3D – Print

3D tulostusjärjestelmä

Metallien 3D-tulostus tehdään joko kerroksittain jauhepedillä ja sulattamalla materiaali paikallisesti laserilla tai elektronisäteellä tai suoraan kerrostamalla jauhe- tai lankamateriaalia ja sulattamalla lisätty materiaali paikallisesti laserilla tai sähkökaarella. Tässä projektissa laser jauhepetisulatusta (PBF-LB Powder Bed Fusion – Laser Beam tai SLM, Selective Laser Melting) käytetään komponenttien valmistukseen Kyseessä on kypsä valmistustekniikka (”plug and play”) ja sitä käytetään jo suhteellisen yleisesti teollisessa tuotannossa. Alla olevassa kuvassa näkyy kaavio laser jauhepetisulatusprosessista sekä valokuvia tulostuksesta (huomaa, että laservalo ei näy valokuvassa).

Ohje SLM-koneen käyttöön ja tulostusta edeltävät suunnitteluvaiheet löytyvät täältä: 2_1 Guide for metal printing_English

Prosessin virallinen nimi on laser jauhepetisulatus (PBF-LB), mutta selektiivinen lasersulatus (SLM) on yksi menetelmän monista epävirallisista nimistä. Yksi hyvä video, joka selittää prosessin toimivuuden, on tämä video.

Tässä projektissa käytetty SLM-järjestelmä sijaitsee Nivalassa ja sitä ylläpitää Tulevaisuuden tuotantoteknologiat (FMT) -tutkimusryhmä Oulun yliopistosta.

Tässä järjestelmässä on vaihdettavat alustakoot sovellusvaatimuksista riippuen:

  • 280x280x365 mm
  • 50x50x150 mm
  • Korkean lämpötilan alusta (lämmitys jopa 600 astetta)

Suorakerrostus

On vaihtoehto SLM:lle tulostettaessa suurempia komponentteja. Lasersäteeseen voidaan levittää lankaa tai jauhetta, eikä se ole pakotettu toimimaan suljetussa tilassa. Näillä tekniikoilla on korkeammat kerrostumisnopeudet, ja niillä voi lisätä uusia piirteitä myös jo olemassa oleviin osiin.

Materiaalin ominaisuudet

SLM-prosessiin on olemassa aika suuri joukko materiaaleja (jauheita), joista joitain käytetään enemmän kuin toisia ja hinta vaihtelee. Esimerkkejä ovat:

  • Alumiiniseokset
  • Kobolttiseokset
  • Nikkeliseokset
  • Titaaniseokset
  • Työkaluteräs
  • Ruostumaton teräs

3D-tulostettujen komponenttien materiaaliominaisuudet ovat usein erittäin hyvät verrattuna vastaavaan massatuotettuun materiaaliin.

Vaikka 3D tulostuksen materiaalit ovat usein huomattavasti vastaavaa perusmateriaalia kalliimpaa SLM-prosessin tulostuskustannusanalyysi paljastaa, että materiaalikustannukset ovat silti toissijaisia käsittelykustannuksiin verrattuna. Esimerkkikustannukset: kone h/80€, alumiini 48€/kg, 316L 43€/kg ja titaani 300€/kg. Titaanimateriaalin kustannukset ovat nelinkertaiset verrattuna 316L:än ja kymmenkertaiset verrattuna alumiiniin. Materiaalikustannukset vain murto-osa kokonaiskustannuksista -> 3D tulostettu titaaniosa voi olla halvempi kuin sama osa 3D tulostettuna ruostumattomasta teräksestä (316L)!

Pinnan karheus

Pinnan karheus riippuu suuresti jauheen koosta (tai langan leveydestä), mutta myös työkappaleen suunnasta ja valmistetun kerroksen paksuudesta. Useimmissa tapauksissa pinnat voidaan kiillottaa (tai hiekka-/lasikuulapuhalletaan), mutta tämä ei aina ole mahdollista tai haluttua. Pintalaatu on tasaisempi pinnan yläosassa (sulamisen vuoksi) etenkin verrattuna alaspäin jääviin pintoihin, joissa puolisulat jauhehiukkaset sulautuvat yhteen. Yksityiskohtien tarkkuus on paras pystysuorilla pinnoilla (esim. tekstin tai strukturoidun grafiikan tuottaminen).

FMT on tutkinut 20 µm:n kerrospaksuuden käyttöä alumiinissa (AlSi10Mg) pinnan laadun parantamiseksi (hiukkaskoko 20-65 µm). Pienten komponenttien ominaisuuksien kannalta hyvä pinnanlaatu onkin monesti tärkeää. Tulostusaika kasvaa, mutta pinnan laatu paranee, jolloin Ra 3,2 on mahdollinen. Lisätietoja löytyy tästä raportista.

DED-prosessissa pinta on yleensä epätasaisempi kuin SLM:llä valmistettujen osien. Siksi jälkikäsittelyä (yleensä koneistus) tarvitaan vielä enemmän, jos valmistettujen komponenttien toleranssit ovat korkeat. Tätä tarkoitusta varten on olemassa myös hybridilähestymistapoja, joissa DED ja jyrsintä yhdistetään yhteen koneeseen, jolloin tulostus ja jyrsintä vuorottelevat ja näin voidaan valmistaa tarkkoja koneistettuja muotoja alueille joihin muuten olisi vaikea päästä käsiksi.

Tukirakenteet

3D-tulostuksessa tarvitaan joissakin tapauksissa tukirakenteita tulostettavien osien tukemiseen. Nämä rakenteet on poistettava käsittelyn jälkeen, ja ne kuluttavat myös materiaalia ja ovat siten osa valmistuskustannuksia ja lisäävät 3D-tulostetun komponentin jälkikäsittely työtä. Tukien suunniteltaessa tarvitaan jonkin verran tietoa prosessista. Vaikka tukirakenteen määrä pysyy alhaisena ja se on helppo poistaa jälkikäsittelyn aikana, sen on silti oltava riittävän kestävä estämään osan muodonmuutos. Yleisiin strategioihin kuuluu komponentin asemointi siten että tukien tarve on mahdollisimman pieni ja tuet saadaan kestäviksi. Alla olevassa vasemmassa kuvassa komponenttia on kallistettu tuen määrän vähentämiseksi, kun taas toisessa kuvassa tuet olivat ensin virheelliset, mikä johti komponentin muodonmuutokseen.

Jälkikäsittely

Komponenttien rakennusalustalta poiston lisäksi voi olla tarvetta usealle muullekin jälkikäsittelytoimenpiteelle. Osasta riippuen jotkut näistä ovat pakollisia, kun taas jotkut ovat valinnaisia:

  • Tukirakenteiden poisto
  • Jäännösjännitystenpoistohehkutus tai muu lämpökäsittely
  • Valinnainen pintakäsittely, esim.
    • Jyrsintä
    • Hiekka- tai lasikuulapuhallus
    • Puhallus
    • Kiillotus

Projektien tulokset

Edellä mainittujen käsittelyraporttien lisäksi perusprosessitietoa on tuotettu ja esitetty näissä raporteissa: