Metallin 3D-tulostus: pursotus+sintrauslaitteet saapuvat markkinoille

Metallin 3D-tulostuslaitteiden myynti on kasvanut viime vuosina merkittävästi. Jauhepetitekniikan ja suorakerrostustekniikoiden rinnalle metallikappaleiden valmistukseen on nousemassa kaksi uutta menetelmää, joissa kummassakin hyödynnetään jauhemaista raaka-ainetta, sidosainetta ja sintrausta.

Pursotukseen ja sintraukseen perustuvassa menetelmässä metallijauhe on sidottuna pursotusmenetelmässä käytettävän materiaalin joukkoon. Sidosaineruiskutukseen ja sintraukseen perustuvia menetelmiä on tulossa useilta eri valmistajilta (mm. HP Metal Jet, Desktop Metal Production, Stratasys LPM), hieman erilaisina versioina. Niissä hyödynnetään jauhepetiä suuremman tuotantonopeuden saavuttamiseksi.

Tässä kirjoituksessa perehdytään pursotus+sintraus menetelmään käytännön esimerkin avulla. Pursotus+sintraus menetelmiä valmistaa tällä hetkellä kaksi laitevalmistajaa: Markforged sekä Desktop Metal. Yritykset ovat keränneet viime vuosina taakseen runsaasti suuren kokoluokan toimijoita – Markforgedin rahoittajia ovat mm. Next47 (Siemens), Porsche SE ja Microsoft. Desktop Metal on puolestaan houkutellut sellaisia yrityksiä kuin Koch, GE, GV, Panasonic, Ford ja BMW.

3D-tulostusyritysten tapaan kummatkin yritykset ovat keksineet menetelmilleen omat nimityksensä. Markforged käyttää menetelmästään nimeä ADAM (Atomic Diffusion Additive Manufacturing), eli atomidiffuusioon perustuva lisäävä valmistus. Desktop Metal puolestaan kutsuu menetelmäänsä nimellä Bound Metal Deposition, suoraan suomennettuna siis sidotun metallin sijoitusmenetelmä.

Kummatkin laitteet ovat päätoimintaperiaatteiltaan samanlaiset – laitteissa on toki pieniä eroja mutta suurimmat eroavaisuudet löytynevät ohjelmistopuolelta. Yritykset ehtivät amerikkalaiseen tapaan riidellä valmistusmenetelmien samankaltaisuuteen liittyen oikeudessakin (puolin ja toisin) ennen kuin päätyivät sovittelumenettelyyn vuonna 2018.

Käytännössä kyseessä on pursotukseen, sidosaineen pesuun ja sintraukseen perustuva valmistusmenetelmä. Raaka-aineena oleva metalli pursotetaan muotoonsa sidosaineen avulla samaan tapaan kuin muovin pursotuslaitteissa yleensäkin – pursotusmateriaalina on metallifilamentti (sidosaine, jossa on mukana metalli jauhemaisessa muodossa). Printattu kappale laitetaan pesuun, jossa osa sidosaineesta pestään pois sintraustuloksen parantamiseksi. Pesun jälkeen kappale sintrataan, jolloin siitä palaa loput sidosaineet pois jättäen jäljelle tiiviin (96-99%) metallikappaleen.

Koska tulostusvaiheessa kappale valmistetaan filamentista jossa metallijauhe on sekoitettuna poistettavaan sidosaineeseen, skaalataan kappale ohjelmassa automaattisesti n. 20% suuremmaksi ennen tulostusta. Sintrauksessa kappale tiivistyy lopulliseen kokoonsa.

Kuten kaikissa uusissa valmistusmenetelmissä, tämänkin osalta valmistajilla meni ennakoitua enemmän aikaa saada prosessi toimimaan halutulla tavalla. Muutaman vuoden odotuksen jälkeen markkinoille alkoi vihdoin saapua laitteita. Markforged aloitti viime vuoden loppupuolella toimitukset niin ripeässä tahdissa, että vuoden loppuun mennessä oli toimitettu jo 200 järjestelmää. Desktop Metal puolestaan ei ole vielä aloittanut toimituksia, mutta lupailee niiden alkavan vuoden 2019 aikana.

Suomessa Markforgedin laitteistoja jälleenmyyvät Vossi Group ja PLM Group, Desktop Metal:in laitteita Protech. Toinen suomalaisista Markforgedin jälleenmyyjistä, Vossi Group, on toimittanut Suomeen tähän mennessä kaksi järjestelmää, joista toinen on yrityksellä itsellään. Koska pursotus+sintraus menetelmään perustuva laitteisto on myös Savonian 3D-tulostusympäristön investointihankkeen hankintalistalla, kävimme tutustumassa järjestelmän toimintaan Vossin tiloissa.

Selvyyden vuoksi on painotettava sitä, että pursotus+sintrausmenetelmä ei tule syrjäyttämään jauhepetitekniikkaan perustuvia metallilaitteita vaan se täydentää 3D-tulostusmahdollisuuksia eri käyttötarkoituksiin. Menetelmät poikkeavat toisistaan niin perustoiminnaltaan kuin valmistettavien kappaleiden ominaisuuksiltaan. Kummallekin menetelmälle löytyy kysyntää, sillä valmistettavien osien käyttökohteet poikkeavat toisistaan.

Tässä vielä lyhyesti joitakin pursotus+sintraus menetelmien etuja ja rajoitteita:

Etuja

  • Materiaalit: Koska menetelmä perustuu pursotukseen ja sintraukseen, ei kappaleen valmistuksessa ole samanlaisia heijastumiin tai lämpökuormiin liittyviä haasteita kuin laseriin pohjautuvissa prosesseissa. Toistaiseksi tarjolla oleva materiaalivalikoima on rajattu (ruostumaton teräs ja työkaluteräs), mutta lisää materiaaleja on tulossa (mm. Inconel 625, kupari)
  • Hinta: edullinen investointikustannus jauhepetitekniikkaan verrattuna
  • Käyttöturvallisuus: raaka-aine käsitellään filamenttina tai tulostuskasettina, ei jauheena
  • sisäiset kennorakenteet mahdollisia
  • keraaminen irrotuskerros tukirakenteen ja valmistettavan kappaleen välillä mahdollistaa kappaleen nopean irrottamisen.

Rajoitteita

  • Nopeus: pursotusmenetelmän heikkoutena on yhden kappaleen valmistus kerrallaan, menetelmä ei siis sovellu nopeudeltaan sarjatuotannon työkaluksi
  • Tarkkuus: skaalauksesta ja kutistumasta johtuen kappaleiden geometrinen tarkkuus ei ole samaa luokkaa kuin jauhepetimenetelmissä

Kappaleiden valmistaminen Markforged Metal X 3D-tulostuslaitteella

Kuva 1. Metal X tulostin, WASH 1 -pesulaite, SINTER-1 uuni

Kappaleen valmistus Markforgedin Metal X -laitteistolla voidaan jakaa toiminnallisesti neljään eri osaan. Koska kummankin yrityksen laitteistot ovat tekniikaltaan samankaltaisia, on Desktop Metal -yrityksen Studio järjestelmän valmistusprosessi hyvin samankaltainen.

  1. Siivutus
  2. Tulostus
  3. Pesu
  4. Sintraus

 

  1. Siivutus

Siivutus tapahtuu Markforgedin Eiger -ohjelman kautta. Samaa ohjelmaa käytetään kaikkien valmistajan laitteiden kanssa. Ohjelma on saatavina täysin pilvipalveluna (normaali käyttötapa), osittaisena pilvipalveluna (STL-tiedostot säilytetään paikallisesti), tai lisämaksusta myös täysin paikallisesti asennettavana versiona. Pilvipalvelupohjaiset ohjelmistot 3D-tulostuslaitteiden hallintaan ovat viime vuosina yleistyneet ja mahdollistavat raskaiden geometrioiden siivutuksen ilman tehokonetta.

Kuva 2. Eiger -ohjelmassa määritellään tulostuksen parametrit ja ohjelma antaa arviot tulostus- ja pesuajoista, materiaalikulutuksesta ja kustannuksista

Siivutuksen yhteydessä valitaan käytetty materiaali sekä joitakin valmistuksen parametreja mutta toistaiseksi valinnat ovat hyvin rajattuja. Ohjelmistopäivitysten myötä jatkossa avautuu vaikutusmahdollisuuksia mm. Kappaleiden sisäisiin infill -rakenteisiin. Siivutusohjelma antaa arvion tulostusajasta sekä tarvittavasta pesuajasta. Pienenä yllätyksenä voi tulla pesuajan pituus joka on usein moninkertainen tulostusaikaan nähden. Tarvittavaan pesuaikaan vaikuttaa mm. kappaleen geometrian poikkipinta-ala.

  1. Tulostus

Tulostus on toimintaperiaatteeltaan sama kuin pursotustekniikkaan perustuvissa muovitulostimissakin. Tulostusalustan päällä on kertakäyttöinen tulostuspaperi, joka kiinnittyy alipaineella lämmitettävään tulostusalustaan. Tämä mahdollistaa kappaleen helpon irroittamisen tulostuksen jälkeen. Filamentit (sekä metallifilamentti että keraaminen irrotuskerroksen filamentti) sijaitsevat tulostimen yläpuolella kammiossa, jota lämmitetään hetki ennen tulostuksen aloittamista filamentin notkistamiseksi.

Kuva 3. Filamenttien sijainti, suuttimen puhdistusasema, ennen tulostuksen aloitusta tulostusalue tulee puhdistaa

Kappaleen pohjalle valmistetaan tulostettavasta materiaalista pohjalevy, jonka paksuus on 3 mm. Tämän päälle tulostetaan lisäksi vielä tarvittavat tukirakenteet, sillä pursotusmenetelmässä tyhjän päälle tulostaminen ei ole mahdollista. Sallittu overhang näytti olevan testikappaleessamme n. 45 asteen luokkaa.

Tukirakenteen ja kappaleen väliin tulostetaan keraaminen irrotuskerros, joka on yksi pursotus + sintrausmenetelmän menetelmän parhaista puolista. Tämä mahdollistaa (ainakin periaatteessa) kappaleen irrottamisen ilman sahausta tai muuta työläämpää jälkikäsittelyä.

Tulostuksen aikana tulostuspäätä käydään puhdistamassa puhdistusasemassa lukuisia kertoja – välillä useampia kertoja kesken kerroksen tulostamisen. Pikaisesti ajatellen tulostusaseman sijaitessa vasemmassa takanurkassa kappaleen sijoituksella lähelle sitä voi säästää tulostusajassa. Tulostusaika on toisaalta nopein osa prosessia, joten sillä ei ole todennäköisesti juurikaan merkitystä läpimenoajan kannalta.

Kuva 4. Ohjelma täyttää automaattisesti isommat massat kennorakenteeksi. Valmis tuloste. Kosketusnäyttö ilmoittaa, kun kappale on valmistunut, jäähtynyt ja sen voi poistaa tulostusalustalta.

Tulostuksesta valmistuu ns. “green part”, joka on skaalattu 18,5% suuremmaksi kun materiaalina on ruostumaton teräs. Koska osalle tehdään ennen sintrausta vielä pesuvaihe, kutsutaan pesun jälkeistä osaa puolestaan ruskeaksi, ”brown part”.

  1. Pesu

Tulostuksen jälkeen kappaleet punnitaan ja niiden paino kirjataan ylös. Tämän jälkeen on pesuvaiheen vuoro.

Pesuvaihe kestää helposti yli vuorokauden, joten tulostimella on mahdollista valmistaa useita kappaleita, joita voidaan lisätä pesuvaiheen sekaan. Jotta pysyttäisiin kärryillä siitä missä vaiheessa pesu on minkäkin osan osalta, Eiger -ohjelmistossa voidaan syöttää pestävät kappaleet ja niille pesujen aloitusaika. Tämä mahdollistaa pesurin tehokkaan hyödyntämisen.

Kun pesuaika on suoritettu, nostetaan kappaleet hetkeksi (n. 10 min) valumaan pesualtaan yläosaan. Valutuksen jälkeen vuorossa on kuivaus pesurin toisessa kammiossa. Kuivaus kestää 4 tuntia, jonka jälkeen kappaleet punnitaan uudelleen.

Kuva 5. Pesupiste jakaantuu pesualtaaseen ja kuivausaltaaseen. Pesuvaiheen jälkeen vuorossa on kappaleen punnitus.

Pesuvaiheen tavoitteena on pestä pois kappaleista sidosainetta vähintään 4.2% kokonaispainosta. Koska pesuvaiheen tehokkuuteen vaikuttaa mm. kappaleen tilavuus, geometriset muodot sekä sisäiset rakenteet, ei pesuaika ole kaikille kappaleille sama. Valmistaja myös suosittelee pesemään kuppimaiset osat ylösalaisin pesun tehostamiseksi. Mikäli punnituksessa todetaan poistuman olevan alle tämän, laitetaan kappaleet uudelleen pesuun.

  1. Sintraus

Sintrausvaiheessa kappale tiivistyy lopulliseen muotoonsa. Valmistelevat toimenpiteet ovat suoraviivaisen helppoja, ja uunin kosketusnäytön ohjeistusta seuraamalla ne on suoritettu muutamassa minuutissa. Kappaleet laitetaan uuniin keraamisen levyn päällä. Ja ne tulee sijoittaa uuniin samassa asennossa kuin ne on tulostettu. Luonnollisesti kappaleita ei saa laittaa päällekkäin tai sisäkkäin.

Sintraus tapahtuu suojakaasussa (argon). Markforged suosittelee laitteiden käyttöön nestemäistä argonia, mutta myös kaasu näyttää toimivan. Kaasun lisäksi uunissa on suodattimia, jotka tulee vaihtaa säännöllisin väliajoin (riippuen uunin käytöstä).

Sintrausta ei saa keskeyttää aloittamisen jälkeen, eikä uunia avata kesken työvaiheen, sillä sintrauksen aikana kappaleen materiaali voi olla jauhemaisessa muodossa, jolloin se on mm. terveydelle vaarallista. Työturvallisuussyistä uunin sulkeminen ja avaus tapahtuvat kolmen pultin avulla jotka luukun sulkuvaiheessa kiristetään momenttiavaimella määrätylle kireydelle. Luukkua ei siis pysty avaamaan vahingossa.

Kuva 6. Kappaleet laitetaan uuniin keraamilevyn päällä. Uuni lukitaan kolmella pultilla. Uunin kosketusnäyttö näyttää työvaiheen kestoajan.

Sitrausaika on materiaalikohtaisesti vakio. Ruostumattomalle teräkselle (17-4 PH Stainless Steel) aika on 26 tuntia, riippumatta siitä miten paljon kappaleita on uunissa sisällä.

Kokonaisuudessaan valmistusaika testikappaleellemme oli n. 61 tuntia:

  • Tulostusaika 4h 37 min (+ n. 1h jäähdytys, ennen kuin kappaleen sai ottaa tulostimesta pois)
  • Pesuaika 26 h + valutus 20 min + kuivaus 4h
  • Sintrausaika n. 26 h

Työvaiheita tarkastellessa on hyvä huomioida, että sekä pesu- että sintrausvaiheisiin mahtuu useita kappaleita samanaikaisesti.

Miten sitten on kappaleiden mittatarkkuuden kanssa?

3D-skannasimme kaksi valmistettavaa kappaletta tulostuksenjälkeisenä ”green part” -osana ja vertasimme niitä lähtötietoina olleisiin STL-tiedostoihin. Mittauksen perusteella green partit olivat 18,5% suurempia kuin STL-tiedostot, joille siivutus tehtiin. Tämä on hyvin linjassa valmistajien ilmoittaman n. 20% skaalauksen kanssa.

Sintrausajan pituudesta johtuen emme ehtineet saamaan käsiimme esimerkkikappaleena käytettyä siivekettä, joten valmiin kappaleen mittatarkkuuden arviointia varten skannasimme yhden jo aiemmin valmistuneen kappaleen, jota vertasimme tulostuksen pohjana olleeseen STL-tiedostoon.

