Tuomas Purtonen, LUT: 3D-tulostus ja metallit

1. Metallien 3D-tulostus Tuomas Purtonen IloT-seminaari 16.6.2014, Mikkeli

2. Esityksen sisältö − Yleiskatsaus metallien 3D- tulostukseen − Menetelmät ja materiaalit − Sovelluskohteet − Mahdollisuudet

3. 3D-tulostuksesta yleisesti − Yleinen käsitys 3D-tulostuksesta: − ”3D-tulostus on helppoa ja hauskaa” − Voidaan tulostaa mitä tahansa muotoja 3D-mallin pohjalta − Tämä pätee vain joillakin tulostusprosesseilla − Metallien tulostuksessa on huomattavasti enemmän rajoitteita

4. Metallien 3D-tulostus − Ei pelkkää prototyyppien tekoa − Near net shape –kappaleiden teko − Tulostetun kappaleen mitat lähellä lopullisen kappaleen mittoja, tai lopullisen kappaleen mitoissa − Paljon erilaisia tekniikoita − Monet tekniikoista hyödyntävät lasersädettä lämmöntuonnissa − Metallien 3D-tulostus ei tule korvaamaan perinteisiä valmistusmenetelmiä, vaan tulee niiden rinnalle

5. Metallien 3D-tulostus Menetelmät ja materiaalit

6. 3D tulostusmenetelmät − Menetelmät voidaan jakaa 7 eri kategoriaan − Pursotusmenetelmät − Kohdennettu sulatus − Sideaineen suihkutus − Materiaalin suihkutus − Jauhepetisulatus − Arkkilaminointi − Allasvalokovetus

7. Jauhepetisulatus − Kappale valmistetaan tyypillisesti 0,02-0,05 mm paksuisista kerroksista − Yleisimmin käytetty prosessi metallien tulostuksessa

8. Kohdennettu sulatus − Materiaalia sulatetaan kohdennetun lämpöenergian avulla − Materiaalit: − Jauhe, lanka, nauha jne. − Kohdennettu lämpöenergia − Laser, elektronisuihku, plasma, valokaari − Jauhepetisulatusta epätarkempi ja rajoittuneempi, mutta tuottavampi

9. Metallien 3D-tulostus Laatu − Laatu/tulostettavien kappaleiden maksimikoko vaihtelee prosessista riippuen − Mittatarkkuus − Pinnankarheus − Materiaaliominaisuudet − Tietyillä prosesseilla päästään useissa sovelluskohteissa hyvin lähelle haluttuja mittoja, tai jopa lopullisiin mittoihin

10. Metallien 3D-tulostus Tulostusnopeus − Tulostusnopeus vaihtelee riippuen prosessista, materiaalista ja halutusta tarkkuudesta − Tarkat prosessit 3-20 cm3/h − Vähemmän tarkat jopa 4000 cm3/h − Vertailun vuoksi: MAG-hitsaus 1.2 mm umpilangalla noin 500 cm3/h

11. 3D-tulostettavat metallit − Jauhepetisulatus − Alumiineja, titaaneja, teräksiä jne. − Periaatteessa kaikki metallit, mitkä saadaan sopivaksi jauheeksi − Tiettyjä rajoitteita − Valmiin kappaleen materiaali: − On huokoseton − Mekaaniset ominaisuudet ovat standardin mukaisia − Materiaalia voidaan hitsata, koneistaa tai työstää muuten samalla tavoin kuin metalleja yleensä − Huom! On olemassa myös metallien tulostusmenetelmiä, joissa lopputuotteen laatu on heikko!

12. Tukirakenteet jauhepetisulatuksessa − Jauhepetisulatuksella valmistetut metalliset kappaleet vaativat tukirakenteita − Näiden suunnitteluun on erikoisohjelmia − Tukirakenteet tasaavat lämpökuormia kappaleessa

13. Jälkikäsittelyt − Kappaleen irrotus rakennusalustasta − Tukirakenteiden poisto

14. Metallien 3D-tulostus Nykypäivän sovelluskohteita

15. Tulostettavien osien skaala − Pienistä osista useita metrejä pitkiin osiin

16. Rakenteiden optimointi Lentokoneteollisuus − Sarana − Alun perin koneistettu valuteräsaihiosta − Uusi kappale tulostettu titaanista − Painonsäästöä 63 % − Suutin − Alun perin 21 osaa − Valmistusaika 6  2 vkoa − Kustannukset -50 % − Massa -40 %

17. Autoteollisuus − Prototyyppien osat − Erikoisautot, kilpa-ajoneuvot

18. Lääketieteen sovellukset − Implantit − Lonkka, polvi jne. − Hampaat

19. Kuluttajatuotteet − Silmälasinkehykset − Korkokengän korko − Polkupyörän rungon osat − Koruteollisuus − jne.

20. Metallien 3D-tulostus Mahdollisuudet

21. Perinteinen valmistus vs. 3D-tulostus Putkihaara − Perinteisesti tietyissä koneenosissa käytetyt osat valmistetaan koneistamalla ne massiivisista aihioista − Käytännössä kanavan geometrian muodostavat suorat reiät, joita tarvittaessa tulpataan − Muodot eivät ole millään tapaa virtausopillisesti optimoituja − Perinteiset työstömenetelmät rajoittavat kanavageometriaa − 3D-tulostuksella tuote voidaan valmistaa hyvin vapaan suunnittelun perusteella

22. Perinteinen valmistus vs. 3D-tulostus Putkihaara Tulpat 3D-tulostusPerinteinen valmistus lastuamalla

23. Perinteinen valmistus vs. 3D-tulostus Putkihaara − Etuja: − Parempi virtaus, vähemmän energiahäviöitä − Materiaalin- ja painonsäästö

24. Miksi 3D-tulostus? Perinteinen valmistus 1400 kg 12-18 kk toim. aika 1330 kg 6 vk koneistusaika 70 kg 6 vko + 12-18 kk 3D-tulostus 45 kg Hyllytavara 50 kg Hyllytavara 70 kg 3 vko + 0 kk 2 vko Tulostus 25 kg, 1 vko koneistus

25. − Hydrauliikan komponentti Miksi 3D-tulostus? Esimerkki maailmalta Perinteinen valmistus 20 kg 3D-tulostus 0,95 kg

26. LUT / KYAMK Case Potkuri − EOS M-sarjan jauhepetisulatuslaite − Tulostusaika 41 tuntia − Tulostetun mallin tilavuus 51 cm3 − Tukirakenteen tilavuus 114 cm3 − Tulostusnopeus  4 cm3/h − Rakenteita ei optimoitu 3D-tulostukseen

27. Kustannukset − Laite: − 250x250x250 työalueella oleva jauhepetilaite 400 t€ − Materiaali: − 316L jauhe 40-100 €/kg − Tulevaisuudessa laitekustannuksen osuus pienenee Lindemann SFF Symposium 2013

28. Mahdollisuudet − Mikä hidastaa metallien 3D-tulostuksen soveltamista? − Laitteiden hankintahinta − Käytön haasteet − Tiedon puute, uuden tekniikan vierastaminen − Mahdollisuudet: − Kohteet, joissa painonsäästö tai geometrian vapaa suunnittelu on selvä etu − Prosessiteollisuuden komponentit − Alan suunnitteluosaaminen Suomeen

Tuomas Purtonen, LUT: 3D-tulostus ja metallit

Kimmo Haapea

Tuomas Purtonen, LUT: 3D-tulostus ja metallit