Perustiedot

Additiivinen valmistus on yhä tärkeämpää. Myös valimot voivat hyötyä 3D-tulostuksesta. Mutta miten se toimii ja missä sitä käytetään?

Additiiviset valmistusprosessit avaavat täysin uusia suunnittelumahdollisuuksia.

( Lähde: / CC0 )

Aditiivinen valmistus on yhä tärkeämmässä roolissa valmistusteollisuudessa, ja sitä käytetään pääasiassa työkalujen valmistuksessa ja prototyyppien rakentamisessa.

Aditiivinen valmistus: Määritelmä ja selitys

Tätä valmistusprosessia käytetään ennen kaikkea työkalujen valmistuksessa (rapid tooling), lopputuotteiden valmistuksessa (rapid manufacturing) ja prototyyppien valmistuksessa (rapid prototyping). Miten additiivinen valmistus voidaan luokitella valmistustekniikoihin? Valmistustekniikat perustuvat yleensä kolmeen pilariin:

• Subtraktiiviset prosessit (jotain poistetaan): Jyrsintä, sorvaus jne.

• Formatiiviset prosessit (jokin materiaali muotoillaan uudelleen): Valaminen, takominen jne.

• Additiiviset prosessit (jotain lisätään): 3D-tulostus jne.

Additiivinen valmistus kuvaa prosesseja, joissa valmistettava osa rakennetaan materiaalia lisäämällä. Rakentaminen tapahtuu kerroksittain. Tähän liittyy seuraavat kaksi näkökohtaa:

1. Osa koostuu eri kerroksista. Yleensä prosessi suoritetaan alhaalta ylöspäin. Yksinkertaisesti sanottuna siinä käytetään samaa periaatetta kuin hiekkalinnojen rakentamisessa: Rakennusalustalle levitetään uusi kerros tornin rakentamiseksi.

2. Eri prosessit tapahtuvat toistuvasti kerroksittain (eli yksi toisensa jälkeen). Tähän kuuluu materiaalin syöttäminen, sulattaminen (muotoilu) ja lopuksi liittäminen edellisiin kerroksiin. Nämä prosessiketjuksi kutsutut vaiheet ovat samat riippumatta siitä, mitä konetta käytetään additiiviseen valmistukseen. Ainoa ero on tapa, jolla yksittäiset kerrokset luodaan.

Additiivinen valmistus mahdollistaa siis 3D-esineiden luomisen. Jotta tämä olisi mahdollista, kone tarvitsee ensin valmistettavan osan 3D-suunnittelumäärittelyt (”kolmiulotteinen CAD”). Vastaava tietokokonaisuus koostuu ääriviivatiedoista (pituus x, korkeus y), kerrosten lukumäärästä (z) ja kerrospaksuudesta (dz). Vastaavan tietokoneohjelman tehtävänä on jakaa malli sopiviin kerroksiin. Tämän jälkeen ohjelmisto välittää tietokokonaisuuden koneelle tuotanto-ohjeiden muodossa, esim. 3D-metallitulostukseen tarkoitetulle tulostimelle.

Miten se toimii?

Lähes kaikissa tapauksissa additiivisessa valmistuksessa a käytetään jauhepetiä. Tämä tarkoittaa, että jauhemainen materiaali syötetään sänkyyn, jossa sitä käsitellään edelleen. Esimerkiksi 3D-metallitulostuksessa metalli (tai useita metalleja) pelkistetään jauheeksi ennen kuin se syötetään kammioon ja rakennetaan uudelleen. On olemassa neljä yleistä menetelmää, joilla kerrokset valmistetaan jauheesta:

• Selektiivinen lasersintraus (SLS)

• Selektiivinen lasersulatus (SLM)

• Elektroninen sädesulatus (EMD/ EBM)

• Sideainesuihkutus (Binder Jetting)

SLS: Sintrauksessa materiaaleja kuumennetaan paineen alaisena, mutta ei kuitenkaan niin, että ne sulavat. Lasertekniikan avulla on mahdollista luoda kolmiulotteisia geometrioita käyttämällä alaleikkauksia. Yleensä tähän käytetään CO2- tai kuitulasereita.