Seuraavassa kuvassa näkyy skannatun kappaleen mittatarkkuus vain toiselta puolelta, mutta kuten lukuarvoista näkee, kappale tiivistyy hyvin mallin mukaisiin mittoihin:

  • Mittapisteiden lukumäärä: 36146
  • Kokonaispoikkeama: keskiarvo 0,002 mm, keskihajonta 0,069 mm sisältäen 70,9% mittapisteistä (2*keskihajonta 95,2% mittapisteistä).
Kuva 7. Vasemmalla sintrattu tuloste (valmis kappale, joka on jo irroitettu alustasta), oikealla mittakuva.

 

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

Lauri Alonen
Projekti-insinööri
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

 

3D-skannauksesta: 3D-skannaus ja 3D-tulostus

3D-skannaus on 3D-tulostuksen tapaan laaja käsite jonka sisään mahtuu useita erilaisia prosesseja ja sovelluksia. Yleisesti ottaen 3D-skannauksella tarkoitetaan menetelmää, jossa kappaleesta muodostetaan virtuaalinen 3D-malli. 3D-Skannauksen menetelmiä on useita (mm. fotogrammetria, laservaloon sekä strukturoituun valoon perustuvat menetelmät).

Tässä blogikirjoituksessa keskitytään pääasiassa laserpohjaiseen, piirteiden avulla tapahtuvaan 3D-skannaukseen ja sen hyödyntämiseen 3D-tulostuksen yhteydessä. Aiemmassa blogikirjoituksessa käsiteltiin 3D-skannauksen käyttöä teollisuuden työkaluna (linkki: https://blogi.savonia.fi/3dtulostus/2018/08/28/3d-skannaus-osa-1-2-3d-skannaus-valmistavan-teollisuuden-tyokaluna/).

3D-skanneri on siis tässä tapauksessa laite, jolla tuotetaan dataa reaalimaailman kohteesta, esimerkiksi sen muodosta ja/tai ulkonäöstä. Skanneri heijastaa kohteeseen jonkin määrätyn kuvion ja kuvaa heijastetun kuvion yhdellä tai useammalla kameralla. Muotodata tuotetaan analysoimalla heijastetun kuvion muodonmuutoksia. Useat peräkkäiset muotodatat yhdistetään toisiinsa käyttämällä niissä esiintyviä yhteisiä piirteitä, esimerkiksi kohdistustarroista muodostuvia ”tähtikuvioita”.

Lopullinen skannerista ulos saatava muotodata on yleisesti mittapistepilvi 3D-avaruudessa, tai siitä luotu polygoni-pintamalli. Jotkut skannerit tallentavat lisäksi väritiedon jokaiselle mittapisteelle, jolloin skannauksesta syntyvä malli on realistinen myös värien puolesta.

Aika usein 3D-tulostuksen yhteydessä puhutaan 3D-skannauksesta menetelmänä, jolla olemassaoleva kappale voidaan kopioida. Tämä pitää kuitenkin harvoin paikkansa, sillä vaikka 3D-skannaus on hyödyllinen ja nykyisin laajasti käytetty menetelmä, on sen käytössä tiettyjä rajoitteita. Skannattavan kappaleen ulkomuodot voidaan tallentaa digitaaliseen muotoon, mutta kappaleen toimintaa tai sisäisiä rakenteita ei saada suoraan kopioitua.

3D-skannausta voidaan hyödyntää 3D-mallin luomisessa sekä kohteen 3D-mittauksessa. Sen avulla voidaan saada mittatietoa suhteellisen nopeasti ja helposti ja menetelmän käyttö on suomessakin kasvanut viime vuosina nopeaa vauhtia. 3D-mittauksessa hyöty tulee esille erityisesti silloin, kun kyseessä on perinteisin menetelmin hankalasti mitattavat muodot. Menetelmän käyttö tuotannossa vaatii usein erillisen mittausohjelmiston, jonka avulla mittadataa voidaan tarkastella tai verrata referenssimittoihin nopeasti.

Seuraavaksi käydään läpi muutama esimerkki 3D-skannauksen käytöstä 3D-tulostukseen liittyen, kun valmistusmateriaalina on muovi.

Esimerkki 1: Kipsipatsaan 3D-skannaus 3D-malliksi ja siitä eteenpäin 3D-tulostetuksi pienoismalliksi, sekä osaksi betonivalumuottia.

Tässä esimerkkitapauksessa tarkastelun kohteena oli kipsistä valmistettu patsas, jota päätettiin hyödyntää osana betonivalumuotteihin liittyvää testausta. Kipsi on materiaalina helposti 3D-skannattavaa.

Kuva 1. Patsaan 3D-skannaus, tietokoneelle muodostuva 3D-malli. Kuva: Lauri Alonen, 2018.

Patsaan 3D-skannaus tehtiin Creaform Handyscan 700 3D-skannerilla 1 mm mittapistevälillä. Tarvittaessa skannattuun malliin jääviä virheitä voidaan korjata suoraan 3D-skannerin mukana tulleella VX-elements ohjelmistolla skannausvaiheessa tai sen jälkeen. Tässä tapauksessa muuten täydellisesti skannatusta mallista korjattiin ohjelmistolla vain mallin pohjaan jäänyt reikä, jonka jälkeen 3D-malli tallennettiin STL-muotoon.

3D-tulostettavat kappaleet on hyvä tarkastaa ennen 3D-tulostusta pintamallissa esiintyvien virheiden varalta. Varsinkin STL-formaattiin tallennetuissa 3D-malleissa on usein erinäisiä virheitä, jotka voivat aiheuttaa valmistettavaan kappaleeseen virheitä. 3D-mallia voidaan vielä tarvittaessa korjata siihen soveltuvalla muokkausohjelmalla ennen 3D-tulostimelle viemistä. Tässä tapauksessa tarkastukseen käytettiin Netfabb Professional –ohjelmaa.

Kuva 2. Patsaan 3D-malli STL-polygonimallina ja siivutettuna 2D-mallina Netfabb ohjelmassa. Kuva: Lauri Alonen, 2018.

3D-skannauksen pohjalta luotu 3D-malli tulostettiin jauhepetitekniikkaan perustuvalla 3D-tulostimella (EOS P350), jota varten 3D-malli täytyy lopuksi siivuttaa 2D-kerroksiksi. Tarvittaessa mallin 2D-reunaviivoja voidaan korjata vielä 2D-kerrostasollakin. Lopuksi malli tallennetaan 2D-kerroksista koostuvassa SLI (slice layer interface) -formaatissa.

3D-tulostetun kappaleen tarkastelun jälkeen 3D-mallista päätettiin hyödyntää betonivalutestauksessa vain kasvot. Kasvoja muokattiin hieman paremmin käyttökohteeseen soveltuviksi, jonka jälkeen niistä valmistettiin pursotustekniikkaan perustuvalla 3D-tulostimella muotti. Valmistettua muottia käytettiin betonipylvään valussa.

Kuva 3. Patsaasta EOS EOSINT P350 jauhepetitulostimella tulostettu pienoismalli, patsaan kasvoista valmistettu muotti, betonista muovimuotin avulla valettu kasvo osana betonipylvästä Kuva: Lauri Alonen, 2018.

Esimerkki 2: 3D-tulosteiden valmistuksen laadunvarmistus

Lisäävän valmistuksen tunnetuimpia hyötyjä on sen soveltuvuus massaräätälöintiin. Valmistettavan tuotantoerän jokainen kappale voi olla erilainen ilman merkittävää vaikutusta valmistusprosessin toimintaan. Jokainen valmistettava kappale valmistuu geometriastaan huolimatta menetelmän mukaisessa mittatoleranssissa.

Toisaalta sama kappale pitäisi pystyä valmistamaan yhä uudelleen käyttämällä samoja tulostusparametreja, niin että kappaleen mittatarkkuus valmistuskertojen välillä säilyy muuttumattomana. Tämän esimerkin tarkoitus on havainnollistaa eroja pursotusmenetelmällä valmistettujen kappaleiden välillä. Pursotusmenetelmä on yksi yleisimmistä lisäävän valmistuksen menetelmistä.

Vaikka kappaleiden valmistuksessa käytettävä lisäävän valmistuksen menetelmä olisi sama, on eri koneiden ja laitteiden välillä eroja. Lisäksi valmistusmenetelmien toimintaan vaikuttaa suuri määrä muuttujia, joilla voi olla vaikutusta lopputulokseen. Testikappaleissa havaittuja eroja syntyi mm. käytetystä materiaalista, valmistettavien kappaleiden tulostusmäärästä (pidempi jäähtymisaika ennen seuraavaa kerrosta), käytetystä tulostimesta (erilainen siivutus, ajoparametrit, suutin, …).

Teollisuudessa edellä mainitut erot pyritään yleensä minimoimaan hyväksyttämällä kappaleen valmistus tietylle 3D-tulostinlaitteelle, ajoparametreille, eräkoolle ja materiaalille. Lisäksi varsinkin metallin 3D-tulostuksessa varmistetaan materiaaliominaisuuksien säilyminen testauksen ja mittauksen avulla.

Esimerkkikappaleen geometria on muokattu ja pienemmäksi skaalattu versio todellisesta teollisuuden kappaleesta, ja sitä valmistettiin materiaalin pursotusmenetelmään perustuvalla 3D-tulostimella (German Reprap x1000) viisi kappaletta kahdesta eri materiaalista. Suuttimen koko oli 0,8 mm, kerroskorkeutena 0,2 mm. Tulostuksen jälkeen kappaleet 3D-skannattiin ja niitä verrattiin keskenään sekä tulostuksen pohjana olleeseen STL-tiedostoon mittavirheiden havaitsemiseksi. Vertailussa käytettiin mittavirheiden värikarttaa sekä erillisiä mittapisteitä, jotka olivat sijoitettu kappaleen reunoille.

Testissä 1 materiaalina oli PLA. Testin kappaleet 1 ja 5 valmistettiin yksittäistulostuksina, kappaleet 2-4 valmistettiin samassa ajossa. Alla kuva testikappaleista tulostettuina.

Kuva 4. Testin kappaleet tulostuksen jälkeen.

Testikappaleen geometriassa on joitakin haastavia piirteitä pursottavalle tulostukselle ja yksi selkeä ongelmakohta jonka osalta tulostusjälki oli heikompi kaikissa kappaleissa. Havaittu virhe olisi ollut mahdollista välttää oikeanlaisen tukirakenteen avulla, sillä kaareva piirre oli juuri sillä rajalla, että tukirakenne olisi tarpeen. 3D-skannaus tuo esille mittavirheinä myös materiaalin pursotusmenetelmälle tyypilliseen tapaan aiheutuvat purseet, sillä kappaleita ei jälkikäsitelty ennen skannausta.

Värikarttaa tarkastellessa on hyvä huomioida se, että värikartassa on verrattu kaikkien tulosteiden mittaeroja STL-tiedostoon sekä toisiinsa. Kun mittavirheitä yhdistetään samaan kuvaan, huomioidaan niissä vain suurimmat virheet. Mikäli samassa mittapisteessä eri kappaleiden välillä on ollut heittoja sekä plus- että miinussuuntaan, huomioidaan niistä vain toinen. Jos esimerkiksi samassa pisteessä on ollut jossain kappaleessa -1 mm heitto, ja toisessa kappaleessa +0.5 mm heitto, on se värikartassa huomioitu suuremman heiton eli -1 mm mukaan.

Polyworksissa voidaan esittää poikkeamat (mittavirheet) mm. värikarttana sekä siihen liittyvänä taulukkona, jossa kuvataan poikkeamien keskiarvo, keskihajonta sekä keskihajonnan kerrannaiset (1-6* keskihajonta). Kerrannaisilla tarkoitetaan tässä yhteydessä sitä, montako prosenttia mittauksista sijoittuu keskihajonnan alueelle. Esim. 87% mittauksista osuu 1*keskihajonta –alueelle, 96% mittauksista 2*keskihajonta -alueelle, 98% mittauksista 3*keskihajonta -alueelle, jne.

Seuraavassa kuvassa on esitetty värikartat kappaleiden väliltä sekä STL-tiedostoon verrattuna. Kuten kuvasta ilmenee, suurin osa kappaleen geometriasta toistui ongelmitta. Ensimmäisen testin kappaleiden poikkeamat referenssikappaleeseen nähden:

  • Mittapisteiden lukumäärä: 13121950
  • Kokonaispoikkeama: keskiarvo 0,032 mm, keskihajonta 0,096 mm (83,5% mittapisteistä, 2*keskihajonta 95,3% mittapisteistä).
  • Positiivinen poikkeama: keskiarvo 0,069 mm, keskihajonta 0,095 (89,8% mittapisteistä, 2*keskihajonta 95,5% mittapisteistä).
  • Negatiivinen poikkeama: keskiarvo -0,036 mm, keskihajonta 0,051 mm (87,9% mittapisteistä, 2*keskihajonta 96,2% mittapisteistä).
  • Lisäksi 0,016% mittapisteistä ei mahtunut asetettujen toleranssirajojen (+/- 1 mm) sisäpuolelle.
Kuva 5. Vasemmalla vertailukuva STL-tiedostoon, keskellä tulosteiden keskinäinen vertailukuva, oikealla kuva tulosteesta. Mitta-asteikot: Max (> 1 mm), UpTol (0,5 – 1 mm), UpWarn (0 – 0,5 mm), LoWarn (0 – -0,5 mm), LoTol (-0,5 – -1 mm), Min (< -1mm).

Testissä 2 materiaaliksi valittiin UPM Formi, joka on PLA –pohjainen puukuitufilamentti. UPM Formi on havaittu hyvin kantavaksi materiaaliksi joka mahdollistaa selvästi jyrkemmät tulostuskulmat kuin perusfilamentit. Puufilamentissa oleva kuitu estää materiaalin kutistumista, mutta tekee samalla materiaalista PLA-materiaalia pehmeämmän ja joustavamman. Testin kappaleet valmistettiin yksittäistulostuksina.

Testin 2 osat näyttivät silmämääräisesti tarkasteltuna hieman tulostuslaadultaan paremmilta kuin PLA –materiaalista valmistetut kappaleet, sillä selvästi näkyvien purseiden määrä oli pienempi. Toisaalta muutamat selvät virhekohdat puolestaan näyttivät hieman karkeammilta. Koska siivutus tehtiin samoilla asetuksilla, toistui kappaleissa yleisesti ottaen samat virhekohdat tälläkin materiaalilla.

Seuraavassa kuvassa on esitetty värikartat kappaleiden väliltä sekä STL-tiedostoon verrattuna. Ensimmäisessä testissä käytetyn PLA-materiaalin tapaan suurin osa kappaleen geometriasta toistui ongelmitta. Kappaleiden poikkeamat (mittavirheet) referenssikappaleeseen nähden:

  • Mittapisteiden lukumäärä: 1029480
  • Kokonaispoikkeama: keskiarvo -0,049 mm, keskihajonta 0,121 mm (77,7% mittapisteistä, 2*keskihajonta 97,2% mittapisteistä).
  • Positiivinen poikkeama: keskiarvo 0,055 mm, keskihajonta 0,062 mm (90,8% mittapisteistä, 2*keskihajonta 98,3% mittapisteistä).
  • Negatiivinen poikkeama: keskiarvo -0,108 mm, keskihajonta 0,106 mm (88.2% mittapisteistä, 2*keskihajonta 97,2% mittapisteistä). Tulosten perusteella näiden kahden materiaalien välillä ei siis ole suurta eroa lopputulokselle.
  • Lisäksi 0,722% mittapisteistä ei mahtunut asetettujen toleranssirajojen (+/- 1 mm) sisäpuolelle.

 

Kuva 7. Vasemmalla vertailukuva STL-tiedostoon, keskellä tulosteiden keskinäinen vertailukuva, oikealla kuva tulosteesta. Mitta-asteikot: Max (> 1 mm), UpTol (0,5 – 1 mm), UpWarn (0 – 0,5 mm), LoWarn (0 – -0,5 mm), LoTol (-0,5 – -1 mm), Min (< -1mm).

