Science With Arctic Attitude! Oulun yliopisto

Science With Arctic Attitude! Oulun yliopisto

Kokemuksia 3D-metallitulostamisesta vuodesta 2005 lähtien 3D Vallankumouspäivä 12.3.2019 Tampere Kimmo K. Mäkelä, tutkijatohtori KERTTU SAALASTI INSTITUTE

Yhteistyössä! 3 Oulun yliopisto

4 Oulun yliopisto

Tulevaisuuden tuotantoteknologiat (FMT) ryhmä Resurssit - 18 henkeä, toimintaa Nivalassa (ELME Studio), Oulussa (Linnanmaan kampus) ja Raahessa (Raahen Aiku) - monipuolinen laitekanta lasertyöstöstä materiaalin koeistukseen - Oulun yliopiston Konetekniika-alan ja Jedun metallin asiantuntemus tukena Tutkimus - Yli 60 kansainvälistä tieteellistä julkaisua vuosina 2007-2017 - Julkisrahoitteisia kansainvälisiä ja kansallisia projekteja sekä tilaustutkimusta - Taustalla alueen yritysten tarve, tulosten hyödynnettävyys aikajänne pääosin 0-5 vuotta Yrityspalvelu - Vuosittain n. 50 yrityksille tehtyä tutkimusta ja selvitystä - Tilaustutkimusta, prototyyppejä ja konsultointipalvelua Opinnäytteet - 19 diplomi-insinööriä ja 35 insinööriä Kansainvälinen yhteistyö - Ruotsi, Egypti, Norja, Islanti, Irlanti, Skotlanti, Saksa, Ranska, Puola, Iran ja Intia - Yhteistyö laitteita ja tekniikkaa kehittävien kv. yritysten kanssa 5

FMT tutkimus - Fokusalueet Kevyet ja kestävät rakenteet + Lasertekniikan soveltaminen - Materiaalit, suunnittelu ja valmistus - Kennotekniikat, muovaus, hitsaustutkimus - Ultralujien hyödyntäminen - Simuloinnin hyödyntäminen Erikoisteräkset teräksistä tuotteiksi - Piensarjateräkset - Muovaus ja erikoisprosessit - Väsyttävän kuormituksen vaikutus - Metallografia Ainettalisäävä valmistus ja sen yhdistäminen muuhun valmistukseen - Materiaalit, suunnittelu ja valmistus Kustannustehokas tuotantoautomaatio - Räätälöity automaatio - Tuotannon seuranta - Digitalisaatio ja teollinen internet 6

7 Oulun yliopisto

3D mallista tulosteeseen Suunnittelussa valmistusmenetelmän huomioiminen - Tukien tarve, tulostusorientaation vaikutus, jälkikäsittelyiden huomioiminen/minimointi, materiaalin anisotropian vaikutus Valmiin kappaleen / kappaleiden valmistaminen tulostettavaksi esikäsittelyohjelmalla - Sijoittaminen tulostusalustalle - Tukien määrittäminen - Tulostusparametrien valinta ja asettaminen Ohjelman muodostus (automaattinen) - Rakenteen jakaminen kerroksiin - Kerroksen liikeratojen muodostaminen Ohjelman siirto tulostimelle Tulostus 8 https://www.blogdot.tv/20-best-3d-printing-software-tools-all-are-free/ Oulun yliopisto

3D tulostuksen kehityksestä 9 Oulun yliopisto

Mäkelän ensimmäinen klausuuli: 1. Tämä on vain yksi valmistusmenetelmä muiden joukossa Mäkelän toinen klausuuli: 2. Jos sitä ei ole suunniteltu tehtäväksi tällä tekniikalla, niin älä tee sitä 10 Oulun yliopisto

Yksi valmistusmenetelmä muiden joukossa Jokaisella valmistusmenetelmillä on omat suunnittelusääntönsä. Kunnioitetaan niitä. Ensimmäiseksi tarvitaan ongelma - Paino, kestävyys, monimutkaisuus, sarjakoko jne. Selvitetään osan vaatimukset - Mitä osan pitäisi tehdä. Ajatus, että miten osa toteutetaan - Valitaan valmistusmenetelmä - Jos osaa ei ole suunniteltu metalli 3D tulostettavaksi niin sitä ei silloin kannata sillä tehdä - Hinta pienillä sarjoilla yleensä karkaa - Miksi? 11

Suunnittelu on kaiken perusta, kyllä jokainen oppii konetta käyttämään. Toisaalta jos ei ymmärrä mitä kone tekee, ei voi hyödyntää sen mahdollisuuksia Mallit ja protot ovat eilistä; nykyään ajankohtaista toimivat osat oikeista materiaaleista. Tehdään siis oikeita laitteita Toinen trendi on muuttaa suunnittelu niin että esim. 5 osasta tulee 1 osa Keveys, ei liitospintoja, ultralujat materiaalit sekä CoCr, Ti ja Al jne.. 12 Oulun yliopisto

