Metallitulostimien valmistajat tarjoavat toimintavarmojen laitteiden ja standardisoitujen prosessien lisäksi testatut materiaalit ja parametrit. Nämä yhdessä tekevät tulostuksesta suhteellisen mutkatonta ja tulosteista tasalaatuisia ja luotettavia. Laitevalmistajien määrittämät perusprosessit perustuvat testikuutioiden tulostukseen ja toimivat hyvin 3D-tulosteiden suunnittelun perussääntöjä noudatettaessa. On tärkeää tiedostaa, ettei haluttuun lopputulokseen välttämättä päästä yhtä suoraviivaisesti edistyksellisiä rakenteita tulostettaessa. Osaajat kuitenkin onnistuvat. Metallitulostuksessa on tunnistettavissa useita tärkeitä osaamisen osa-alueita ja näitä käsitellään seuraavassa jauhepetiteknologian*) näkökulmasta.
Suunnittelu ratkaisee pelin
Metallin 3D-tulostus on mahdollistaja. Perinteisesti suunnittelussa on jouduttu tekemään paljon päätöksiä valmistettavuuden pohjalta. Metallitulostus muuttaa lähtökohdaksi toiminnalliset tavoitteet ja tarpeet.
Yhä useammat teollisuuden kone- ja laitevalmistajat sekä prosessiteollisuuden yritykset eri toimialoilla tiedostavat metallitulostuksen mahdollisuudet ja panostavat lisäävän valmistuksen suunnitteluosaamiseen (DfAM, Design for AM). Tukena on suunnittelutoimistojen palveluna tarjoama DfAM-osaaminen. Metallitulostuksen hyödyntämisen kannalta panostukset suunnitteluosaamisen kehittämiseen DfAM:n suuntaan ovat ehdottoman tärkeitä, sillä suunnittelu ratkaisee pelin. Oman toimialatuntemuksen ja metallitulostuksen lainalaisuuksien yhdistäminen luo todelliset innovaatiot. Hyvin suunniteltu on kuitenkin vasta puoliksi tehty.
Rajoja täytyy voida rikkoa
Lämpö on metallitulostuksessa kaiken ydin ja sulatusprosessia täytyy hallita. Ellei jauhepetimenetelmän prosessissa lämpö pääse riittävällä tavalla poistumaan tulostuksen aikana kappaleesta, on mahdollista, että kappale ylikuumenee ja lähtee vääntymään ylös jauhepedistä synnyttäen ongelmia. Kun loppusuoralla oleva päiviä kestänyt ajo keskeytyy, aiheutuu merkittäviä viiveitä ja kustannuksia.
Metallitulosteiden suunnittelun perussääntöjen noudattaminen ja siten ongelmien välttäminen ei aina ole mahdollista; kehittäminen olemassa olevien ratkaisujen pohjalta sekä varaosien tulostaminen pakottavat usein rikkomaan suunnittelun perusohjeistuksia. Hyvä esimerkki on matalan kulman tulostus, jossa rikotaan perinteistä 45 asteen nyrkkisääntöä. Ajon aikaisia haasteita on kohdattu myös tulostettaessa muun muassa erilaisia lattice – eli ristikko- tai verkkorakenteita. Nämä ovat hyödyllisiä struktuureita, joilla voidaan samaan aikaan jäykistää ja keventää tulostusratkaisuja.
Kysymys on siis niin teknisesti kuin taloudellisesti merkittävistä asioista. Rajoja täytyy voida rikkoa ja se tapahtuu prosessia säätämällä. Tulostusprosessissa on suuri määrä muuttujia, siksi sattuma ja hyvä tuuri eivät riitä, vaan tulostajalta vaaditaan syvää tulostusprosessiosaamista ja määrätietoista, kokeilevaa lähestymistapaa.
Vaadi tulostajalta syvää osaamista
Tulostuksessa jokainen materiaali käyttäytyy omalla tavallaan. Teollisuustasoisilta tulosteilta tulee lähtökohtaisesti edellyttää täydellistä suorituskykyä; nimelliset tiheydet ja lujuusarvot on pidettävä, eivätkä kappaleen muutkaan ominaisuudet saa prosessiin liittyvillä säädöillä huonontua. On kuitenkin tärkeää katsoa kokonaisuutta ja kyetä katsomaan ulos standardeista, kun tulostettavat rakenteet sitä edellyttävät. Pienillä muutoksilla tulostusparametreissa voidaan haasteellisetkin ajot toteuttaa onnistuneesti. Koska muutokset voivat vaikuttaa materiaalin suorituskykyyn, on tulostajan erittäin hyvin tiedettävä, mitä hän tekee. Muutosten vaikutukset on ennakoitava ja tulostajan on tunnettava riittävästi tulostettavaan komponenttiin kohdistuvia vaatimuksia; kriittiset ja ei-kriittiset kohdat ja ominaisuudet kappaleessa on huomioitava. Tämä korostaa suunnittelun ja tulostajan tiivistä yhteistyötä – ja molempien syvää osaamista.