Pursotusmenetelmään liittyy ominaispiirteitä kuten purseita sekä siivutusvirheistä aiheutuvia pieniä koloja, jotka aiheuttavat helposti mittavirhepiikkejä. Näiden laatuvirheiden määrään ja laatuun pääsee vaikuttamaan tulostusparametrien kautta mutta tätä testiä varten tulostusparametreja ei lähdetty erityisemmin optimoimaan.

Mittausten perusteella voidaan todeta, että pursotusmenetelmälläkin voidaan päästä kohtuullisen tarkkaan toistojälkeen. Jauhepetimenetelmän laatutasoon ja toistotarkkuuteen ei pursotusmenetelmällä yleisesti ottaen päästä, mutta käyttökohteetkin ovat usein hieman erilaisia. Pursotusmenetelmän laaja materiaalivalikoima, pääosin edulliset laite- ja materiaalikustannukset sekä mahdollisuus suuriinkin tulostusalueisiin pitävät huolen siitä, että menetelmä säilyttää asemansa yhtenä yleisimmistä lisäävän valmistuksen menetelmistä lähitulevaisuudessakin.

 

Lauri Alonen
Projekti-insinööri
Savonia-ammattikorkeakoulu

Joni Andersin
Projekti-insinööri
Savonia-ammattikorkeakoulu

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

3D-tulostuksen integrointi konelan opetukseen

Tämä blogikirjoitus käsittelee 3D-tulostuksen sisäänajoa Savonia-ammattikorkeakoulun konealan opetuksen sisällöksi. Lisäävä valmistus ei varsinaisesti ole mikään uusi ilmiö tuotekehityksen saralla, sillä ensimmäisiä 3D-tulostettuja kappaleita tehtiin Savoniallakin jo 2000-luvun alussa, muotoilun koulutuksen hankittua ensimmäinen lasersintraukseen perustuvan 3D-tulostimen (EOS P350). Tuohon aikaan 3D-tulostus kulki pikavalmistuksen nimellä ja sen katsottiin soveltuvan tuotannon sijaan lähinnä prototyyppien valmistukseen. Niinpä alkuvuosina 3D-tulostus Savonian sisällä palvelikin enimmäkseen maksullista palvelutoimintaa sekä alan tutkimusta, eikä levinnyt vielä opetukseen muotoilun koulutusta laajemmin.

Nykyinen konealan opetussuunnitelma, jossa 3D-tulostus on mukana, tuli käyttöön noin nelisen vuotta sitten. Tämä neljän vuoden jakso on ollut täynnä erilaisia oppeja ja oivalluksia siitä, miten 3D-tulostus voisi integroitua osaksi perusopetusta. Ensimmäinen haaste on ollut saada konetekniikan opettajat ymmärtämään ja omaksumaan lisäävän valmistuksen merkitys uutena valmistusmenetelmänä. Perinteisempiä valmistusmenetelmiä (takominen, valaminen, lastuava työstö, levytyöt, hitsaus, jne.) on opetettu koneinsinöörikoulutuksessa jo reilut 60 vuotta, joten kaikki opettajat eivät oikein vieläkään tahdo uskoa että lisäävä valmistus on noussut näin nopeasti varteenotettavaksi valmistusmenetelmäksi perinteisten rinnalle. Opiskelijat tosin ovat olleet huomattavasti ennakkoluulottomampia ja erityisen kiinnostuneita 3D-tulostuksesta. Osalla opiskelijoista onkin jo omat 3D-tulostimet kotona ja siten aiheessa ei ole enää heille mitään ihmeellistä.

Savonian konealalle 3D-tulostus saapui ensimmäistä kertaa vuonna 2009 kipsitulostimen (ZCorp Zprinter 450) hankinnan myötä. Kipsitulosteiden käyttökohteet ovat kuitenkin rajalliset, jonka lisäksi laitteisto osoittautui toiminnaltaan kovin epäluotettavaksi joten sitä hyödynnettiin opetuksessa lähinnä projektitöissä ja opinnäytetöiden yhteydessä. Laitteen toiminnan aikana kipsitulosteita käytettiin pienoismallien lisäksi mm. alumiinivalujen ja hiilikuitumuottien valmistamisessa.

Muutama vuosi kipsitulostimen hankinnan jälkeen 3D-tulostinlaitteiden kehityksessä tapahtui suuri muutos materiaalin pursotustekniikkaan perustuvien keskeisimpien patenttien rauettua. Avoimen RepRap – projektin myötä markkinoille alkoi saapua suuri määrä yksinkertaisia materiaalin pursotukseen perustuvia 3D-tulostimia. Savonialle ensimmäiset pursotustekniikkaan perustuvat 3D-tulostimet hankittiin 2011 jolloin tavoitteeksi asetettiin tiedon ja kokemuksen kerääminen siitä, miten 3D-tulostaminen tulee vaikuttamaan mm. kappaleen suunnitteluvaatimuksiin. Hankitut laitteet olivat Solidoodle –laitevalmistajan heikkolaatuisia mutta edullisia tulostimia.

Konkreettisesti 3D-tulostus saapui konealalle kuitenkin vasta ALVO-projektin myötä 2015- vuoden alkupuolella, jolloin lähdettiin kartoittamaan ja suunnittelemaan 3D-tulostusympäristön luomista Savonialle. ALVO-hankkeen pienen investointiosuuden myötä laitekanta laajeni kolmella uudella tulostimella.

Kuva 1. Hankittuja 3D-tulostimia vuodelta 2015

Konetekniikan koulutuksessa opiskelijoiden ensimmäinen konkreettinen kosketus 3D-tulostamiseen tulee ensimmäisen vuoden syksyn aikana ”valmistustekniikka 1” -opintojaksolla. Tämän opintojakson myötä opiskelijat saavat melko hyvän perustietouden lisäävästä valmistuksesta, tulostusprosesseista, tulostusmateriaaleista, tarvittavista ohjelmistoista ja erilaisista sovelluksista, joissa 3d-tulostusta käytetään nykyisin. Tämän lisäksi opintojaksoon sisältyy laboratorioharjoitukset, joissa kaikki opiskelijat pääsevät tulostamaan itse suunnittelemiaan kappaleita.

Ensimmäisen syksyn aikana konetekniikan opetussuunnitelmaan sisältyy myös ”3D-mallinnus”, ”tekninen piirtäminen” ja ”materiaalitekniikka 1.” -opintojaksot, jotka ”valmistustekniikka 1”:sen myötä tukevat lisäävän valmistuksen osaamistavoitteita. Varsinkin 3D-mallinnuksen opintojakso linkittyy erittäin tiiviisti 3D-tulostamiseen, koska tulostettavat kappaleet täytyy luonnollisesti ensiksi mallintaa / luoda geometria, jota tulostetaan. Tekninen piirtäminen puolestaan lisää opiskelijoiden ymmärrystä mm. valmistusdokumentaatiosta, valmistustoleransseista, pinnanlaadusta ja valmistusteknisistä vaatimuksista. Materiaalitekniikan opintojakso puolestaan tuo tarvittavan materiaaliteknisen osaamisen. Tavoitteena on ensimmäisen syksyn aikana saada konetekniikan opiskelijoille perusvalmiudet ja –osaaminen 3D-mallinnukseen, tekniseen piirtämiseen, konealan valmistusmenetelmiin, materiaalitekniikkaan sekä etenkin 3D-tulostukseen. Tämä pyritään saamaan aikaiseksi yhdistämällä teoriaa ja käytännön harjoittelua sopivassa suhteessa.

Ensimmäisen opiskeluvuoden kevätlukukaudella 3D-tulostus aukeaa erittäin konkreettisesti konetekniikan opiskelijoille orientaatioprojektin myötä. Tässä opintojaksossa opiskelijat pääsevät ensimmäisen kerran kosketuksiin todellisen tuotekehitysprojektin prosessiin. Opintojakson tavoitteena on ideoida, suunnitella, valmistaa ja testata todellinen laite, jossa on mukana liikkuvia osia, elektroniikkaa ja joku mekanismi, johon laitteen toiminta perustuu. Osa laitteen komponenteista valmistetaan 3D-tulostamalla lisäävän valmistuksen laboratoriossa. Aiheina kyseisellä opintojaksolla on ollut mm. höyrykone, vesipumppu, kuumailmapallo, 3D-tulostin, drone sekä laite, jonka liikettä tuottavana mekanismina on maltan risti.

Orientaatioprojektin toteutus myötäilee kansainvälistä CDIO (Concieve, Design, Implement ja Operate) pedagogista mallia, joka on käytössä useissa teknisissä yliopistoissa ympäri maapallon. Savonian konetekniikka onkin leikkimielisesti nimennyt orientaatioprojektin CDIO mallin ns. AFTT (Ass Forward To Tree) menetelmäksi, koska siinä ei varsinaisesti opeta projektinhallintaa ensimmäisen vuoden aikana.

Näinollen opiskelijaryhmät joutuvat tutustumaan tuotekehitykseen hieman ”perse edellä puuhun” menetelmällä. Niin kuin kaikissa erilaisissa pedagogissa malleissa, orientaatioprojektin oppimistulokset vaihtelevat erityyppisillä opiskelijoilla. Jotkut opiskelijat innostuvat suuresti ja kokevat oppineensa valtavasti kun taas jotkut ovat ”pihalla kuin lumiukot” opintojakson aikana. Kyseinen opintojakso on hioutunut vuosien saatossa ja olemme todenneet, että projektin aiheella on suuri merkitys opiskelijoiden motivaatiossa viedä projekti läpi alusta loppuun. Tavoitteena on viedä konkreettinen tuotekehitysprojekti läpi ideasta protoyypiksi hyödyntäen CAD – CAM ohjelmistoja ja eri valmistusmenetelmiä, mukaanlukien 3D-tulostus.

CDIO:n pedagogiseen menetelmään voi tutustua paremmin seuraavan webbilinkin kautta: www.cdio.org.

Savonian konealan orientaatioprojektin CDIO mallia voidaan kuvailla seuraavasti:

C (concieve) vaiheessa opiskelijat ideoivat ja luonnostelevat n. 4 – 5 hlön ryhmissä annetun projektin teeman mukaisia konsepteja. Esimerkiksi keväällä 2018 orientaatioprojektin teemana oli drone -lennokki, jolle tuli keksiä joku hyödyllinen käyttötarkoitus. Opiskelijat keksivät useita eri variaatiota dronen käyttöön, esim. ambulanssidrone, lääkekuljetusdrone, tavaroiden kuljetusdrone ja hälytysdrone.

D (design) vaiheessa opiskelijaryhmien tehtävänä on suunnitella valitun konseptin mukainen tuote. Suunnitteluvaihe sisältää tuotteen komponenttien ja kokoonpanon 3D-mallinnuksen SolidWorks-ohjelmalla, valmistuspiirustusten laatimisen, osaluettelon materiaalivalintoineen sekä valmistustoleranssien määrittelyt. Suunnittelussa opiskelijoiden tulee ottaa huomioon eri valmistusmenetelmien mahdollisuudet, rajoitteet ja valmistustoleranssit siten, että kappaleet ovat valmistettavissa ja lopputuote kokoonpantavissa.

Kuva 2. Esimerkkejä droneprojektin vaiheiden tuloksista: luonnosteluvaihe, 3D-CAD mallinnettu versio (Solidworks)

I (implement) vaiheessa alkaa prototyyppien rakentaminen. Ensimmäisessä vaiheessa siirrytään valmistustekniikan laboratoriotiloihin valmistamaan suunniteltujen laitteiden komponentteja. Suuri osa valmistettavista kappaleista on mahdollista valmistaa 3D-tulostamalla, jolloin tiedostot tallennetaan SolidWorksistä STL-formaattiin tulostusta varten. Tulostuksessa opiskelijat käyttävät pääasiassa pursottavia filamenttitulostimia. Filamenttimateriaalina on yleisimmin käytössä PLA, sillä se on tulostettavuudeltaan helppoa eikä siitä aiheudu juurikaan hiukkaspäästöjä tai hajuhaittoja tulostuksen aikana.

Kuva 3. Esimerkki droneprojektin osien 3D-tulostuksesta

Osien valmistuksen jälkeen opiskelijat kasaavat prototyypit ja siirtyvät sen jälkeen projektin viimeiseen vaiheeseen (O).

(O) operate on orientaatioprojektin viimeinen vaihe, jossa opiskelijat pääsevät testaamaan ja esittelemään valmiita prototyyppejänsä. Keväällä 2018 kaikkien ryhmien dronet saatiin lentämään.

Kuva 4. Esimerkkejä valmiista tuotoksista

Ensimmäisen vuoden jälkeen konealan opiskelijat pääsevät hyödyntämään 3D-tulostuksen osaamistaan seuraavan kerran 2. vuoden kevään tki-projekti -opintojakson myötä. Tässä opintojaksossa toteutetaan yrityksiltä tulevia tuotekehitysaiheita viemällä valtaosa uusista ideoista pienoismalleiksi, prototyypeiksi, mock-up malleiksi, jne.

Tähän opintojaksoon tulevat mukaan myös Savonian liiketalouden ja muotoilun opiskelijat ja he pääsevät työskentelemään monialaisissa projektiryhmissä koko kevään ajan. Kahden viimeisen vuoden ajan olemme vieneet kaikki 2. vuosikurssin opiskelijat Tampereen alihankintamessuille, jossa opiskelijoilla on ensimmäinen tki-projektin tehtävä: etsiä kevään projektin aiheita ja käydä vähintään viidellä osastolla tutustumassa teknologiateollisuuden alihankintatoimintoihin. Alihankintamessuilla alkaa vuosi vuodelta näkyä myös konkreettisemmin lisäävän valmistuksen ympärillä toimivia yrityksiä.

Konetekniikan kolmannen ja viimeisen vuoden aikana lisäävän valmistuksen osaaminen syvenee vielä joidenkin opintojaksojen (materiaalitekniikka 2, valmistettavuus, valmistusmenetelmät ja valinnainen AM-opintojakso) myötä. Tämän lisäksi opiskelijoilla on mahdollisuus suorittaa osa työharjoittelusta 3D-tulostuslaboratoriossa ja tehdä opinnäytetyö, jossa käsitellään 3d-tulostukseen liittyvää aihetta.

Tässä vaiheessa voidaan todeta, että lisäävä valmistus / 3D-tulostus on tullut jäädäkseen Savonian konetekniikan opetukseen ja tki-toimintaan. Tavoitteena on myös saada aiheeseen liittyvä opetus laajenemaan muille aloille Savoniassa, sillä tällä hetkellä ainoat 3D-tulostusta laajemmin opetuksessa hyödyntävät koulutusalat ovat muotoilu ja koneala. Tähän liittyvää pohjatyötä on tehty LIVA (Lisäävä Valmistus Pohjois-Savossa) hankkeessa valmistelemalla mm. vapaasti valittavia 3D-tulostuksen ”non-stop” –opetuskokonaisuuksia, jotka tulevat kaikkien Savonian opiskelijoiden ja täydennyskoulutuksen hyödynnettäviksi. Non-stop –termillä tarkoitetaan tässä yhteydessä sitä, että kurssit tulevat olemaan auki jatkuvasti, joten niitä voi suorittaa milloin tahansa. Pääosa kurssien teoriapuolesta suoritetaan moodle- ympäristön kautta, ja niihin liittyviä harjoitustöitä voi käydä suorittamassa Savonian 3D-tulostuslaboratoriossa itselle parhaiten sopivana ajankohtana.

Savonian 3D-tulostuslaboratorion osalta edessä on suuri askel eteenpäin vastikään käynnistyneen investointi & kehityshankkeen sekä lähivuosina tapahtuvan Savilahden kampukseen siirtymisen myötä. Tämän hetken suunnitelmien mukaan 3D-tulostuslaboratorio tullaan jakamaan kahteen osaan: yleisesti avoimena olevaan laboratoriotilaan sekä suljetumpaan, ns. ”tki” –puoleen, jossa laitteita pääsee käyttämään vain henkilökunnan opastuksella ja valvonnassa. Avoimeen käyttöön tuleva laboratoriotila saatetaan jopa sijoittaa uuden kampuksen ”sydämeen”, jolloin laboratoriotila on helposti saavutettavissa ja tekeminen näkyvää.