SLM: Jauhe kuumennetaan korkeaenergisellä kuitulaserilla ja jäähdytetään sitten. Komponenttien muoto luodaan lasersäteiden kohdennetulla poikkeutuksella. SLM:ää käytetään yhä useammin kuin SLS:ää. Koska painetta ei käytetä, kappaleet ovat lujempia ja siten kestävämpiä. Tätä prosessia käytetään usein 3D-metallitulostukseen.

EMD/ EBM: Tämä menetelmä on periaatteessa samanlainen kuin SLM. Tässä sovelluksessa käytetään kuitenkin elektronisädettä eikä lasersädettä. Koko prosessi tapahtuu tyhjiössä. EMD on nopeampi kuin SLM, mutta epätarkempi ja sen maksimitulostusmäärä on pienempi. EMD-koneiden keskimääräinen halkaisija on 350 mm ja korkeus 380 mm. SLM-koneet ovat kaksi kertaa suurempia. EMD on ihanteellinen additiivinen valmistustekniikka erityisesti silloin, kun pieniä osia on valmistettava suuria määriä. Tätä prosessia käytetään usein myös 3D-metallitulostukseen.

Binder Jetting: Jauhe kerrostetaan valikoivasti nestemäisen sideaineen kanssa kerrosten muodostamiseksi. Tämän prosessin etuna on, että se mahdollistaa hyvin yksinkertaisen rakentamisen eri väreissä.

Muut valmistusprosessit

Nämä neljä additiivisen valmistuksen tyyppiä voidaan täydentää tai korvata muilla prosesseilla. Tämä koskee esimerkiksi:

• Stereolitografiaa: Tämä on additiivisen valmistuksen klassinen tapaus. Prosessin oli kehittänyt Chuck Hull jo vuonna 1983. Esine lasketaan vähitellen nestemäiseen fotopolymeerikylpyyn. Sitä käsitellään laserilla.

• Fused Layer Modelling (FLM): Tämä on tavanomainen menettely 3D-tulostuksessa (muovilla). Kyseessä on erityinen suulakepuristusprosessi, jossa materiaali ”puristetaan” ulos suuttimesta muotoon jäähtymisen jälkeen. Kuten tavallista, pursotus tapahtuu kerroksittain. Esimerkiksi auto- tai elektroniikkateollisuudessa FLM täydentää usein SLM-kohteita. 3D-metallitulostusta voidaan täydentää esimerkiksi FLM:llä.

Sovellusalueet

Additiivisten valmistusprosessien sovellusalueet voidaan jakaa kolmeen luokkaan. Nämä sovellukset rinnastetaan usein virheellisesti teknologioihin:

• Rapid Prototyping: Additiivista valmistusta käytetään mallin nopean rakentamisen mahdollistamiseen. Fyysisiä malleja tulisi olla saatavilla jo varhaisessa tuotekehitysvaiheessa. Nopean prototyyppien valmistuksen avulla nämä mallit voidaan valmistaa erityisen luotettavasti.

• Nopea työkalujen valmistus: Saksassa piensarjatyökalut ruiskuvalua ja metallivalua varten valmistetaan yleensä 3D-metallitulostuksen avulla.

• Nopea valmistus: Kyseessä on lopputuotteina tai komponentteina käytettävien esineiden nopea valmistus. Toisin kuin nopeassa prototyyppien valmistuksessa ei tuoteta malleja, vaan valmiita osia.

Pros and Cons of Additive Manufacturing

Mitkä ovat additiivisen valmistuksen edut?

• Individualisointi

• Suurempi suunnittelun vapaus

• Nopeus

• Ei tarvita työkaluja eikä muotteja

Yksi tärkeimmistä eduista on se, että esineitä voidaan muokata halutulla tavalla. On esimerkiksi mahdollista valmistaa paksuudeltaan vaihtelevia seinämiä, erittäin hienoja rakenteita tai hyvin pieniä mittoja. Lisäksi 3D-metallitulostuksen avulla on mahdollista toteuttaa monimutkaisia geometrioita, jotka eivät olisi mahdollisia muilla valmistusmenetelmillä. Tällaisia ovat esimerkiksi onkalot, alaleikkaukset, kanavat, joissa on kaarevia tai ulkonevia kohtia. Ennen oli niin, että esineen suunnittelussa oli noudatettava valmistusmahdollisuuksien rajoituksia. Tämä rajoitus poistuu suurelta osin additiivisen valmistuksen myötä, ja siksi se on suuri etu erityisesti 3D-metallitulostuksessa. Lisäksi esineen additiivinen valmistus kestää yleensä vain muutaman tunnin, kun taas muut valmistusprosessit vievät päiviä tai viikkoja.

