LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO LUT School of Energy Systems LUT Kone Juha-Matti Smolander 3D-TULOSTIMEN OMINAISUUKSIEN, TULOSTETTAVAN KAPPALEEN SUUNNITTELUSÄÄNTÖJEN JA TUOTTEEN VAATIMUSPROFIILIN YHTEENSOVITTAMINEN Työn tarkastaja(t): Prof., TkT Eskelinen Harri. Yliopisto-opettaja, TkT Kerkkänen Kimmo.
TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto LUT Energiajärjestelmät LUT Kone Juha-Matti Smolander 3D-tulostimen ominaisuuksien, tulostettavan kappaleen suunnittelusääntöjen ja tuotteen vaatimusprofiilin yhteensovittaminen Diplomityö 2018 57 sivua, 36 kuvaa, 5 taulukkoa ja 4 liitettä Tarkastajat: Prof., TkT Eskelinen Harri Yliopisto-opettaja, TkT Kerkkänen Kimmo Hakusanat: 3D-tulostus, ainetta lisäävä valmistus, DFAM, 3D-tulostus ystävällinen suunnittelu Tässä diplomityössä sovitetaan yhteen 3D-tulostimen ominaisuudet, tulostettavan kappaleen suunnittelusäännöt ja vaatimusprofiili. Työssä esitellään 3D-tulostus prosessina sekä eri tyyppisten 3D-tulostinten ominaisuuksia vertaillaan keskenään. Työssä selvitetään 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelusääntöjä ja -ohjeita. Koekappale valmistetaan vaatimusprofiilin perusteella käytetyn tulostuslaitteiston mukaisia suunnitteluohjeita noudattaen ja koetulosteilla selvitetään valmistuksen onnistumista. Tässä diplomityössä esitetyt suunnittelusäännöt materiaalipursotukseen perustuvalla 3D-tulostustekniikalla valmistettavan kappaleen valmistukseen pätivät. Koekappaleeseen valittujen geometristen ja toiminnallisten piirteiden valmistaminen onnistui.
ABSTRACT Lappeenranta University of Technology LUT School of Energy Systems LUT Mechanical Engineering Juha-Matti Smolander Combining 3D-printer properties, manufacturing guidelines and design requirements of printable product Master s thesis 2018 57 pages, 36 figures, 5 tables ja 4 appendices Examiners: Prof., D.Sc. (Tech) Eskelinen Harri University Lecturer, D.Sc. (Tech) Kerkkänen Kimmo Keywords: 3D-printing, DFAM, Design for Additive Manufacturing, Additive Manufacturing In this master s thesis 3D-printer properties, design requirements of printaple product and design guidelines are combined. The 3D-printing processs is described and different 3D-printer types properties are compared. In this thesis design guidelines and rules of 3D-printable product are examined. Testpiece is manufactured according to design guidelines and rules of used 3D-printer type and success of manufacturing is evaluated. Design guidelines and rules of manufacturing product with material extrusion based 3D-printer presented in this thesis were accurate. Manufacturing geometric and functional features of testpiece was successful.
ALKUSANAT Tulipahan tehtyä. Kiitos Harri, Kimmo ja Mika. Juha-Matti Smolander Lappeenrannassa 05.06.2018
5 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT ALKUSANAT SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO 1 JOHDANTO...................................... 8 2 3D-TULOSTUS JA TULOSTINTYYPIT...................... 10 2.1 3D-tulostus prosessina.............................. 10 2.2 Tulostintyypit................................... 12 2.2.1 Stereolitografia (SLA).......................... 13 2.2.2 Digital Light Processing (DLP)..................... 15 2.2.3 Fused Deposition Modelling (FDM)................... 16 2.2.4 Selective Laser Sintering (SLS)..................... 18 2.2.5 Selective Laser Melting (SLM)...................... 20 2.2.6 Electron Beam Melting (EBM)...................... 21 2.2.7 Laminated Object Manufacturing (LOM)................ 22 2.3 Tulostintyyppien vertailu............................. 23 3 SUUNNITTELUSÄÄNNÖT............................. 24 3.1 DFMA ja DFAM................................. 24 3.2 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelun yleiset ominaisuudet.......... 25 3.3 3D-tulostettavan kappaleen piirteet........................ 29 4 KOEKAPPALEIDEN TULOSTUSLAITTEISTO JA SUUNNITTELUSÄÄNNÖT 31 4.1 Käytettävä laitteisto................................ 31 4.2 FDM -tulostettavan kappaleen suunnittelu.................... 32 4.2.1 Tuet ja tulostussuunta........................... 32 4.2.2 Anisotropia................................ 33 4.2.3 Täytöt ja kuoret.............................. 34 4.2.4 FDM -suunnittelutaulukko........................ 36 5 KOEKAPPALE.................................... 37 5.1 Liittyvän osan ja snap fit -liitoksen suunnittelu.................. 38