Vaikka laitteet jaetaankin fyysisesti kahteen tilaan, sijaitsevat ne kuitenkin saman kampuksen sisällä vain joidenkin minuuttien kävelymatkan päässä toisistaan. Taustalla on paitsi laitteiden ja materiaalien hankinta- ja käyttökustannukset myös oppilaitosympäristössä korostuva käyttöturvallisuustarve. Esimerkiksi metallin 3D-tulostuslaitteiden ja niiden materiaalien turvallinen käyttö vaatii tiettyjä pakollisia suojatoimenpiteitä, joten niiden sijoittaminen avoimeen ympäristöön ei tule olemaan mahdollista. Toisaalta taas valtaosa 3D-tulostuslaitteista on riittävän turvallisia ja helppokäyttöisiä, joten ne voivat olla opiskelijoiden käytössä kunhan laitteiden käyttökoulutus on suoritettu.

 

Anssi Suhonen
Konetekniikan Lehtori
Savonia-ammattikorkeakoulu

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

3D-tulostuksen käyttökohteita terveysalalla: case aivoverisuonet

 3D-tulostuksen käyttö anatomisten mallien valmistamiseen sekä opetukselliseen että operatiiviseen käyttöön on yksi lisäävän valmistuksen vanhimmista käyttökohteista terveysalalla. Niissä yhdistyvät mm. seuraavat 3D-tulostuksen hyvät puolet:

  • yksilöllisyys: jokainen valmistettava malli on erilainen sillä jokainen potilas on erilainen
  • hinta-laatusuhde: 3D-tulosteen valmistuskustannus esimerkiksi operointikustannukseen verrattuna on pieni ja valmistetut kappaleet laadukkaita. Lisäksi 3D-tulostus saattaa olla ainoa mahdollinen tapa valmistaa kappale.
  • nopeus: 3D-tulostetut kappaleet ovat nopeasti saatavilla
Kuva 1. Esimerkkejä 3D-tulostetuista kappaleista. Valmistajat/Laitteistot vasemmalta oikealle: HP Multi Jet Fusion 580, Mimaki 3DUJ-553, LulzBot/Polymaker, Lähde: Formnext 2018

Kyseessä on yksi 3D-tulostuksen vanhimmista käyttökohteista joten sen käytön luulisi olevan maailmanlaajuista. Käyttö onkin melko yleistä, mutta ei kuitenkaan vielä arkipäivää – varsinkaan Suomessa. Esimerkkejä käyttökohteista löytyy kuitenkin maailmalta jo runsaasti, ja esimerkiksi Materialise –yrityksen kartoituksen mukaan Yhdysvaltojen TOP-20 sairaalasta kuudellatoista on käytössä 3D-tulostusstrategia (ja osana sitä käytössä Materialisen Mimics –ohjelmisto).

Savonian LIVA –hankkeessa (Lisäävä Valmistus Pohjois-Savossa, 1.9.2016 – 31.12.2018) tutkittiin 3D-tulostuksen hyödyntämistä lääketieteellisten mallien valmistuksessa. Tutkimus toteutettiin yhteistyössä Kuopion Yliopistollisen Sairaalan Itä-Suomen Mikrokirurgiakeskuksen kanssa ja erityisenä kiinnostuksen kohteena oli multimateriaalitulostuksen hyödyntäminen eri käyttökohteissa.

Multimateriaalitulostuksella tarkoitetaan usean eri materiaalin käyttämistä tulostusprosessin aikana kappaleen valmistamiseen. Valmistetun kappaleen materiaaliominaisuudet voivat siis vaihdella eri kohdissa. Jotkin 3D-tulostusteknologiat toteuttavat multimateriaalitulostuksen sekoittamalla tulostusmateriaalin useista eri raaka-aineista, toisissa teknologioissa puolestaan ohjataan tulostusprosessia käyttämään raaka-ainetta eri lähteistä.

Tyypillisimpiä multimateriaalitulostuksen käyttökohteita ovat erilaiset kovuuden ja värien muutokset, mutta kyseessä voi olla myös huomattavasti monipuolisemmat muutokset esimerkiksi materiaalin sähkönjohtavuudessa. Teollisella puolella tällä hetkellä laitevalmistajien kärjessä ovat Stratasys (Polyjet) ja 3Dsystems (Projet), joiden järjestelmät perustuvat materiaalin ruiskutukseen.

Kuva 2. Multimateriaalitulosteita: Stratasys J750, Stratasys J750 (vokselitason tulostuksella, Fraunhoferin Cuttlefish -sovelluksella), Keyence, Lähde: Formnext 2018

Tutkimuksen kohteena oli aivovaltimopullistuman (aneurysma) mallitulosteen valmistaminen. Valmista tulostetta olisi tarkoitus käyttää opetuskäytössä operaation harjoittelussa ja lisäinformaation tuottamisessa neurokirurgeille.

Anatomisesti korrektin mallin 3D-tulostaminen perustuu luonnollisesti potilaan mittadatan käyttämiseen mallin luomisessa. Terveydenhuollossa yleisesti käytettyjä kuvantamismenetelmiä kuten tietokonetomografia (CT) ja magneettikuvaus (MRI) on mahdollista käyttää 3D-tulostuksen lähtötietona. Terveydenhuollon kuvantamismenetelmien käyttämä tiedostoformaatti on yleensä DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), joka on käytännössä suuri määrä ”kuvasiivuja”.

Ennen varsinaista tulostusprosessia lähtötieto täytyy muuttaa DICOM –muodosta mallinnusohjelmien yleisemmin tunnistamaan formaattiin. Toistaiseksi yleisin 3D-mallien tiedostoformaatti 3D-tulostuksen yhteydessä on pintamalli (STL).

DICOM –kuvan muuttaminen tulostuskelpoiseksi pintamalliksi ei ole vielä toistaiseksi automaattinen ”klik-klik” –toiminto vaan prosessissa on jonkin verran käsityötä mukana. Markkinoilla on kokonaisvaltaisia, kaupallisesti myynnissä olevia ohjelmistopaketteja kuten Materialise Mimics, mutta myös runsaasti vapaasti jaossa olevia ilmaisohjelmia kuten Invesalius ja 3D-Slicer. Yleistäen niiden välinen ero on käytettävyydessä – kaupallisissa ohjelmissa käytettävyyteen on kiinnitetty selvästi enemmän huomiota.

Käytännössä toimintaperiaate ohjelmilla on sama. Niillä saa eroteltua DICOM –kuvista eri tyyppiset massat (esim. luu, verisuonisto) enemmän tai vähemmän helposti, riippuen mm. DICOM –materiaalin laadusta. Ohjelmissa valitaan värikontrastien avulla haluttu massatyyppi, rajataan tarkastelu tietylle alueelle ja muodostetaan siivuista 3D-malli STL-muotoon. Muodostuvan kuvan tarkkuus riippuu käytetystä kuvaustarkkuudesta ja valintaan käytetyistä parametreistä. Kuvan hyödyntämisessä tulee huomioda se, mitä kuvattava massa itseasiassa on. Esimerkiksi aivoverisuonien osalta varjoainekuvassa näkyvä verisuonisto on itseasiassa verisuonen sisällä oleva veri. Mikäli kiinnostuksen kohteena on varsinaiset verisuonet, on niiden seinämät luotava ”verimallin” ympärille jälkikäteen.

Kuva 3. Varjoainekuva Invesaliuksessa, oikealla pintamalliksi muutettu verisuonisto Rhinoceros –ohjelmassa, jossa siitä rajattiin tulostettava alue lopullisen mallitiedoston luomista varten ja luotiin veren ympärille verisuonten seinämät.

Kun DICOM –kääntäjällä on luotu pintamalli, siirretään se soveltuvaan 3D-mallinnusohjelmistoon. Tekniikan alalla käytössä olevat suunnitteluohjelmat eivät yleisesti ottaen sovellu vapaamuotoisten, monimutkaisten pintamallien käsittelyyn. Pintamallien käsittelyyn soveltuvia mallinnusohjelmia ovat esimerkiksi vapaasti saatavilla oleva meshmixer (http://www.meshmixer.com/), edullisen hintainen Rhinoceros (https://www.rhino3d.com/), teknisempi ja kalliimpi Ansys Spaceclaim (https://www.ansys.com/products/3d-design/ansys-spaceclaim) tai Autodesk Netfabb (https://www.autodesk.com/products/netfabb/overview).

Mallinnusohjelmassa ensimmäinen tehtävä on mallin korjaus. STL-muotoisten pintamallien yleisin ongelma on se, että malliformaatti on aika herkkä ”hajoamaan”. Kun formaattiin tallennetaan dataa, tulee joukkoon usein runsaasti virheitä. STL-formaatissa pinta muodostuu eri kokoisista kolmioista, joten tallennusvaiheessa monimutkaisen tai kaarevan pinnan tallennus kolmioiksi voi tapahtua virheellisesti siten, että esimerkiksi kolmioiden pinta-alat menevät sisäkkäin tai päällekkäin. Mitä monimutkaisemmasta geometriasta on kyse, sitä todennäköisemmin virheitä esiintyy. Yleisimpiä virheitä ovat sisäkkäin menevät pinnat.

Kuva 4. Mallitiedosto siirrettynä meshmixer –ohjelmaan. Keskimmäisessä kuvassa näkyy pintamallin kolmioverkko, oikeanpuolimmaisessa kuvassa havaitut virheet.

Suurikokoisen, ”rikkinäisen” mallin avaaminen 3D-mallinnusohjelmalla voi helposti aiheuttaa ohjelmaan virhetilan, jonka seurauksena ohjelma kaatuu. Useimmissa ohjelmissa on automaattisia korjaustoimintoja, joiden avulla pystyy korjaamaan suurimman osan virheistä. Korjaustoiminnon käyttäminen on usein hidasta, mutta huomattavasti nopeampaa kuin virheiden korjaaminen käsin. Kaikkia virheitä ohjelma ei kuitenkaan osaa korjata automaattisesti, joten varsinkin monimutkaisisten mallien korjauksessa käsityötä jää vielä runsaasti.

Virheiden korjausten jälkeen vuorossa on mallin muokkaus. Esimerkiksi verisuonten tapauksessa verimallin ympärille luotiin verisuonten seinämät. Verisuonten seinämien paksuus vaihtelee välillä 0.25 – 0.5 mm joten kyseessä on työläs ja tarkkuutta vaativa työvaihe.

Verisuonten mallinnuksen osalta tutkimuksessa päädyttiin käyttämään kolmea eri ohjelmaa:

  1. Invesalius, jolla irroitettiin verisuonisto muusta sälästä ja tallennettiin STL-pintamalliksi.
  2. Rhinceros, jolla siivottiin mallia ja kasvatettiin verisuonille seinämä.
  3. Netfabb, jolla korjattiin mallin pinta ehjäksi ja virheettömäksi tulostusta varten.

3D-mallitiedoston valmistamisen jälkeen vuorossa oli varsinainen mallin valmistaminen 3D-tulostamalla. Ensimmäisenä oli tarkoitus kerätä tietoa multimateriaalitulosteiden ominaisuuksista, joten tehtiin testisarjoja eri kovuusasteilla. Tarkoituksena oli myös hankkia kokemusta Stratasysin uusimmasta laitteistosta, J750 –nimellä kulkevasta 3D-tulostimesta jossa lopputuotteen materiaali voidaan määritellä jopa kuutta eri materiaalia sekoittamalla.

Lähin Stratasys J750 laite löytyi tutkimuksen aikaan tanskalaiselta tulostuspalveluja tarjoavalta yritykseltä. Yrityksellä on ollut asiakkaina useita terveysalan toimijoita, mutta verisuoniin liittyen tulostus oli ensimmäinen. Ensimmäisessä kokeilussa valmistettiin 9 kpl sylinterimäisiä testikappaleita suurin piirtein verisuonten paksuuksilla sopivan kovuusasteen löytämiseksi. Testikappaleiden lisäksi tulostettiin myös ensimmäinen verisuonen mallikappale, joka valmistettiin laatikon sisään. Ajatuksena oli säilyttää laatikon avulla geometria oikeassa orientaatiossa, ja testausvaiheessa leikellä laatikosta verisuoni näkyville tarvittavilta osilta. Laatikko osoittautui kuitenkin liian sitkeäksi rakenteeksi, vaikka kovuudeksi määritettiin pehmein materiaali joka Stratasysin laitteella oli mahdollista (shore A27).

Kuva 5. Sopivan käsituntuman löytämiseksi valmistettiin eri kovuusasteilla (Shore A30 – Shore A60) lyhyitä testikappaleita, joita Mikrokirurgiakeskuksen neurokirurgit kokeilivat. Kuvassa oikealla neurokirurgian ylilääkäri Timo Koivisto (KYS Neurokeskus).

 

Kuva 6. Verisuonimallin ensimmäinen versio valmistettiin läpikuultavan laatikon sisälle, tarkoituksena säilyttää kappaleen geometria oikeassa asennossa testausten ajan. Vasemalla tuloste, oikealla 3D-malli.

Kokemuksista viisastuneena seuraava versio kokeiltiin ilman laatikkoa, ja pelkällä seinämärakenteella. Polyjet –menetelmällä ei voi tulostaa tyhjän päälle, joten verisuoni täytettiin tukimateriaalilla, joka Stratasysin tapauksessa on tärkkelyspohjaista. Tukiaineen poistaminen tapahtuu painepesulla, josta johtuen sen poistaminen ei näin ohuilla seinämillä onnistunut ilman, että kappaleen kestävyyttä riskerattiin. Se jäi siis paikoilleen verisuonen sisälle.

Kun verisuonen rakennetta kokeiltiin tarttujilla, se repesi. Syynä tähän on kova tukirakenne verisuoniston sisällä.

Kuva 7. Versiot 2 (ontto, tukirakenne sisällä) ja 3 (kiinteä, tukirakenteilla)

Kolmannessa versiossa verisuoni tehtiin joustavasta materiaalista täytettynä, ja suoniston kokoa hieman kasvatettiin. Samalla testattiin tolppamaisten tukirakenteiden toiminnallisuutta geometrian muodon säilyttämisessä.

Tulevaisuudessa tavoitteena on valmistaa verisuonet onttoina, ja suunnitelmissa on tutkia myös nestekierron lisäämistä todellisen tuntuman parantamiseksi. Tämä on periaatteessa mahdollista jo nyt, mutta vaatii hienosäätöä 3D-mallin suunnittelussa sillä tukirakenteet pitää suunnitella siten, että ne saadaan jälkikäteen poistettua.

Seuraavassa versiossa tutkitaan muun päärakenteen, ml. pääkallo mukaan ottamista, jotta verisuonten operointia voisi harjoitella oikeassa käyttöympäristössä.

Kuva 8. Potilaan pääkallo. Vasemmalla DICOM, keskellä pintamalli, oikealla jauhepetitekniikalla tulostettu malli

 

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

 

Formnext 2018- messujen tilannekatsaus, osa 2/2

Metallitulostuksen uusi aalto

Yhtenä Formnext –messujen kiinnostavimmista osa-alueista oli viime vuoden tapaan metallin 3D-tulostukseen liittyvät asiat. Metallin 3D-tulostusmarkkinat kasvoivat 2017 80% edelliseen vuoteen verrattuna. Tämän vuoden tilastoa ei luonnollisesti ole vielä saatavilla mutta messujen perusteella kasvuvauhti on edelleen kovaa.