Suunnittelusäännöt ovat aivan toiset kuin on opetettu. Lähes kaikki on mahdollista, esim. osien sisällä kammiot ja korkkiruuvin muotoiset jäähdytyskanavat Kokeilemalla oppii kaikkea kivaa ja tulee positiivisia yllätyksiä. Toisaalta pettymyksiä voi tulla vielä enemmän, erityisesti metallien 3D valmistuksessa Käytetyt stl-tiedostot ovat pintamalleja. Todellisen rataohjauksen käyttö (G-koodi tms.) on vielä tulematta. Ongelmaksi tulee kuitenkin valtava datan-määrä. Täysi paletillinen noin 8 teratavua 13 Oulun yliopisto

Tulostin tulostaa, mutta suurin työ tehdään ennen ja jälkeen tulostamisen Jos osa on huonosti suunniteltu, niin se kostautuu monella eri tavalla. Tukirakenteiden poistaminen on vaikeaa ja kallista jos niitä ei ole optimoitu suunnitteluvaiheessa Ylimääräinen jauhe ja tukimateriaali pitää saada jostakin pois; ei umpirakenteita Osat pyrkivät vääntymään; uunitus Osat saattaa revetä ja/tai tulostus keskeytyä. Osat saattaa kaatua tai romahtaa Osa vaatii lähes aina jälkikäsittelyä Tarkkuus Pinnanlaatu Lopputulos esim. maraging (HRC 68) on 99,99% ja messinki 60% lujuusominaisuuksiltaan vrt. tankomateriaalista 14

Hankalat geometriat Ei kannata suunnitella sen vuoksi vaikeita osia, koska se on mahdollista Piirteillä pitää olla merkitys Sopivilla nousukulmilla minimoidaan tukien ja jälkikäsittelyn tarve Sisäiset kanavat onnistuu, mutta ylimääräinen materiaali pitää saada pois 15

Liikkuvat rakenteet Muoveilla yleensä helpompaa Välykset vaihtelevat menetelmittäin XY ja Z-suunnan välykset on erisuuruiset Muista huomioida tuet Vaatii yleensä kokeilemista, varsinkin välykset 16

Ja ne tuet Metalleissa pulveripeti toimii itsessään tukena tiettyyn rajaan asti ~30º Tukia tarvitaankin lähinnä siksi, että osat pysyvät paikoillaan Tuet ovat samaa materiaalia, kuin itse osa 17

Kun kaikki ei mennyt ihan putkeen 18

Kuvat: Repeäminen ja Vääntyily 19 Oulun yliopisto

Muistilista Tunne tulostusmenetelmät - Eri tulostusmenetelmille on omat säännöt - Eri materiaaleille on omat säännöt Muista miettiä tukirakenteita jo suunnitteluvaiheessa Miten päin osa tulostetaan - Korkeus nostaa hintaa - Kova kaavari saattaa kaataa osan - Pehmeä kaavari huonontaa pinnanlaatua - Materiaali ei leiju ilmassa (ainakaan pitkään) - Tukien poisto on työlästä Minimoi tukirakenteiden määrä sopivilla muodoilla tai suunnittele tuet suoraan osaan. Mieti jälkikäsittely - Mitä jälkikäsittelyjä tarvitaan - Mihin lisätään työstövarat - Mistä ylimääräinen materiaali tulee ulos 20

Haastavinta työssä oli suunnitella täysin uusia osia. Aikaisempi kokemus 3D-mallintamisesta ja suunnittelusta oli hyvin pitkälti valmiiden piirustusten muuttamista 3D-malleiksi. Yllätyksenä tuli, kuinka vaikeaa on suunnitella osia ilman valmiita ideoita tai piirustuksia. Erään opinnäytetyön loppusanat Sama koskee uutta valmistusmenetelmää - vielä ei ole valmiita suunnittelusääntöjä. 21 Oulun yliopisto

22 Oulun yliopisto

Prosessi Osien suunnittelu Rajoituksia - Pienin kulma ilman tukia: - Teräksillä 40-45 astetta, riippuen geometriasta - Pitkä ja hoikka sauva voi vääntyillä ilman tukia myös 45 asteen kulmassa - Alumiini jopa 30 asteessa voi onnistua - Pinnanlaatu heikkenee huomattavasti (porrastusefekti) - Pyöreäreikä vaakatasossa - Teräkset alle 5 mm - Alumiini jopa 10 mm asti - Pyöreän reiän geometria muuttuu hieman ovaaliksi - Kuvassa reiät 1 mm 10 mm - Materiaalirajoitteet - Alumiinin lämmönjohtavuus vrt. teräkset - Tukirakenteiden eroavaisuudet Tuet: 316L Tuet: AlSi10Mg 23

