3D-tulostuksen mahdollisuudet Saarijärvi 7.5.2018
Ainetta lisäävät valmistustekniikat 7 erilaisia AM-valmistusteknologiaa (AM = Additive Manufacturing) ja puhekielessä 3D-tulostusteknologiaa Valokovetus altaassa (Vat Polymerisation) Valoherkkää nestemäistä polymeeriä kovetetaan kerros kerrokselta altaassa. Esimerkiksi SLA-menetelmä Materiaalin pursotus (Material Extrusion) Materiaalia pursotetaan suuttimen läpi ja kovetetaan kerroksittain. Esimerkiksi FDM-menetelmä. Materiaalin ruiskutus (Material Jetting) Materiaalia suihkutetaan pisaroina kerroksittain. Esimerkiksi Polyjet-menetelmä Sidosaineruiskutus (Binder Jetting) Sidosainetta suihkutetaan jauhemaiseen materiaaliin kerroksittain. Jauhepetisulatus (Powder Bed Fusion) Metalli-tai polymeerihiukkasia sulatetaan yhteen laser-tai elektronisäteellä kerroksittain. Esimerkiksi SLS-menetelmä. Arkkilaminointi (Sheet Lamination) Ohuita kalvoja liitetään päällekkäin esimerkiksi liimaamalla tai ultraäänen avulla. Esimerkiksi LOM-menetelmä Kohdennettu sulatus (Directed energy deposition) Kappaletta rakennetaan kerroksittain samanaikaisesti materiaalia ja energiaa yhteen pisteeseen tuomalla.
3D-tulostusteknologiat JAMK:ssa JAMK on tähän saakka keskittynyt pursotusteknologialla toimiviin 3D-tulostimiin Yksinkertainen teknologia Edulliset tulostimet Edulliset tulostusmateriaalit Usein yritysten ensimmäinen kosketus / kokeilu 3D-tulostamiseen Valokovetusteknologia tulossa Hyvä pinnanlaatu ja pienemmät yksityiskohdat Lääketieteessä hyödynnettäviä materiaaleja
3D-tulostimet JAMK:ssa Stratasys Dimension Elite (1 kpl) tilaustyöt kumppaneille ja opiskelijaprojekteissa yrityksille Felix 3D (2 kpl) opiskelijoiden käytössä minifactory 3 Dual Extruder (13 kpl) opetus- ja kurssituskäytössä
Uudet vaatimukset AM-menetelmille Jokaisella AM-valmistustekniikalla on omia erityspiirteitä, jotka pitää huomioida kappaletta suunniteltaessa ja tulostettaessa Kappaleen rakennussuunta pitää ottaa huomioon Tukirakenteiden poisto on työläs työvaihe etenkin metalleissa ja tapauksissa missä tukirakenteet ovat samaa materiaalia Jauhepetimenetelmissä jauhe on pystyttävä poistamaan kotelon sisältä Vrt. kuumasinkitys Materiaalin valinta Alkuun materiaalit olivat muihin tarkoituksiin kehitettyjä materiaaleja Nykyään satoja erilaisia AM-menetelmiin tarkoitettuja materiaaleja Laitetoimittajalta omat patentoidut materiaalit ja säätöparametrit
Mitä perinteisten valmistusmenetelmien rajoituksia voidaan unohtaa Kulmien ei tarvitse olla suoria, vanha rajoite helppo valmistaa ja mitata Terävät kulmat mahdollisia, työstö ei enää rajoita Symmetria rajoitukset voidaan poistaa, sorvaus tekee pyörähdyssymmetrisiä Reikien ei tarvitse olla pyöreitä, sillä pora ei ole enää ainoa vaihtoehto. Usein perinteisten rakenteiden käyttö lisää tukimateriaalien käyttöä. Lähde: 3D-tulostuksen perusteet LUT 2016
Suunnitteluohjeita Pystysuorat tulosteet helppoja Pienet reiät voivat onnistua myös pystytulosteena Voidaanko käyttää jotakin muuta muotoa kuin pyöreää reikää Suunniteltavan osan leveys korkeussuhde voi rajoittaa Pienillä osilla edellinen kerros ei ehdi jäähtyä, jos tulostusnopeus on suuri Toleranssit, vielä ei päästä kaikkein tarkimpiin toleransseihin Pinnanlaatu Luotettavuus Lähde: 3D-tulostuksen perusteet LUT 2016
Muodon optimointi, simulointi ja testaus Alkuperäinen testikappale ja simulointi Muovinen testikappale kiinnitetään kolmella M10 pultilla alustaan. Sitä kuormitetaan vetämällä metallitankoa ylöspäin: Simuloinnin avulla rakenteen (ABS) arvioitiin kestävän n. 15 kn voiman:
Testaus JAMK:n konelaboratoriossa 3D-tulostettu (100% täyttöaste) kappale kesti 18 kn voiman ennen murtumista. Simulointi ennusti hyvin sekä voiman suuruuden että murtumakohdan (murtuma näkyy kuvassa vaaleana särönä). Linkki videoon: https://www.youtube.com/watc h?v=9ufsfhu9soo
Muodon optimointi Iteratiivisen topologiaoptimoinnin avulla rakennetta kevennettiin 50% niin, että se pysyi mahdollisimman jäykkänä (muodonmuutosenergian minimointi). Optimoidulle rakenteelle tehtiin uusi simulaatio ja testaus.
Optimoidun muodon simulointi ja testaus Optimoidun rakenteen kestävyydeksi arvioitiin simulaation avulla n. 13 kn. ABS-muovin murtolujuudeksi oletettiin 33 MPa, joka mitattiin aiemmin kurssilla. Simulaatiossa käytettiin lineaarielastista materiaalimallia. Vetotestissä kappale kesti 15 kn voiman ennen murtumaa.
Muodon optimointi - Lopputulos Tietokoneavusteisen muodon optimoinnin avulla pystyttiin siis keventämään alkuperäistä rakennetta 50 % tinkimättä kuitenkaan (paljoa) rakenteen kestävyydestä ja jäykkyydestä. JAMK tarjoaa koulutuspalvelua rakenteiden simulointiin ja optimointiin.
JAMK avoimen korkeakoulun opetusta Kehity 3D-tulostusosaajaksi AM eli Additive Manufacturing on virallinen termi teolliseen käyttöön soveltuvista 3D-tulosteista. Ennen kuin pystyt tulostamaan kappale on mallinnettava. Tulostettaessa eivät enää pidä samat säännöt kuin perinteisillä menetelmillä. Opintojaksolla opit uusia mallinnustekniikoita ja ymmärrät miksi kappale on suunniteltava uudelleen ennen kuin sen tulostaminen on järkevää
MALLINUKSEN PERUSTEET DFAM PERIAATTEELLA. ETÄOPISKELU VIDEOIDEN AVULLA TULOSTUSTEKNIIKAT JA -TEORIA MENETELMÄN VALINTA PROJEKTITYÖNÄ ITSENÄINEN TIEDON HANKITA OMA IDEA TAI TARVE SUUNNITTELU JA MALLINNUS TULOSTUS TULOSTUS JAMK:in LAITTEILLA. KÄYTÖN OPASTUS RESosk. VALMIS TUOTE TARKISTUS JA TESTAUS JÄLKIKÄSITTELY