Menossa on metallin 3D-tulostuksen “uusi aalto”, sillä itse valmistusmenetelmähän ei ole uusi asia. Jo 2000 luvun alkupuolella markkinoilla oli tarjolla laitteita useilta eri laitevalmistajilta mutta teollisuuden valmistusmenetelmänä se on kuitenkin yleistynyt ja arkipäiväistynyt vasta viime vuosien aikana. Taustalta löytyy mm. seuraavia syitä:

  • Laitteiden tekniset ominaisuudet ovat parantuneet ja materiaalikustannuksetkin ovat kääntyneet laskuun saatavuuden samanaikaisesti parantuessa.
  • Lopputuotekäyttöön tulevien osien sertifioinnit ja niihin liittyvät prosessit alkavat olla suurilla toimijoilla selvillä. Ilmailu- ja ajoneuvoteollisuuden toimijat sertifioivatkin kiihtyvällä tahdilla 3D-tulostettuja metalliosia yhä laajemmin käyttöön. Takana on nyt useiden vuosien kokemusta menetelmien soveltuvuudesta ja materiaalien käyttäytymisestä eli tehty tutkimus- ja tuotekehitystyö alkaa tuottaa hedelmää.
  • Keskeisiä patentteja on rauennut, mikä mahdollistaa ns. ”perustekniikan” hyödyntämisen entistä suuremmalle joukolle laitevalmistajia. Metallilaitteiden laitevalmistajia kun katsotaan niin markkinoille onkin tullut runsaasti uusia toimijoita aasian markkinoilta – kilpaillen samalla tekniikalla kuin perinteiset suuret länsimaalaiset toimijat. Myös näiden  ”halvempien” laitteiden laitevalmistajat tarjoavat entistä suurempia, perinteiseen jauhepetitekniikkaan perustuvia laitteita. Hinnat tosin ovat nousseet osittain jo hyvinkin lähelle länsimaisia toimijoita.
  • Uudet teknologiat: Metallin 3D-tulostusteknologiat ovat pitkään perustuneet pääosin joko jauhepetitekniikkaan tai suorakerrostukseen. Markkinoilla on nyt tullut (ja edelleen tulossa) ”uusia” teknologioita, jotka tosin useimmiten perustuvat vanhojen teknologioiden parantamiseen ja niiden yhdistelyyn. Näitä ovat esimerkiksi pursotus+sintraus –kombinaatioon perustuvat laitteet Markforgedilta ja Desktop Metallilta sekä HP:n & Stratasysin kehittämät järjestelmät joiden ennakoidaan tulevan myyntiin muutaman vuoden kuluessa.
  • Kappaleiden suunnitteluun käytettävät ohjelmistot ovat parantuneet ja niihin on alkanut ilmaantua ominaisuuksia, jotka helpottavat kappaleiden suunnittelua myös lisäävää valmistusta silmällä pitäen. Esimerkiksi topologian optimointiominaisuuksia on tarjolla useissa suunnitteluohjelmistoissa mahdollistaen paremmin 3D-tulostukseen soveltuvien kappaleiden tekemisen entistä helpommin.
Kuva 1.Esimerkkejä metallin jauhepetitekniikalla valmistettavista piensarjoista. Vasemmalla Bugatti Chiron cam cover (AlSi10Mg, 8 kpl/ajo, kerroskorkeus 60 µm, tulostusaika 4d 7h 42 min), Betatypen auton ajovalojen jäähdytysripoja (Alumiini, 384 kpl/ajo, kerroskorkeus 60 µm, tulostusaika 18 tuntia) ja oikealla Bionic productionin injektoreita (Inconel 718, 70 kpl/ajo, kerroskorkeus 45 µm, tulostusaika 22h 29 min)

Pursotukseen ja sintraukseen perustuvat menetelemät

Yksi tämän hetken hypetyksen kohteista on pursotukseen ja sintraukseen perustuvien 3D-tulostusmenetelmien saapuminen markkinoille. Niiden on mainostettu olevan edullisempia ja yksinkertaisempia kuin jauhepetitekniikkaan perustuvat laitteet, jotka ovat teknisesti kalliita ratkaisuja niin laitteistojen kuin materiaalienkin osalta. On kuitenkin hyvä pitää mielessä että  valmistusmenetelmät poikkeavat olennaisesti toisistaan joten ne eivät varsinaisesti kilpaile keskenään samoista käyttökohteista. Hieman yleistäen voidaan todeta että pursotusmenetelmä on edullisempi, mutta tulostusjäljeltään karkeampi. Jauhepetimenetelmä on puolestaan kalliimpi, mutta mahdollistaa tarkkojen ja vaativien kappaleiden valmistuksen.

Pursotus+sintraus –menetelmään perustuvien laitteiden ajatuksena on käyttää yleisemmin saatavilla olevaa MIM (Metal Injection Molding) –materiaalia ja sekoittaa se sideaineeseen. Tämä mahdollistaa pursotusmenetelmän käyttämisen kappaleen muodon luomisessa. Yksinkertaisesta toimintaperiaatteesta johtuen laitteiden valmistuskustannukset ovat jauhepetitekniikkaan verrattuna halvempia. Teknisesti prosessi menee seuraavasti:

  • 3D-tulostus (3D-printing): Valmistetaan pursotusmenetelmällä kappaleen muoto tukirakenteineen.
  • Sideaineen poisto (Debinding): Pesuvaiheessa 3D-tulosteesta pestään suurin osa sidosaine pois ennen sintrausta.
  • Sintraus (Sintering): Kappale sintrataan uunissa lopulliseen olomuotoonsa. Lopputuloksena on tiivis (96-99%) metalliosa.

Sintrauksen aikana kappale kutistuu noin 20% joka voi aiheuttaa tietyillä geometriamuodoilla haasteita, vaikka kutistuma otetaankin automaattisesti huomioon tulostusohjelmassa.

Tukirakenteita tarvitaan paitsi pursotusmenetelmän takia, myös myöhemman vaiheen tiivistymisen vuoksi muodon säilyttämiseen. Tukirakenne pitää huolen siitä, että kappale kutistuu oikeassa suhteessa koko geometrian osalta. Nerokkaana yksityiskohtana sekä Markforged että Desktop Metalin laitteissa tukirakenteen ja kappaleen väliin tulostetaan keraamista irroituskerros, joka mahdollistaa tukirakenteen helpon irroittamisen. Sintrauksen jälkeen tiiviistä osasta voidaan napsutella tukirakenteet keraamisen irroituskerroksen ansiosta helposti pois joka nopeuttaa jälkikäsittelyvaihetta huomattavasti.

Periaatteessa samaan toimintaperiaatteeseen perustuvia ratkaisuja tarjoavat useammatkin valmistajat. Muitakin toteutuksia ja laitevalmistajia on olemassa, mutta Markforged ja Desktop Metal ovat kaupallistamisessa pisimmällä tarjoten toimivaa pakettia tutkimus-ja tuotantokäyttöön. Markforged ilmoitti toimittaneensa asiakkaille jo 100 järjestelmää, ja että vuoden 2018 loppuun mennessä on toimitettu 200 kpl. Desktop metal puolestaan kertoi että toimitukset alkavat vuoden 2019 aikana.

Kuva 2. Vasemmalta oikealle: Markforged Metal X, Metal X –laitteen sintrausuuni, Desktop Metal Studio 3D-tulostin, DM Studion pesuri
Kuva 3. Vasemmalla Markforged Metal X -laitteella tulostettu levymäinen kappale kierteineen, oikealla Desktop Metal:in esimerkki. Myös pursotusmenetelmä mahdollistaa pienet piirteet, vaikka tarkkuus ei jauhepetitekniikan tasolle ylläkään.

Muita uutuuksia

HP on yksi viime vuosien seuratuimpia 3D-tulostinlaitteiden valmistajia niin muovin kuin metallin 3D-tulostukseen liittyen. Yritys toi muutama vuosi sitten markkinoille MultiJet Fusion –tekniikkaan perustuvat laitteet muovin 3D-tulostukseen ja seuraavaksi on vuorossa metallitulostinten vuoro. Metallilaitteet kulkevat nimellä Metal Jet,  ja niitä toimitetaan ensimmäisille asiakkaille 2020.  Tulevia käyttökohteita on julkisuudessa esitelty useammankin valmistajan toimesta ja Formnext –messuilla oli ensi kertaa esillä myös itse laite.

HP on markkinoinut laitteitaan nimenomaan sarjatuotantoon soveltuviksi ja ensimmäisten asiakkaiden joukosta löytyykin sellaisia yrityksiä kuin Volkswagen, joka on ilmoittanut valmistavansa jatkossa satojatuhansia osia metallin 3D-tulostuslaitteita. Metallin 3D-tulostuksessa ei siis ole enää prototyyppit ja piensarjat, vaan painotus on uusien teknisten ratkaisujen myötä siirtymässä entistä vahvemmin myös sarjatuotannon puolelle.

Kuva 4. Vasemmalla HP Metal Jet, Keskellä VW –konsernin vaihdekepin nuppi, oikealla esimerkki potentiaalisista tuotanto-osista.

Stratasys on yksi maailman suurimpia ja vanhimpia yrityksiä 3D-tulostuksen saralla, onhan yrityksen perustaja pursotusmenetelmän kehittänyt ja patentoinut Scott Crump. Stratasys on ollut pitkään markkinajohtaja pursottavaan tekniikkaan perustuvan teollisen valmistuksen puolella, tarjoten laitteita ja tulostuspalvelua varsinkin erityismateriaaleille kuten ULTEM ja PEEK.

Nyt yritys on tuomalla ratkaisuja myös metallipuolelle. Stratasys kutsuu menetelmää nimellä LPM (Layered Powder Metallurgy), ja se tulee myyntiin muutaman vuoden kuluttua. Itse laitetta ei vielä ollut näkyvillä, mutta muiden valmistajien tapaan esillä oli menetelmällä tehtyjä esimerkkikappaleita. Menetelmä poikkeaa muutamilta osin perinteisestä sidosaineruiskutusmenetelmästä – tarkempi kuvaus laitteen toiminnasta löytyy oheisen linkin takaa: https://www.youtube.com/watch?v=tqU0U6-sAM4

Kuva 5. Stratasys:in esimerkkikkappale LPM-metallitulosteesta ja menetelmän eduista verrattuna jauhepetitekniikkaan

3DSystems on maailman vanhin 3D-tulostusalan yritys (perustettu 1986) joka kehitti ja toi myyntiin ensimmäisen 3D-tulostimen, SLA-tekniikkaan perustuvan “SLA-1” -laitteen vuonna 1987. Yritys keskittyi pitkään muovitulostukseen kunnes vuonna 2013 osti metallin 3D-tulostukseen erikoistuneen Layerwisen ja lähti mukaan metallitulostinten kehitykseen. 3DSystems käyttää metallin tulostustekniikastaan termiä “Direct Metal Printing”. Viime vuosina yritys on panostanut entistä enemmän myös ohjelmistopuoleen ja tarjoaa tällä hetkellä monipuolista 3DExpert –ohjelmistoa, jolla tulostusprosessia voidaan hallita alusta loppuun saakka. Lisäksi siinä on laajat ja monipuoliset ominaisuudet geometrioiden muokkaamiseen. Ohjelma vaikuttaisikin olevan varteenotettava vaihtoehto Materialisen Magics –ohjelmistopaketille.

Kuva 6 .3Dsystemsin 3DExpert –ohjelman hienoja puolia on mm. helppo tapa mallintaa monipuolisesti erilaisia pinta- ja lattice-rakenteita.

Yritys järjesti Formnextin yhteydessä muutaman tunnin seminaaritilaisuuden, jossa kerrottiin tulevista muutoksista laitekantaan. Jatkossa 3D-systems tarjoaa teolliseen tuotantoon kahta eri kokoluokan laitetta: DMP Factory 350 ja DMP Factory 500 joissa on mm. automatisoitu jauheenhallintajärjestelmä.

DMP 350 koneesta on tarjolla myös ”Flex” –versio, joka nimensä mukaisesti soveltuu joustavammin tutkimus- ja tuotekehityskäyttöön. DMP –laitteissa tulostusalue on toteutettu irroitettavan kelkan avulla joka mahdollistaa nopeamman materiaalivaihdon.

SLM päivittää 280 konesarjansa jo kolmanteen sukupolveen vuoden 2019 aikana. Kakkosversiossa parannettiin mm. tulostuskammion kaasuvirtausta, ja kolmosversion suurimpiin parannuksiin kuuluu kestosuodatin, joka nopeuttaa ja helpottaa suodattimen vaihtoprosessia. Uutuutena oli myös koneeseen liitettävä automaattinen materiaalinkäsittelyasema joka nopeuttaa tulostuksen aloitusta huomattavasti.

Kuten kilpailijoidenkin vastaavissa järjestelmissä, automaattinen materiaalinkäsittely käytännössä kuitenkin pakottaa yhden valitun materiaalin käyttöön. Vaikka koneeseen tarvittaessa pystyykin vaihtamaan toisen materiaalin, on materiaalinvaihto huomattavasti hitaampaa ja työläämpää kuin ilman materiaalinkäsittelyasemaa.

SLM:n osastolla oli esillä Divergent Blade –urheiluauton korirakenne, joka on 3D-tulostettu alumiinista ja titaanista. Runkorakenne painaa vain 46 kg, kun valmiin auton kokonaismassa on 630 kg. Yksipaikkaisessa autossa on 760 hevosvoimaa ja se kiihtyy 0-100 km 2,2 sekunnissa eli todennäköisesti kohderyhmänä ei tälläkään autolla ole lapsiperheet.

Kuva 7. Divergent Blade ja 3D-tulostettu korirakenne.

Trumpf esitteli messuilla laajan laitevalikoiman lisäksi uutta vihreään laseriin perustuvaa järjestelmää, joka mahdollistaa mm. kuparin ja kullan 3D-tulostuksen. Kupari on materiaalina haastava tulostettava heijastavasta pinnanlaadusta johtuen mutta Trumpfin ratkaisi ongelman käyttämällä vihreän laserin aallonpituutta. Yritys oli myös päivittänyt suurinta teollisen mittakaavan jauhepetilaitteistoaan (TruPrint 5000) mm. lämmitettävällä (500 °C) tulostusalustalla.

Renishawin osastolla oli esillä RenAM 500Q, yrityksen uusin teolliseen käyttöön tarkoitettu 3D-tulostusjärjestelmä joka on varustettu neljällä 500W laserilla ja melt pool monitoring –järjestelmällä.

Additive industries esitteli Metalfab1 -järjestelmäänsä uuden jälkikäsittelymoduulin, joka hoitaa samassa työvaiheessa jauheenpoiston, kappaleiden sahauksen ja tulostusalustan suoristuksen koneistamalla. Yrityksen tulostusjärjestelmän voi tällä hetkellä muodostaa seuraavista moduuleista: 3D-tulostusmoduuli 1-4 laserilla varustettuna (max. 4 kpl järjestelmässä), lämpökäsittelymoduuli, edellä mainittu uusi jälkikäsittelymoduuli, varastointimoduuli (max. 12 kpl varastossa) ja purkumoduuli.

Kuva 8. Additive Industries –järjestelmällä alkaa olla jo pituutta. Oikealla EOS:in osastolla esillä ollut Siemensin uusi 3D-tulostamalla valmistettava SGT-800 polttimen kärki, materiaalina EOS NickelAlloy HX. Valmistaminen 3D-tulostamalla on mahdollistanut paremman geometrian (13 osaa -> 1 osa, kevyempi rakenne, parempi jäähdytys) sekä merkittävän toimitusajan nopeutumisen (26 viikkoa -> 3 viikkoa).

 

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

Generative design – suunnittelun uusi sukupolvi

Viime vuosien aikana markkinoille on tullut suunnitteluohjelmia, joiden toimintaperiaatteeksi kerrotaan “generative design”, eli generatiivinen suunnittelu. Niitä mainostetaan topologian optimoinnin seuraavaksi sukupolveksi ja käyttökohteina mainitaan erityisesti 3D-tulostettavat tuotteet.