Additiiviseen valmistukseen liittyy myös seuraavia haittoja:

• Välttämätön jälkikäsittely

• rajallinen soveltuvuus teolliseen massatuotantoon

Jos esineeltä vaaditaan tiettyä pinnanlaatua, jälkikäsittelyä ei voi välttää. Sama pätee, jos halutaan säilyttää tietyt toleranssit. Tästä ei ole vielä olemassa standardia (ISO/ASTM 52195:tä voitaisiin kuitenkin kehittää edelleen vastaavalla tavalla). Erityisesti 3D-metallitulostuksessa jälkikäsittely voi olla erittäin aikaa vievää.

Esimerkiksi 3D-metallitulostuksessa yhdellä koneella voidaan yleensä valmistaa enintään kaksi esinettä samanaikaisesti. Tavanomaisilla valmistusmenetelmillä voidaan sen sijaan valmistaa paljon suurempia määriä. Teolliseen massatuotantoon additiivinen valmistus soveltuu siis vain rajoitetusti. Paras esimerkki tästä on autotuotanto: Teoriassa kokonainen ajoneuvo voitaisiin valmistaa additiivisella valmistuksella. Komponenttien suuren määrän vuoksi se olisi kuitenkin aivan liian kallista. Tästä syystä useimmat osat valmistetaan edelleen perinteisin menetelmin.

Kustannusten kaksijakoisuus

Kysymys investoinneista on asiantuntijoiden mukaan kiistanalainen aihe. Sillä koneen hankintakustannusten hintahaarukka vaihtelee 15 eurosta yli 100 000 euroon. Muihin koneisiin verrattuna tämä ei ole erityisen kallista. Näin on edelleen, jos ylläpitokustannukset lasketaan mukaan. Erityisesti lääketieteellisessä tekniikassa additiivinen valmistus tarjoaa siis merkittävän kustannusedun. Teollisissa sovelluksissa asiat ovat toisin. Tällä alalla esimerkiksi 3D-metallitulostus täydentää perinteisiä tuotantojärjestelmiä. Ne eivät kuitenkaan voi korvata niitä kokonaan. Täällä additiivinen valmistus aiheuttaa lisäkustannuksia.

Additiivinen valmistus tulevaisuudessa

Additiivisella valmistuksella on edessään suuri tulevaisuus. SAMG kiteytti sen näin: Additiivisen valmistuksen nykyinen kehitys on jo ylittänyt aiempina vuosina tehdyissä tutkimuksissa tehdyt ennusteet. Tunnetut tutkimuslaitokset, kuten ETH Zürich, ovat vakuuttuneita siitä, että 3D-metallitulostuksen merkitys koneenrakennuksessa ja työkalujen valmistuksessa kasvaa. Tavoitteena on, että additiivisesta valmistuksesta tulee niin nopeaa ja tarkkaa, että se soveltuu sarjatuotantoon. Tällä hetkellä additiivisen valmistuksen mahdollisuudet kilpailevat vielä CNC-ohjattujen koneiden kanssa, jotka soveltuvat edelleen paremmin sarjatuotantoon. Pitkän aikavälin tavoitteena on, että monimutkaisten kappaleiden 3D-metallitulostus ohittaa tulevaisuudessa CNC-ohjauksen.

Avaruus- ja ilmailuteollisuus on vastuussa 3D-tulostuksen onnistuneesta käytöstä. Autoalalla erityisesti varaosia valmistetaan lisäaineilla. Täältä löydät lisää tietoa additiivisen valmistuksen käytöstä artikkelikatsauksessa.

Tämä artikkeli julkaistiin ensimmäisen kerran MM Internationalissa.