finishing

Custom lighting  fixture design

On‐demand, On‐site  custom  fixtures

Interior lighting  with custom  fixtures

Change Architectural Lighting Practice

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Why 3D print of SSL fixtures?

• Custom fixtures • Improved visual appeal and functions

• Faster new product introductions • Rapid prototyping

• Lower cost SSL fixtures • Reduce cost with composite heat sinks with tailored thermal properties • Reduced carbon footprint: Lower cost manufacturing on‐site (3D printing) • One‐step process: Print/integration of components • Reduce stored inventory of systems and parts

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Components of an LED lighting fixture

[LRC 2017]

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Recent studies

• Goal: To investigate if functional mechanical, electrical, and  optical components can be fabricated using current 3D  printing technologies and materials to manufacture SSL  lighting fixtures

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Mechanical Components

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Objective

• LED systems ‐ Metal heat sinks  • To keep LED junction temperatures low  • Drawbacks:

• Heavy, Expensive, Overdesigned thermal  management 

• Study objective:  • To investigate if custom heat sinks of  suitable thermal properties can be printed  using fused filament fabrication (FFF)  method

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Estimated Tj with 3D printed heat sinks 

Parameter Value Thermal power of LED package ( ) 1 ,2, 5, and 10 W LED package thermal resistance ( ) 10°C/W Diameter of LED package ( 12.7 mm Heat sink length ( ) 10.0 cm Heat sink width ( ) 10.0 cm Heat sink thickness ( ) 2.5 mm Heat sink surface emissivity ( ) 0.9 Ambient temperature ( 20°C

LED heat sink

LED package

Thermal conductivity of aluminum ~200 W m-1 K-1

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Thermal performance of 3D printed heat sinks

• In this study we investigated how  composite polylactic acid or polylactide (PLA) filaments with thermally  conductive fillers affect thermal  conductivity of printed heat sinks to  manage the junction temperature, Tj,  of the LED

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Estimated  Tj with different heat sinks

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

0.1 1 10 100 1000

L E

D c

hi p

ju nc

tio n

te m

pe ra

tu re

(°

C )

Heat sink thermal conductivity (W/(m·K))

Generic PLA Copper infused PLA variant A Copper infused PLA variant B Carbon fiber PLA Bronze infused PLA Graphene infused PLA Aluminum

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Heat sink temperature profile

• Thermal properties of  3D printed heatsink with  different materials

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Aluminum heat sink

100%

Graphene composite PLA

70%

Copper composite PLA

60%

Generic PLA

50%

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Heat sink geometry effects

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Tc=64 °C Tc=66 °C Tc=70 °C

8 mm

28 mm

5 mm

5 mm

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Predicting composite thermal conductivity

• To identify and verify a model that can accurately predict the composite material  thermal conductivity

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• Model predictions • Epoxy (κ=0.4 W m‐1 K‐1) • Copper (κ=400 W m‐1 K‐1) • Copper particle size=100 μm

• Experiment • Copper average particle sizes 5  and 150 μm in epoxy host  material

Terentyeva et al., 2017. 

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Summary

• Thermal conductivity of 3D printed  PLA components depends on build  orientation and filler material  properties 

• In‐plane thermal conductivity better  compared to cross‐plane ; greater than  30%

• Infill percentage increase increased the  thermal conductivity of 3D printed  components

• Need improved performance filaments  to meet thermal conductivity needs of  heat sinks for LED systems

In‐plane Cross‐plane