Generatiivisella suunnittelulla tarkoitetaan iteratiivista suunnitteluprosessia, jossa ohjelmisto luo tietyn määrän ratkaisuvaihtoehtoja, jotka täyttävät ohjelmalle asetetut reunaehdot ja suunnittelukriteerit. Ohjelmistoa käyttävä suunnittelija rajaa vaihtoehtojen määrää säätämällä kriteerien raja-arvoja. Generatiivisen suunnittelun avulla voidaan käydä läpi suuri määrä ratkaisuvaihtoehtoja ja optimoida tulosta haluttuun suuntaan. Suunnitteluprosessin luonne myös pakottaa määrittämään suunnittelukriteerit huolellisesti ennen suunnittelun aloittamista. Tästä syystä generatiivinen suunnittelu on vaativaa ja edellyttää ainakin jonkin verran mekaniikan ja materiaalien ominaisuuksien tuntemista sillä tietokone tai tekoäly ei tee suunnittelutyötä kokonaan ihmisen puolesta tälläkään menetelmällä.

Ratkaisujen ”hyvyys” riippuu käytetystä ratkaisualgoritmista. Monesti suunnittelussa tavoitteena on toiminnallisuuden lisäksi minimoida kappaleen massa jolloin myös suunniteltavan kappaleen lujuustarkastelu on olennaista. Ainakin joihinkin generatiivisen suunnittelun ohjelmistoihin sisältyy myös lineaaristen jännitysten FEM-laskenta. Tämä voi joissain ei-kriittisissä kompakteissa rakenteissa olla riittävä, mutta suurempien, merkittävää kuormaa kantavien, riskialttiiden tai muuten kriittisten rakenteiden osalta on syytä tehdä erillinen varsinainen lujuuslaskenta suunnitellun kappaleen vaatimustenmukaisuuden toteamiseksi. Näin voidaan varmistua kappaleen kuormankanto- ja muodonmuutoskyvystä, stabiliteetista, värähtelyominaisuuksista sekä väsymiskestosta.

Savonialla testattiin Generatiivista suunnittelua Autodeskin Fusion 360 –ohjelmistolla. Testattavaksi rakenteeksi valittiin selkeän ja hyvän vertailukohdan saamiseksi kuvassa 1 esitetty fiktiivinen korvake, joka on muodoltaan ja rakenteeltaan varsin perinteinen metalliteollisuudessa käytetty osa. Savonian ALVO -projektissa testikappaleelle tehtiin topologiaoptimointi kahdella eri ohjelmistolla (PaReTo-Works ja SolidThinking Inspire). Korvake on siis myös eri optimointimenetelmien vertailun mielessä mielenkiintoinen. Allaolevassa kuvassa esitetty korvakkeen optimoitu versio on suunniteltu uudelleen kahden optimointikierroksen perusteella.

 

 

Kuva 1. Fiktiivinen korvake, josta tehtiin ALVO-projektissa topologia-optimoitu versio. Vasemmalla perusosa, oikealla optimoitu versio.

Generatiivinen suunnittelu lähtee liikkeelle määrittämällä suunnittelukriteerit. Aluksi on määriteltävä suunniteltavan kappaleen materiaali tai materiaalivaihtoehdot, valmistusrajoitteet, tarvittavat toiminnalliset piirteet (säilytettävä geometria), liittyvien osien ja työkalujen tilavaraukset (estegeometria) sekä käytettävät kuormat, varmuusluku kuormien suhteen ja reunaehdot. Kuvassa 2 on esitetty näitä suunnitteluvaiheita Autodesk Fusion 360 ohjelmassa.

Kuva 2. Korvakkeen generative design –aihio, estegeometria (liittyvät osat, luoksepäästävyys työkaluille jne.), säilytettävä geometria, käytetyt kuormat ja reunaehdot, valmistusrajoitteet ja materiaali

Lähtötietojen määrittämisen jälkeen suunnittelualgoritmi luo muuttujien määrän perusteella joukon ratkaisuja. Korvake-esimerkissä muuttujana on vain tulostussuunta (kappale halutaan 3d-tulostaa). Tulostussuunta X, Y tai Z suuntaan 45 asteen säännön rajoittamana eli kappaleeseen ei saa muodostua tulostussuuntaan nähden päälle kaatuvia eli negatiivisia pintoja yli 45 asteen kulmassa. Muita mahdollisia muuttujia voivat olla eri materiaalit tai eri valmistusmenetelmät omine muuttuvine rajoitteineen. Kuvassa 3 on esitetty Fusion 360 ohjelmiston pilvessä luomat ratkaisut korvakkeen muodoksi.

 

Kuva 3. Ratkaisut

Kuvissa 4 ja 5 näkyvät ratkaisujen 1 ja 2 3D-mallit ja asetettuja kuormia vastaava lineaarisen staattisen analyysin jännitystila. Fusion 360 –ohjelmiston luomasta jännityskuvaajasta ei voida lukea paikallisia tarkkoja jännityksen arvoja, joten se on vain erittäin karkea suuntaa antava analyysi jopa lineaariseksi jännitysanalyysiksi.

Kuva 4. Ratkaisu 1, jännitykset
Kuva 5. Ratkaisu 2, jännitykset

Edellämainitun testikappaleen lisäksi alla on esitelty muutama kuva ohjelman tutoriaalin esimerkkikappaleesta. Autodeskin Fusion 360 tutorial-materiaaleista löytyy harjoituksia, joiden avulla generatiivisen suunnittelun kanssa pääsee hyvin alkuun. Kuvassa 6 on esitetty eräässä harjoituksessa käytetty malli.

 

Kuva 6. Autodeskin tutoriaalissa käytetty malli

Edellä esitetyn harjoitusmallin ratkaisuksi saadaan 16 eri vaihtoehtoista muotoa. Muodot on esitetty kuvassa 8. Harjoituksessa muuttujina on neljä eri materiaalia ja neljä eri valmistustapaa (3D-tulostus X, Y ja Z suuntiin sekä rajoitteeton valmistusmenetelmä).

Kuva 7. Tutoriaalin kappaleen ratkaisut

Fusion 360 ohjelmistossa on neljä erilaista tapaa tarkastella ohjelman luomia ratkaisuja: pikakuvakkeet, pikakuvakkeet ja ominaisuudet, parvikuvaaja sekä taulukko. Eri tarkastelutavoilla on helppo verrata ratkaisujen ominaisuuksia keskenään ja painottaa tai rajata tiettyjä ominaisuuksia. Kuvassa 9 esitetty ratkaisut taulukkomuodossa.

Kuva 8. Tutoriaalin ratkaisut, taulukko

Korvakkeen ratkaisuista 1 ja 2 päätettiin tehdä myös koetulosteet Savonian 3D-tulostuslaboratoriossa. Vertailun vuoksi tulostettiin myös ALVO-projektin korvakkeet. Kaikki tulosteet onnistuivat hyvin, valmiit kappaleet on esitetty kuvissa 9 ja 10.

Kuva 9. Topologia-optimoitu korvake tulostettuna, versiot vasemmalta alkaen: alkuperäinen, 1. optimointi, 2. optimointi, 3.optimointi (alumiinituloste)
Kuva 10. Generatiivisella suunnittelulla aikaansaadut korvakkeet tulostettuna (ratkaisut 1 & 2)

Generatiivinen suunnittelu on mielenkiintoinen lisä suunnittelumenetelmiin. Erityisesti erikoisempaa design-tuotetta suunnitellessa menetelmä on varmasti käyttökelpoinen. Myös korkean teknologian tuotteet esimerkiksi ilmailuun, avaruustekniikkaan tai huippu-urheiluun liittyen ovat potentiaalisia käyttökohteita. Näissä sovelluskohteissa kappaleen massan tai tilavuuden optimoinnilla voi olla huomattavasti suurempi merkitys kuin suunnittelu- tai valmistuskustannuksilla. Myös kalliimpien valmistusmateriaalien tapauksessa massan optimointi voi olla kannattavaa korkeista suunnittelu- ja valmistuskustannuksista huolimatta.

Menetelmä on kuitenkin monimutkainen ja työläs käyttää, joten sen käyttö yksinkertaisiin ja karkeisiin teollisuuden tuotteisiin ei ole tarkoituksenmukaista. Suunnitteluprosessin tuotoksena syntyvien kappaleiden monimutkaiset muodot puolestaan rajaavat valmistusmenetelmät käytännössä valu- ja 3D-tulostusmenetelmiin.

 

 

Simo Mäkinen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

Suorakerrostus ja 3D-tulostus roboteilla

Suorakerrostus (DED – Direct Energy Deposition) on metallien lisäävän valmistuksen menetelmä, joka hyödyntää eri vaihtoehtoja ja yhdistelmiä lämmöntuonti- ja materiaalinsyöttötekniikoista. Suorakerrostusmenetelmä mahdollistaa myös useamman eri materiaalin yhtäaikaisen syöttämisen valmistettavaan kappaleeseen. Materiaali syötetään lanka- tai jauhemuotoisena. Vaihtoehtoja lämmöntuonnille suorakerrostuksessa on käyttää lasersädettä, elektronisuihkua tai valokaarta. Tulostuspään liikuttamiseen käytetään joko robottikäsivartta tai mekanisoitua moniakselista liikejärjestelmää. Tekniikkaa tarjoavien laitevalmistajien käyttämiä termejä suorakerrostuksesta ovat ainakin seuraavat:

  • DLF (Directed light fabrication)
  • DMD (Direct Metal Deposition)
  • EBAM (Electron beam additive manufacturing)
  • EBF (Electron beam freeform fabrication)
  • LaserCast
  • Laser Direct Casting
  • Laser Generation
  • LBMD (Laser based metal deposition)
  • LC (Laser consolidation)
  • LENS (Laser engineered net shaping)
  • LFF (Laser freeform fabrication)
  • LHW (Laser hot-wire additive manufacturing)
  • LMD (Laser metal deposition)
  • RPD (Rapid Plasma Deposition)
  • WAAM (Wire and arc additive manufacturing)
  • 3D Laser Cladding

Suorakerrostuksen etuja ovat lähes rajoittamaton tulostusalueen koko ja mahdollisuus käyttää tulostusalustana perinteisillä menetelmillä valmistettuja aihioita, kuten vaikkapa putkea tai jopa valmista koneenosaa. Tekniikka soveltuu hyvin pinnoitus- ja muihin teollisuuden korjaus ja kunnostustöihin. Materiaalia säästyy, kun aihion päälle tulostetaan vain haluttu muoto. Tarvetta tämän tyyppisille sovelluksille löytyy ainakin prosessi- ja energiateollisuudesta.

Kuva 1. Kappaleeseen lisättyä muotoa suorakerrostuksen avulla. (Lähde: Formnext 2017)

Lankasyöttöisen laser-suorakerrostuksen etuja verrattuna jauheeseen pohjautuviin järjestelmiin ovat puhtaampi toimintaympäristö, pienemmät raaka-aineen (langan) tuotantokustannukset, ympäristöystävällisempi raaka-ainevalmistus ja korkeampi tuottavuus. Lankasyöttöisellä suorakerrostuksella valmistetut kappaleet eivät ole yhtä tarkkoja kuin jauhesyöttöisillä menetelmillä valmistetut. Yleensäkin suorakerrostusmenetelmät häviävät mittatarkkuudessa jauhepetimenetelmille.

Osana Savonia-ammattikorkeakoulun LIVA-hanketta on aiemmin tutkittu lankasyöttöisen suorakerrostusmenetelmän soveltuvuutta metallikappaleiden valmistamiseen. Aihealueen tutkimusta on tehnyt Kai Perttola diplomityössään: ”Soveltuvuustutkimus metallikappaleiden lisäävästä valmistuksesta (lankasyöttöinen suorakerrostus)”, linkki työhön: http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201708298260. Perttolan tutkimus koostui kirjallisuuskatsauksesta ja käytännön osuudesta, jossa valmistettiin metallikappaleita Savonian CMT-hitsauslaitteistoa hyödyntävällä suorakerrostusmenetelmällä. Suorakerrostusmenetelmällä valmistettiin erilaisia koekappaleita ja standardin SFS 3475 mukaisia vetokoesauvoja. Sauvoja valmistettiin sekä kuormitussuuntaan että kohtisuoraan kuormitussuuntaan nähden. Vetokokeen tulokset osoittivat, että kuormitussuunnan mukaisesti valmistetuilla sauvoilla on suurempi kuormankantokyky kuin kuormitussuuntaa vastaan valmistetuilla sauvoilla.

Kuva 2. Savonian CMT-suorakerrostuksella valmistettu koekappale

Metallien suorakerrostukseen on olemassa laitteita sekä kokonaisten järjestelmien että erillisten tulostuspäiden muodossa. Kuten missä tahansa 3D-tulostimessa, myös suorakerrostuskoneissa on prosessinmukainen tulostuspää, tulostusalusta ja muut tarvittavat lisävarusteet, kuten suojakaasujärjestelmä ja langan/jauheensyöttölaitteisto.

Valmiit koneet mahdollistavat helpommin muun muassa erikoismetallien, kuten titaanin 3D-tulostamisen, sillä tällaiset materiaalit vaativat puhtaan suojakaasun ympäröivän tilan. Ilman sisältämät happi ja typpi sekoitettuna suojakaasuihin aiheuttavat virheitä suojakaasun käyttöä vaativissa tulosteissa. Nämä laitteet kuitenkin ovat suurikokoisia ja kohtuullisen kalliita, eivätkä niiden tulostusalueet ole järin suuria.

Suorakerrostuspäät ovat laitteita, jotka ovat suunniteltu käytettäväksi olemassa olevien käsivarsirobottien, tai moniakselisten käsittelylaitteiden jatkeena. Tulostuspäät ovat verrattain halpoja verrattuna valmiiseen suljettuun järjestelmään. Lankasyöttöisten päiden (johon kuuluu rungon lisäksi optiikka ja langansyöttö) hinnat alkavat noin 50 000-60 000 eurosta, kun taas suljetun järjestelmän hinta voi olla kymmenen kertaa suurempi. Niiden etuna on hinnan lisäksi suuri tulostusalueen koko, jota rajoittaa vain robotin tai käsittelylaitteen ulottuvuus. Suorakerrostuspäähän kuuluu laseroptiikka, lisäaineen syöttö ja mahdollisesti jäähdytys, tai monitorointilisälaitteita.

Tulostuspäitä, kuten suljettuja järjestelmiäkin on niin lanka- kuin jauhesyöttöisinä. Lankasyöttöinen valokaariprosessi tarkoittaa pelkkää kaarihitsausta aivan tavallisilla hitsauslaitteilla, jolloin mistään tulostuspäästäkään ei tarvitse puhua, sellaisen ollessa pelkkä hitsauspoltin. Laseriin tai elektronisuihkuun perustuva lankasyöttöinen suorakerrostus pohjautuu puolestaan lisäaineelliseen sädehitsaukseen. Jauhesyöttöinen tulostus taas on hyvin vastaavanlainen kuin jauhepetimenetelmät, ainoastaan jauhe syötetään työstöpäästä säteen tielle, kun taas jauhepetimenetelmässä jauhe levitetään tasaiseksi kerrokseksi tulostusalustalle ennen laserointia.

Kuva 3. Lankasyöttöisellä suorakerrostusprosessilla tulostettuja kappaleita. (Lähde: Formnext 2018)

Tulostuspäät voivat olla myös modulaarisia: esimerkiksi Trumpfilla on suorakerrostuspää, jossa yhteen optiikkaan käy useita eri syöttöpäitä eri käyttötarkoituksiin. Periaate on vastaava kuin tasoleikkauskoneissa: ruuvataan työstöpäähän eri ainevahvuutta/materiaalia varten eri suuttimia. Jauhepohjaisilla työstöpäillä on mahdollista tulostaa tarkkoja piirteitä ohuilla seinämävahvuuksilla, tai myös paksumpia seinämävahvuuksia kuten langalla. Jauhepään käyttö on siinä mielessä monipuolisempi, mutta kuten aiemmin mainittu, se on lankaprosessiin verrattuna kalliimpi ja hankalampi käsitellä.