Lämmön hallinnan merkitys kasvaa monilaseristen tulostimien lisääntyessä. Vallalla on ihannoida suuria tehoja ja tulostimia, joissa on useita lasereita. Tämä on ymmärrettävää, muodostuuhan kappaleen hinta pitkälti tulostukseen käytettävästä ajasta. Onnistuminen suurilla tehoilla vaatii kuitenkin entistä enemmän osaamista ja kehitystyötä, eikä tehojen ja nopeuksien täysimääräinen hyödyntäminen varsinkaan lämmönhallinnallisesti haastavilla materiaaleilla välttämättä toteudu.
Ohjelmistokehityksen myötä simulointi on tullut tulostuksen tueksi. Markkinoilla on tarjolla tähän ohjelmistoja sekä palvelua. Simuloinnin avulla voidaan ennakoida ajon aikaiset lämpökuormat ja niiden aiheuttamat muodonmuutokset. Myös materiaalin rakenteeseen mahdollisesti vaikuttavan ylikuumenemisen riskipaikat pysytään simuloimalla näkemään ennalta. Tieto auttaa muokkaamaan tulostettavan kappaleen mallia paremmaksi tulostaa, kompensoimaan mahdolliset muodonmuutokset riittävän mittatarkkuuden saavuttamiseksi sekä pitämään materiaaliominaisuudet tasaisina kaikkialla tulosteessa lämmöntuontia hallitsemalla.
Osaaminen vahvistuu verkostossa
Edellä tunnistettiin kolme osaamisaluetta: oman toimialan substanssiosaaminen, lisäävän valmistuksen ymmärrys suunnittelussa sekä itse metallitulostuksen syvä osaaminen. Yritys voi tehdä kaiken itse, mutta osaamisen kasvattaminen vie aikaa ja vaatii mittavia panostuksia. Tiiviiden osaajaverkostojen ja kumppanuuksien kautta on mahdollista koota laaja-alaista, mutta samaan aikaan erittäin syvää ja kattavaa osaamista yhteen. Tätä kaikkea yksi toimija ei välttämättä pysty itsekseen saavuttamaan, varsinkaan, kun kehitys on samaan aikaan valtavan nopeaa. Verkostoituminen on hyödyllistä, suorastaan välttämätöntä, myös kunkin edellä mainitun osaamisalueen sisällä. Tästä on esimerkkinä saumaton yhteistyö tulostajan, laitevalmistajan, materiaalitoimittajan ja koneistajan välillä. Tutkimus- ja oppilaitosyhteistyö taas hyödyttää kaikkia osaamisalueita. FAME:n puitteissa meillä kaikilla on erinomainen mahdollisuus edistää päämäärätietoista kehittämistä ja kasvattaa osaamistamme edelleen, yhdessä ja erikseen.
Kirjoittajat alleviivaavat yhteistyön vahvaa voimaa – myös blogin kirjoituksessa.
Ystävällisesti,
Markku Lindqvist, CTO Delva Oy
Marja-Leena Mäkinen, CCO Delva Oy
*) Jauhepetimenetelmä on kypsä teollisuuden tarpeisiin erinomaisesti vastaava metallitulostusmenetelmä. Siinä vehnäjauhoakin hienojakoisempaa metallijauhetta levitetään muutamien kymmenien mikronien paksuinen kerros tulostusalustalle. Tämän jälkeen laser tai laserit käyvät sulattamassa halutun poikkileikkauksen alustalla kasvaviin kappaleisiin. Laser sulattaa jauheen lisäksi myös useamman edellisen kerroksen, ja tuloksena on täysin tiivis rakenne. Tämän jälkeen levitin levittää uuden kerroksen jauhetta ja sitä seuraa uusi sulatus.
Delva Oy on kokenut asiantuntija ja kumppani teollisessa metallin 3D-tulostuksessa. Delva tarjoaa pintaa syvemmälle menevää yhteiskehittämistä optimaalisten ratkaisujen löytämiseksi asiakkaan yksilöllisiin tarpeisiin. Metallin 3D-tulostus, joka tunnetaan myös metallin lisäävänä valmistuksena, tuo uuden ulottuvuuden valmistustekniikoihin ja mahdollistaa täysin uudenlaisia rakenteita ja ratkaisuja.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu FAME ekosysteemin (Finnish Additive Manufacturing Ecosystem) verkkosivulla 8.11.2021.