Prosessi Tulostusajan määräytyminen ja osan hinta Kaavarointiaika + laserointiaika + kerrosten välinen jäähdytysaika = 1 kerroksen tulostusaika 24 45 deg (30 µm, AlSi10Mg): Part volume 37203 [mm3] Support volume 10875 [mm3] Printing time: 12 h 30 min Post-processing: easy 0 deg (30 µm, AlSi10Mg): Part volume 37203 [mm3] Support volume 66165 [mm3] Printing time: 8 h Post-processing: hard 90 deg (30 µm, AlSi10Mg): Part volume 37203 [mm3] Support volume 9749 [mm3] Printing time: 15 h 30 min Post-processing: medium

Prosessi Tulostusajan määräytyminen ja osan hinta 25 45 deg (30 µm, AlSi10Mg): Part volume 37203 [mm3] Support volume 10875 [mm3] Printing time: 12 h 30 min Printing cost/part: 1000 + post-processing 6 kpl 45 deg (30 µm, AlSi10Mg): Part volume 223218 [mm3] Support volume 65250 [mm3] Printing time: 29 h 30 min Printing cost/part: 393 + post-processing

Prosessi Pinnanlaatuun vaikuttavat tekijät Kerrospaksuus Osan geometria - Alapinnat/jättöpinnat ja niiden kulmat vaakatasoon nähden - Käytettävän metallijauheen partikkelikoko - Yleensä: - Teräkset 10-45 µm - Reaktiiviset materiaalit alumiini ja titaani 20-63 µm - Reunojen (border) ja alapintojen (downskin) laserointiparametrit 26

27 Oulun yliopisto

Mitä homma maksaa? Laite Materiaalit Suodattimet Kaasut Käyttökulut Jälkikäsittely Laitteet - Muovitulostin 300 300 000 - SLM tulostin 300 2000 k Filamentit - PLA n. 20 /Kg, Antimikrobinen 50 /kg - ABS n. 25 /kg - Nylon n. 80 /kg Metallijauheet - 316L n. 50 /kg - ALSi10Mg n. 75 /kg - Ti6Al-4V n. 310 /kg - 18Ni300 n. 80 /kg 28

29 Mitä homma maksaa? - 200 kappaleen tulostus palomiessuutin (SLM280HL single 700W laser) - 725919 mm3 kokonaistilavuus (osat + tuet) - Tukien osuus 45236 mm3 (noin 6 % kokonaistilavuudesta) - Ajoaika 133 h - Tulostuskustannukset kaikki - Koneenkäyttöhinta 133 h * 100 /h = 13300 - Materiaalinhinta 573.5 - Jälkityöstön hinta - Tulostusvaiheen kustannukset/osa 13873.5 / 200 = 69.4 /osa - Jälkityöstön hinnaksi arvioitiin noin 30 /osa (Lämpökäsittely, Osien irrotus alustasta, Tukienpoisto ja o-rengas uran sorvaus) - Kokonaiskustannus/osa 99.4 - Miten vielä halvemmaksi? - Tulostuskammion tilavuus käyttöön!!

Metallitulostimien aikakausi? - SLM solutions - EOS - Concept Laser - 3D systems - Renishaw - Trumpf - Mazak (hybrid; metal 3D-printing/CNC) - DMG Mori - Arcam - HP (tulossa metallin 3D-tulostin) - Desktop Metal - Markforged - Nykypäivä - Lasereiden lukumäärä lisääntynyt tulostimissa - Tulostuskammioiden koko noussut - Lisääntynyt koneen tuotto - Koneiden automaatio parantunut - Automaattinen jauheen kierrätys - Automaattinen koneiden kammioiden putsaus ja vaihto - Mahdollisuus CNC:n käyttöön tulostettaessa - Tulostusparametrien optimointi lisääntynyt ja parantunut - Laatu - Tulostusprosessin seurantaohjelmat - Nopeampia koneita markkinoille - Mahdollisuus tehdä osia nopeasti (mekaaniset ominaisuudet eivät välttämättä ykköskriteeri) 30

Metallitulostimien tulevaisuus? - Tulevaisuus - Koneiden lisääntynyt automaatio - Tukirakenteiden poistuminen - Lisääntynyt laitekanta - Multimateriaali myös metalleilla? - Parantunut laaduntarkkailu - Kone osaa itsenäisesti parantaa laatua ajon yhteydessä - SLM, DLD, Jetting prosessit 31

32 Oulun yliopisto

Thank you for your kind attention! Yhteystiedot: Tutkijatohtori Kimmo K. Mäkeläi 040 823 5650 Kimmo.makela@oulu.fi 33 Oulun yliopisto

Science With Arctic Attitude! Contact Information: Research Director Kari Mäntyjärvi 040 084 3050 kari.mantyjarvi@oulu.fi Oulun yliopisto