Myös muoveja ja muita materiaaleja voi 3D-tulostaa robotisoidusti. Tarvitaan vain robottikäsivarren jatkeeksi siihen soveltuva työstöpää, kuten granulaatti- tai filamenttiekstruuderi. Tai vaikkapa betonipursotin. Betonia varten kaupallisia sovelluksia on toistaiseksi hyvin pitkälti olematon määrä markkinoilla, mutta muovin pursotukseen soveltuvien robottiekstruudereiden kohdalla tilanne on sentään parempi. Hinnat alkavat muovilaitteilla noin viidestä tuhannesta eurosta ja alan toimijoita ovat mm. Herz ja Dyze Design.

Kuva 4. Robotisoitua muovin 3D-tulostamista ABB-robotilla ja Dyze Design -ekstruuderilla

Kuten olettaa sopii, ei tämäkään 3D-tulostuksen osa-alue ole ”valmis kappale nappia painamalla” –tyyppinen prosessi. Haasteena ei niinkään ole materiaalit vaan prosessin hallinta, jopa vielä enemmän kuin valmiiksi markkinoilla olevilla 3D-tulostimilla. Ns. “laatikkomalliset” 3D-tulostimet ovat käytännössä valmiita ratkaisuja, joihin on saatavilla valmiita parametriasetuksia tiettyä materiaalia varten ja suunnittelua varten on jopa päteviä ohjelmistojakin. Automaatiota niistäkin laitteista puuttuu vielä paljon, mutta laitteet on kuitenkin suunniteltu vain yhtä käyttötarkoitusta varten.

Robotisoituihin prosesseihin vaaditaan yleensä soveltuva ohjelmisto robotin offline-ohjelmointia varten. Hitsausta varten on olemassa sovelluksia, joista useat pohjautuvat 3D-simulointiohjelmistojen alustalle. Näistä ohjelmistoista on kehitetty myös johdannaisia, jotka tukevat myös 3D-tulostamista. Valmiita parametrikirjastoja ei silti tahdo vielä löytyä, joten viimeistellyin ohjelmistokaan ei hyvän raudan lisäksi tee vielä autuaaksi. Suorakerrostusparametreissa täytyy huomioida samoja asioita, kuin muissakin 3D-tulostusprosesseissa, sekä samalla myös hitsaukseen liittyvät vaatimukset. Savonialla vastikään käynnistyneessä 3D-tulostusympäristön investointi- & kehityshankkeessa on tavoitteena tutkia tätä(kin) prosessia ja jakaa saatuja tutkimustuloksia eteenpäin.

Kuva 5. Formnext 2018 -messuilla esillä olleita suorakerrostuspäitä eri valmistajilta. Valmistajittain järjestyksessä: GTV, Fraunhofer (kuvat 2-5), Trumpf

 

Simo Mäkinen
TKI-asiantuntija (suorakerrostusmenetelmät, LIVA-hanke)

Joni Andersin
Projekti-insinööri (robotiikka, LIVA-hanke)

 

 

Formnext 2018- messujen tilannekatsaus, osa 1/2

Formnext on Euroopan merkittävin ja yksi maailman suurimmista vuosittain järjestettävistä lisäävään valmistukseen (3D-tulostus) keskittyvistä tapahtumista. Osallistuimme tapahtumaan LIVA (Lisäävä Valmistus Pohjois-Savossa) –hankkeeseen liittyen. LIVAssa on käynnistelty lisäävän valmistuksen toimintaympäristöä Savonialle ja uusimman tiedon hankkiminen on olennainen osa tätä prosessia. Tämän vuoden Formnext oli jälleen kerran edellistä vuotta suurempi, ja näytteilleasettajien joukossa olivat käytännössä kaikki maailman merkittävimmät laitevalmistajat ja palveluntuottajat.

Kävijät olivat edellisvuosien tapaan ympäri maailmaa: 49% vierailijoista tuli Saksan ulkopuolelta yhteensä 32 eri maasta. Seuraavassa taulukossa on kuvattu tapahtuman kasvamista viimeisen muutaman vuoden ajalta. Ensi vuodelle ennakoidaan taas edellistä suurempaa tapahtumaa ja tapahtuma siirtyykin uusiin halleihin tilapuutteen vuoksi.

Taulukko 1. Formnext -tapahtuman kehitystä viimeisten vuosien aikana

Varjopuolena tapahtuman kasvussa on se, että näytteilleasettajia ja nähtävää on jo niin paljon että esillä oleviin osastoihin ei enää ehdi tutustumaan vaikka messuilla viettäisi koko viikon. Niinpä silmiin osuikin joka päivä jotain uutta, vaikka olevinaan käveli samoja käytäviä pitkin. Emme olleet tuntemuksiemme kanssa yksin, vaan kuulimme saman asian myös useilta muilta messuvierailijoilta.

GE Additive (yksi maailman suurimmista toimijoista 3D-tulostuksen saralla) esitteli yhteistyössä HRE Wheelsin kanssa kehitettyä titaanista valmistettua vannetta. Perinteisesti vanteet valmistetaan alumiinista koneistamalla, jolloin suuri osa käytetystä materiaalista (80%!) menee hukkaan. Titaanilla on alumiinia paremmat materiaaliominaisuudet mutta se on myös huomattavasti arvokkaampi materiaali, joten valmistaminen kuutiosta koneistamalla ei ole kustannuksiltaan järkevää. 3D-tulostuksen avulla materiaalihukka on vain 5% jolloin päästään jo valmistuskustannuksiltaan paremmalle tasolle. Kustannuksista puhuttaessa on toki selvää, että titaanivanteet eivät ole tulossa ”kansanautojen” varusteeksi. Tässäkin tapauksessa kyseessä oli McLaren P1.

Kuva 1. HRE Performance Wheel: Pyörän uudelleen keksimistä GE:n tapaan

Metallitulostus oli muutenkin messuilla vahvasti esillä sillä viimeisen muutaman vuoden aikana markkinoille on tullut kymmeniä uusia laitevalmistajia. Metallitulostuksen tarjonnasta ja uutuuksista Formnext –messuilla kirjoitamme tarkemmin seuraavassa blogikirjoituksessa.

Nesteen fotopolymerisointiin, eli valokovetukseen perustuvien laitteiden osalta on tapahtunut viimeisen vuoden aikana paljon, ja se näkyi myös messuilla. Laitteistovalmistajia on tullut markkinoille entistä enemmän, laitteiden nopeudet ovat kasvaneet ja materiaalimäärä monipuolistunut entisestään. Markkinoilla on nyt useita valmistajia jotka lupaavat tulostusnopeudeksi 1 cm/min tai yli. Vaikka pääosin UV-kovettuvasta resiinistä valmistettavat 3D-tulosteet eivät sovellukaan suoraan auringonvalolle altistuviin käyttökohteisiin, valmistajilla on myös paremmin UV-säteilyä kestäviä materiaalia tarjolla. Käyttökohteita löytyy runsaasti eri aloilta, mm. eri koneiden ja laitteiden sisätiloihin sijoittuvissa komponenteissa.

Muutamia vuosia markkinoilla ollut Carbon 3D oli ensimmäistä kertaa Formnext –messuilla mukana ja saapunut nyt myös Eurooppaan. Ensimmäinen palveluntarjoaja Euroopassa on Oerlikon AM joka osti muutama vuosi sitten Citim:in. Yrityksellä on käytössään kolmannen osapuolen toimittama automatisoitu ratkaisu (3 Carbon tulostinta, kappaleenkäsittelyrobotti, pesulaite), joista Carbon on toimittanut järjestelmään vain tulostimet ja pesurin.

Automatisoidussa ratkaisussa tulostusalustassa on NFC-piiri, jonka avulla pesuri tunnistaa alustassa kiinni olevat kappaleet ja valitsee sopivan pesuohjelman optimaalisen tuloksen (ja ajankäytön) saavuttamiseksi. Jokin tämän kaltainen täysautomaattinen ratkaisu on tarpeen, jos SLA-menetelmällä aikoo oikeasti valmistaa suuria määriä kappaleita. Esimerkiksi Adidas on ilmoittanut valmistavansa Carbonin laitteilla satoja tuhansia kenkien välipohjia vuoden 2018 loppuun mennessä. Suuret tulostusmäärät edellyttävät (ainakin länsimaissa) automatisoituja ratkaisuja kappaleiden liikutteluun.

Kuva 2. Carbon 3D ja automatisoitu ratkaisu. Messuesittelijöillä oli jaloissaan Adidaksen 3D-tulostetut lenkkarit

Myös FIT AG (suuri saksalainen 3D-tulostuspalveluntarjoaja teollisuudelle) on hankkinut useita teollisen mittakaavan SLA-tulostimia, joilla se tarjoaa valmistuspalvelua yrityksille mm. autoteollisuudessa, lentokoneteollisuudessa ja terveysalalla. FIT käyttää 3DSystemsin laitteita, joissa suurimmissa tulostusalue on 1500x750x550 mm.

Messuilla oli esillä useita moniväritulostukseen soveltuvia laitteita eri valmistusmenetelmiin perustuen. Savoniankin kannalta kiinnostava multimateriaalitulostus monivärisenä näyttäisi toistaiseksi olevan rajattu lähinnä Stratasysin laitteisiin. Valmistajalta on tullut markkinoille J735 laitteisto, joka on hieman aiempaa J750 mallia pienemmällä tulostusalueella, mutta muuten tekniikaltaan sama. Tulostusalueen pieneneminen näkyy paitsi laitekoossa, myös laitteen hinnassa (suomessa noin 200 000 €).

Muita moniväritulostusta tarjoavia yrityksiä olivat mm. Mimaki 10 miljoonan värin pintavärjäyksellä sekä Rize ja XYZ Printing joiden laitteissa värjätään koko kappale. Mimakin 3DUJ-553 -tulostimen toiminta perustuu inkjet – menetelmään, kun taas Rizen ja XYZ Printing –valmistajien järjestelmissä hyödynnetään pursottavan menetelmän ja inkjet –menetelmän sekoitusta. Tulevaisuudessa Rizen järjestelmä voi värien lisäksi myös mahdollistaa 3D-tulosteille esimerkiksi sähkönjohtavuuteen vaikuttavia ominaisuuksia. Niin Stratasysin, Mimakin kuin Rizenkin laitteissa täytyy käyttää laitevalmistajien omia materiaaleja.

Kuva 3. Laitevalmistajien esimerkkikappaleita vasemmalta oikealle: Stratasys, Mimaki, Rize, XYZ Printing

Muovitulostuksen osalta messuilla oli toki muitakin uutuuksia. Jauhepetitekniikka on tällä hetkellä yleisimpiä teollisuuden käyttämiä lisäävän valmistuksen menetelmiä, jossa laitemarkkinoita ovat dominoineet muutamat suuret yritykset. Tilanne on muuttumassa, sillä muutaman keskeisen patentin rauettua tarjolle on tullut enenevissä määrin uusi toimijoita, myös teollisen mittakaavan laitteistoihin liittyen. Tämä tarkoittaa väistämättä hintojen laskua. Esimerkkinä pienemmän tulostusalueen omaavista halvemmista laitteista on Puolalaisen Sinterit yrityksen Lisa –laitteet, joiden hintaluokka on noin 8-20 k€ riippuen laitteen koosta ja lisälaitteista. Myös Formlabsilta on tulossa saman kokoluokan, paljon mainostettu Formlabs Fuse –laitteisto, mutta sen markkinoille tulo on lykkääntynyt 2019 vuoden loppuun.

Kuva 4. Sinterit Lisa 2 Pro ja Formlabs Fuse

Alan suuret toimijat eivät ole jääneet lepäämään laakereillaan vaan uusia toiminnallisuuksia ja innovaatioita esitellään jatkuvasti. EOS, yksi alan pioneereistä, mainosti messuilla tulossa olevaa ”miljoonan laserin” järjestelmäänsä polymeeripuolelle. EOS käyttää tekniikasta nimeä LaserProFusion, ja kertoo sen korvaavan ruiskuvalumenetelmän monissa käyttökohteissa. Järjestelmässä on yksittäisen laserin sijaan miljoona diodilaseria (teho yhteensä 5 kW) jotka peittävät koko tulostuspedin alueen kerralla. Lasereista aktivoidaan vain ne, joiden tulostusalueella on osan geometria nopeuttaen merkittävästi kerroskohtaista valotusaikaa yksittäisten lasereiden käyttöön verrattuna. Myyntiin järjestelmä tulee ilmeisesti muutaman vuoden kuluttua. Valitettavasti tämän enempää tietoa valmistaja ei vielä järjestelmästä kertonut.

Kilpailu pursotustekniikkaan perustuvien laitevalmistajien kesken on ollut viime vuodet kiivasta, mikä on ajanut lukuisia laitevalmistajia erikoistumaan haastavimpiin materiaaleihin tai hakemaan kilpailukykyä ja parempaa katetta teknisten innovaatioiden kautta.

Esillä oli useita pursotustekniikkaan perustuvia korkeamman lämpötilan 3D-tulostimia, joiden tähtäimessä ovat tekniset erikoismuovit kuten PEEK ja ULTEM. Etuna materiaaleilla on huomattavasti “perusmuoveja” paremmat materiaaliominaisuudet mutta niiden valmistuksessa vaaditaan suuttimen lämpötilan (n. 450-500 °C) lisäksi lämmitettyä tulostuskammiota &  tulostusalustaa ja huomattavasti parempaa prosessinhallintaa. Laitteistojen hinnat liikkuvat 30-300 k€ välillä, ja niissä yleisesti näkyviä ominaisuuksia ovat vesijäähdytetyt, modulaariset tulostuspäät, materiaalin kuivatusjärjestelmät sekä tulostusalustaan liittyvät tekniset ratkaisut kuten automaattiset tai puoliautomaattiset alustan kalibroinnit.  Suomalainen Minifactory oli yksi esillä olleista laitevalmistajista tarjoten laitetta ULTEM, PEEK, PEKK ja PPSU -polymeerien 3D-tulostukseen.

Muita esillä olleita teknisiä ratkaisuja pursotusmenetelmän parantamiseksi olivat hihnamaiset tulostusalustat, 45 asteen kulmassa tulostus sekä tulostuspäiden lukumäärän kasvaminen laitteissa.

Aiempina vuosina suuremmat valmistajat (mm. Stratasys) ovat esitelleet laitteissaan hihnamaisia tulostusalustoja, jotka mahdollistavat sarjatuotannon. Nyt myös pienemmillä toimijoilla oli esillä liikkuvia tulostushihnoja. Kahdella esillä olleella valmistajalla (Blackbelt, RobotFactory) tämä toiminnallisuus oli yhdistetty 45 asteen kulmassa toimivaan tulostuspäähän. Tämä mahdollistaa periaatteessa ”jatkuvan tulostuksen”, eli yhteen suuntaan loputtoman pitkän kappaleen valmistamisen. Toki fysiikan lait ja tekniset rajoitukset rajaavat osan valmistuspituuden esimerkiksi kuljetusjärjestelmän pituuteen.

Esillä oli myös ratkaisuja, joissa pursottavassa 3D-tulostimessa oli useita itsenäisesti toimivia tulostuspäitä (kuitenkin samalla akselilla). Tällä tarjotaan mahdollisuutta valmistaa useita (samanlaisia) kappaleita samanaikaisesti, eli tähtäimenä siinäkin piensarjatuotanto. Yhdistettynä hihnamaiseen tulostusalustaan tämänkaltaisella ratkaisulla olisikin mahdollista kasvattaa tulostuksen sarjakokoa huomattavasti. Useiden valmistajien ratkaisuissa tulostuspäät olivat modulaarisia, eli ne pystyy halutessaan ottamaan pois törmäysten välttämiseksi suurten kappaleiden tulostuksen yhteydessä.

Kuva 5. Vasemmalla Minifactory Ultra, keskellä Blackbeltin liikkuvalla tulostusalustalla varustettu 3D-tulostin ja oikealla Stacker neljällä tulostuspäällä varustettuna

 

Muovin lisäävä valmistus ja materiaaliominaisuudet: SLS vs MJF

Muovi on yleisin lisäävän valmistuksen materiaali. Teollisuuden tarpeisiin 3D-tulostetut muovikappaleet valmistetaan yleisimmin jauhepetimenetelmällä, standardin mukaiselta termiltään ”Powder Bed Fusion”. Yleisin käytetty muovimateriaali em. menetelmässä on Polyamidi (PA), joskin sitä kutsutaan yleisesti Nyloniksi.

Polyamidit ovat yleisesti ottaen lujia, jäykkiä, kulutuksen-, iskun- ja kemikaalinkestäviä materiaaleja. Nylonien heikkouksiin kuuluu materiaalin taipumus imeä itseensä kosteutta enemmän kuin monet muut muovit, jolloin taas sen mekaaniset ominaisuudet kärsivät. Pinnoittamalla erilaisilla suoja-aineilla voidaan näiden pintojen ominaisuuksia parantaa kosteutta paremmin hylkiväksi. Pinnoitteiden avulla voidaan pinnat tehdä myös paremmin UV-säteilyä kestäviksi tai puhtaampana pidettäviksi.
Nylonit voidaan jakaa kahteen ryhmään rakenteensa perusteella. Toisessa ryhmässä polyamidit muodostuvat vain yhden tyyppisistä monomeereistä, kuten PA6, PA11 tai PA12. Toisessa ryhmässä molekyyliketjut muodostuvat kahdesta erilaisesta monomeerista (PA66, PA69 tai PA610).

Yleisin jauhepetimenetelmässä käytettävä polyamidi on PA12. Tämä katsaus pohjautuu LIVA -hankkeessa tehtyyn tutkimukseen, ja siinä verrataan keskenään kolmea eri testisarjaa joissa materiaalina on PA12.

Kuva 1. PA12 on yleinen materiaali teollisuuden työkalukomponenteissa. Kuvassa vasemmalla robotin tarttuja, oikealla tartuntapään imuohjain. Lähde: Formnext 2017

Taulukossa 1 on esitetty muutaman tämän ryhmän muovin mekaanisia ominaisuuksia. Valmistusmenetelmänä näissä on lähteen mukaan ollut ruiskuvalu.

Taulukko 1. Ruiskuvalettujen polyamidien mekaanisia ominaisuuksia. (Lähde: Valuatlas, http://www.valuatlas.fi/tietomat/docs/plastics_PA_FI.pdf)

Muovikappaleiden mekaanisia ominaisuuksia tutkittaessa on myös muistettava lujuusominaisuuksien riippuvuus lämpötilasta. Lasittumislämpötilalla tarkoitetaan lämpötilaa, jonka yläpuolella amorfinen polymeeri muuttuu viskoosiksi sulaksi tai kumimaiseksi materiaaliksi. Useiden kirjallisuuslähteiden mukaan lasittumislämpötila esitetään muutosalueen keskikohtana lasittumislämpötila-alueella. Tekniikan kemian oppikirjan tämän muutoslämpötilan alapuolella amorfiset polymeerit ja kiteisten polymeerien amorfiset osat ovat kovia ja lasimaisia aineita. Kuvassa 2 havainnollistuu erittäin selkeästi lasittumislämpötila, jossa esitetään kestomuovin lujuusominaisuuksien riippuvuus lämpötilasta.

Kuva 2. Kestomuovin lujuusominaisuuksien riippuvuus lämpötilasta. (Lähde: Konetekniikan materiaalioppi, Koivisto & ym., 2008)

Tutkimuksessa perehdyttiin PA12 muovista valmistettujen kappaleiden materiaaliominaisuuksiin, kun valmistuksessa käytettiin seuraavia lisäävän valmistuksen menetelmiä:

  1. Multi Jet Fusion (MJF)
    HP:n kehittämä 3D-tulostusmenetelmä joka on yhdistelmä jauhepeti- ja sidosaineruiskutusmenetelmiä. Kappale valmistetaan jauhepedissä mutta lasersulatuksen sijaan sijaan jauhepetiin ruiskutetaan sidosainetta ja kohdistetaan lämpöenergiaa infrapunavalon avulla.
  2. Selective Laser Sintering (SLS)
    Selective Laser Sintering (SLS), on yleisin käytössä oleva jauhepetimenetelmä muovituotteiden valmistuksessa.

Näytesarjat valmistettiin suomalaisten 3D-tulostuspalveluntarjoajien toimesta ja ne liittyvät laajempaan testauskokonaisuuteen, jossa tutkitaan 3D-tulostettujen materiaalien soveltuvuutta ulkokäytössä.
SLS –menetelmällä valmistettujen kappaleiden tiedettiin ennaltakäsin olevan rakenteeltaan huokoisia, joten ne tilattiin pinnoitettuna.
MJF –menetelmällä valmistettujen kappaleiden huokoisuudesta ei ollut varmuutta joten niitä tilattiin kaksi sarjaa, toinen pinnoitettuna ja toinen pinnoittamattomana.

Testisarjat (5 kpl / sarja) olivat:
– Sarja A: pinnoittamaton MJF (balanced mode, natural cooling)
– Sarja B: värjätty ja pinnoitettu MJF (vettä hylkivä pinnoite, balanced mode, fast cooling)
– Sarja C: pinnoitettu SLS (vettä hylkivä tfc-mikropinnoite)

Seuraavassa kuvassa on esitetty näytesarjat vetokokeiden jälkeen.

Kuva 3. Tutkitut näytteet vetokokeen jälkeen.

Testauksen tavoitteena oli siis verrata HP:n Multi Jet Fusion (MJF) menetelmällä valmistettuja kappaleita Selective Laser Sintering (SLS) menetelmällä valmistettuihin kappaleisiin. Testaus tapahtui huoneenlämmössä (n. 20 °C)

Taulukko 2. Kovuusmittaukset, murtolujuus ja murtovenymä, * = PA12 ruiskuvalu.

Testisarjojen perusteella voidaan todeta että Shore D –kovuusmittauksissa tai murtolujuudessa ei ole merkittävää eroa MJF ja SLS –menetelmien välillä. 3D-tulostettujen kappaleiden Shore D –kovuus on suurempi kuin ruiskuvaletulla PA12 –materiaalilla mutta murtolujuus on samaa luokkaa.

Murtovenymän osalta näkyy selvä ero MJF ja SLS menetelmien välillä. Ruiskuvaluun verrattuna lukemat ovat aivan eri luokkaa, eivätkä ole siten järkevässä mielessä vertailukelpoisia. Tähän vaikuttaa luonnollisesti valmistustekniikka; 3D-tulostuksessa valmistus tapahtuu kerroksittain toisin kuin ruiskuvalussa.

Kuva 4. Kuva vetosauvojen mikrorakenteesta (200x suurennos).

Tutkimus jatkuu

Testauksen seuraavissa vaiheissa tutkitaan uv-säteilyn, kosteuden ja kylmyyden vaikutuksia materiaaliominaisuuksiin. Polymeerit ovat tunnettuja ”heikosta” UV:n- ja kosteuden kestävyydestä. Muovitulosteiden pakkasenkestosta puolestaan ei juurikaan ole tietoa saatavilla. UV-testin pituudeksi määritettiin 1600 tuntia, joten testituloksia niiltä osin julkaistaan vasta vuoden loppupuolella.

 

Mika Mäkinen
Lehtori

Arvo Tiilikainen
Projekti-insinööri

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
http://alvo.savonia.fi

 

Jätemuovista ja kotimaisesta puusta 3D-tulostusmateriaaleiksi

Muovin ympärillä käytävä keskustelu käy vilkkaana. Muovia tulisi käyttää vähemmän ja olemassa olevaa muovia rohkaistaan kierrättämään aiempaa tehokkaammin. Mitäpä jos vanhoista materiaalin pursotusmenetelmällä tuotetuista kappaleista voisi valmistaa uutta tulostusmateriaalia – tai jopa kotitalouksien jätemuovista? Tämän mahdollistavia laitteita on saapunut markkinoille, ja osa laitteista on niinkin edullisia, että jopa kotitulostaja voi sellaisen hankkia joutumatta vararikkoon. Entä onko tällaisen kierrätysmuovista valmistetun tulostusmateriaalin käyttö turvallista?

Näiden kysymysten ympärillä työskentelyn lisäksi kesän aikana Savonialla testattiin kotimaista puuperäistä tuotetta – eli selluloosakuidun ja PLA-muovin sekoituksesta valmistettua UPM Formi-tulostusfilamenttia. Käytännöllisyyden lisäksi tutkittiin kyseisen materiaalin tulostuksen aikaisia päästötasoja ja verrattiin niitä yleisimpiin muovifilamentteihin sekä ulkomaisen kilpailijan puufilamenttiin. Tutkimus liittyi Pohjois-Savon liiton rahoittamaan Lisäävä Valmistus Pohjois-Savossa (LIVA) -hankkeeseen.

Korsi, joka katkaisi hiilivetyketjun selän

Muovin kierrätyksessä uudeksi materiaalin pursotusmenetelmän tulostusmateriaaliksi se murskataan, sulatetaan ja vedetään uudeksi tulostuslangaksi. Muovien selkärankana toimii toistuva hiilivetyketju eli polymeerirakenne, joka voi katkeilla ja kärsiä muutoksista, kuten hapettumisesta, sitä kuumennettaessa. Näiden muutosten lisäksi muovissa olevat lisäaineet ja epäpuhtaudet voivat haihtua tai rikastua, ja kaikkien muutosten summana muovin kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet voivat muuttua.

Kuva 1. Tutkimukseen valikoitu ketsuppipullo

Tutkimus alkoi näiden pohjatietojen varassa ja kotitalousperäiseksi jätemuoviksi päätyi kotimainen ketsuppipullo, joka oli valmistettu PET-muovista. Pullojen korkit puolestaan olivat PP-muovia. Ketsuppipullojen lisäksi kierrätettyä tulostusmateriaalia tuotettiin materiaalinvalmistajalta ostetusta PET-muovista, perinteisestä PLA-muovista sekä sivuvirta-PLA-muovista, eli periaatteessa jo kertaalleen kierrätetystä PLA-muovista.

Itä-Suomen yliopiston tutkija Samuel Hartikainen liittyi myös tutkimukseen, ja hän tutkii 3D-tulostettujen kappaleiden sekä muovifilamenttien kemiallista koostumusta SIB Labsin 2D-GCMS-analytiikalla. Sen avulla voidaan saada selville muovissa tapahtuvat kemialliset muutokset, kun taas Savonialla tehdyissä mittauksissa keskitytään tulostuksen aikaisiin kemiallisiin ja hiukkasmaisiin päästötasoihin.

Kuva 2. SIB Labsin 2D-GCMS-analyysilaite

Kohti kokeellista osuutta

Koeasettelu oli yksinkertainen: mitataan ensin puhtaiden eli materiaalinvalmistajilta ostettujen filamenttien tulostuksen aikaiset alkupäästötasot. Kierrätettävät muovikappaleet toimitetaan tutkimusyhteistyössä mukana olevaan Arcada-ammattikorkeakouluun, jossa uuden filamentin valmistus tapahtuu. Tämän jälkeen päästötasot mitataan kierrätetyistä materiaaleista ja niitä verrataan puhtaiden materiaalien alkutasoihin.

Teoriassa materiaalin kierrätys uudeksi filamentiksi on siis aika suoraviivaista. Käytännössä uudelleen lämpömuovattavien muovimateriaalien kyky sietää kyseistä käsittelyä on vaihteleva ja suoraa vastausta siihen, monestiko PLA- ja PET-muovit sietävät lämpömuovausta, ei ole. Täten eteneminen tapahtui ”yhden käden taktiikalla” ja kierrätystoistojen määräksi valittiin 1 ja 5 kertaa. Kaupallisista 3D-tulostusmateriaaleista valmistettiin siis kaksi rullaa uutta materiaalia, toinen rulla on lämpömuovattu uudeksi langaksi kerran, toinen viidesti. Jätemuovi kierrätettiin uudeksi filamentiksi vain kerran.

Kuva 3. Arcada-ammattikorkeakoulun 3D-tulostusfilamentin valmistuslaite

Kaiken takana on kemia

Kerran lämpömuovatut kaupalliset PLA- ja PET-muovit toimivat, kuten pitikin. Viisi lämpökiertoa puolestaan oli materiaaleille liikaa sillä filamenteistä oli tullut liian hauraita sekä kovettuneita tulostettavaksi. Kierrätysmateriaalin hyödyntäminen, eli filamentin valmistaminen muovipulloista epäonnistui, sillä pulloissa käytetty PET-muovi oli ilmeisesti ”puhallettavaa” tyyppiä, jolloin se sulaessaan käyttäytyy lähes nesteen tavoin – ei tahnamaisesti, kuten tulostettavat muovit. Tulostusfilamentin valmistaminen PP-pullonkorkeista sen sijaan onnistui, joskin materiaalina PP on haastava tulostettava suuresta kutistumasta johtuen.

Sanotaan, että tutkimuksissa edistyminen ilman epäonnistumisia on sattumaa. Arcada-ammattikorkeakoulun avustuksella materiaalivalintoihin tehtiin muutoksia ja tutkimusta päätettiin jatkaa PLA- ja PP-muovien kanssa. Savonian tutkimus jatkuu uusien materiaalien parissa, ja materiaalinäytteistä voi löytyä jotain perin mielenkiintoista – mitä viidesti lämpökäsiteltyjen lankojen rakenteessa tarkalleen tapahtui?

Tutkimusten lopulliset tulokset julkaistaan Samuel Hartikaisen ja Antti Väisäsen väitöskirja-artikkeleissa, joissa käsitellään kierrätysmuovien kemiaa ja aiheeseen liittyviä ympäristö- ja terveysriskejä.

Kuva 4. Onnistuneet PLA- (harmaa) ja PP-filamentit (musta)

Puujakkara ja pienhiukkaset

Geometrian ja materiaalin tulostettavuuden testausta varten UPM Formista tulostettiin ensin miniatyyrijakkara – kooltaan sopiva vaikka nukkekotiin. Koska kaikki toimi odotetusti, malli skaalattiin vastaamaan todellista elämää. Lopputuloksena – noin 30 tunnin tulostuksen jälkeen – oli ihan oikea ”puujakkara”.

Päästömittauskokeessa UPM Formi pärjäsi myös hyvin. Kokeessa mitattiin tulostuksen aikaiset haihtuvien orgaanisten yhdisteiden eli VOC-yhdisteiden, formaldehydin ja nanohiukkasten pitoisuudet. Vertailukohteina käytettiin jo aiemmin tutkittujen ja vähäpäästöisiksi todettujen PLA-muovin sekä kilpailevan tuotteen, Formfutura EasyWood-filamentin päästötasoja. Materiaalien päästötasot on esitetty seuraavassa taulukossa.

Taulukko 1. Materiaalien VOC-, formaldehydi- ja nanohiukkasten päästötasot

VOC-päästöjen suhteen UPM Formin, EasyWood-filamentin ja PLA-muovin välillä ei ole juurikaan eroa ja tulostuksen aikaiset pitoisuudet ovat matalia. Sekä EasyWood-filamentin että UPM Formin formaldehydipäästöt olivat PLA-muovia aavistuksen suuremmat, mutta siitä huolimatta erittäin pienet ja kaukana yhdisteeseen liittyvistä turvallisuusrajoista. Nanohiukkasten osalta UPM Formi päihitti EasyWood-filamentin vähäpäästöisyydellään, mutta hävisi niukasti puhtaalle PLA-muoville. Yhteenvetona: UPM Formi vaikuttaa hyvältä 3D-tulostusmateriaalilta niin käytettävyydeltään kuin vähäpäästöisyydeltäänkin.

Kuva 5. ”Suomalaisesta puusta” 3D-tulostettu jakkara

Linkit
SIB Labs: https://www.uef.fi/fi/web/siblabs
UPM Formi: https://www.upmformi.com/Pages/default.aspx

Antti Väisänen
Projektityöntekijä
Savonia-ammattikorkeakoulu, LIVA-hanke