6 5.2 Materiaalit..................................... 40 6 TULOKSET...................................... 41 6.1 Koetuloste 1.................................... 41 6.2 Koetuloste 2.................................... 42 6.3 Koetuloste 3.................................... 43 6.4 Koetuloste 4.................................... 44 6.5 Koetuloste 5.................................... 45 6.6 Koetuloste 6.................................... 46 7 TULOSTEN ANALYSOINTI............................. 48 7.1 Snap-fit -liitos ja osien liittyminen........................ 48 7.2 Overhang ja tukematon uloke........................... 49 7.3 Koekappaleiden mitat............................... 51 7.4 Häiriöt tulostuksessa............................... 52 8 JOHTOPÄÄTÖKSET................................. 54 LÄHTEET......................................... 56 LIITTEET LIITE I Tulostintyyppien vertailutaulukko LIITE II Koekappaleen valmistuspiirustukset LIITE III Koekappaleen revisiot LIITE IV Tulostin ja CuraEngine asetukset
7 SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO ABS AM DFAM DFMA DLP EBM FDM FFF LOM PLA RP SLA SLM SLS Akryylinitriilibutadieenistyreeni Additive Manufacturing, Ainetta lisäävä valmistus Design for Additive Manufacturing Design for Manufacturing and Assembly Digital Light Processing Electron Beam Melting Fused Depostion Modelling Fused Filament Fabrication Laminated Object Manufacturing Polylaktidi Rapid Prtotyping, pikavalmistus Stereolithography, stereolitografia Selective Laser Melting Selective Laser Sintering, Selektiivinen lasersintraus
8 1 JOHDANTO Tässä diplomityössä selvitetään 3D-tulostuksen ominaisuuksia, kappaleen suunnittelusääntöjä sekä tuotteen vaatimusprofiilia. Työn tarkoituksena on yhdistää sekä 3D-tulostimen ominaisuudet, kappaleen suunnittelusäännöt että tulostettavan kappaleen vaatimusprofiili 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelun kannalta. Kuvassa 1 on kuvattu tämän diplomityön tutkimusalue. Kuva 1. Tutkimusalue. 3D-tulostustekniikoiden ja -laitteistojen laaja kirjo sekä nopea kehitys yhdessä kasvavan tarpeen tulostaa eri materiaaleja entistä tarkemmin, sekä tuotteiden entistä haastavammat geometriat luovat tarpeen tarkastella 3D-tulostettavien kappaleiden DFMA-sääntöjen tarkastelua. Kirjallisuuskatsauksen ensimmäisessä osassa selvitetään erilaisia 3D-tulostustekniikoita ja niiden erityispiirteitä. Työhön valitut 3D-tulostustekniikat esitellään ja lopuksi niitä vertaillaan seuraavien ominaisuuksien suhteen: Toimintaperiaate Tulostettavat materiaalit Tarkkuus Edut/Haitat Sovellukset, joissa käytetty Tulostettavan kappaleen koko Suunnittelurajoitteet Kirjallisuuskatsauksen toisessa osassa selvitetään 3D-tulostettavan kappaleen
9 suunnittelusääntöjä ja selvitetään miten 3D-tulostusystävällinen suunnittelu eroaa valmistusystävällisestä suunnittelusta. Selvitetään 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelun yleiset ominaisuudet, sekä 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelussa huomioitavat erityispiirteet. Lopuksi suunnitellaan koottuja tietoja soveltaen 3D-tulostettava kappale. Kappale valmistetaan LUT:ssa käytettävissä olevalla 3D-tulostuslaitteistolla. Esimerkkituotteen avulla pyritään selvittämään, kuinka 3D-tulostuksen ominaisuuksia ja suunnittelusääntöjä sekä tuotteen vaatimusprofiilia yhdistetään mahdollisimman tehokkaasti toimivan tuotteen valmistuksessa. Tässä diplomityössä selvitetään vastausta seuraaviin tutkimuskysymyksiin: Millainen on 3D-tulostus prosessina? Millaisia tulostintyyppejä on olemassa ja mitä ominaisuuksia eri tulostintyypeillä on? Mitä suunnittelusääntöjä 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelussa on otettava huomioon?
10 2 3D-TULOSTUS JA TULOSTINTYYPIT Tässä kappaleessa käydään läpi yleisesti 3D-tulostusta, tai ainetta lisäävää valmistusta (Additive Manufacturing (AM)). Ensimmäisessä kappaleessa (2.1) esitellään lyhyesti 3D-tulostusta, tai AM-prosessia, yleisesti. Toisessa kappaleessa (2.2) käydään ensin läpi 3D-tulostinten jako eri toimintaperiaatteen mukaan ja alakappaleissa esitellään tarkemmin työhön valittuja tulostintyyppejä. Tulostintyyppien tarkemmassa esittelyssä käytetään tietoa sekä kirjallisuudesta löytyvistä lähteistä, että eri kaupallisten valmistajien tarjoamasta datasta kyseessä olevasta 3D-tulostusteknologiasta. Lopuksi viimeisessä kappaleessa (2.3) kerätään yhteen aiemmissa kappaleissa esiteltyjen 3D-tulostintyyppien tietoja ja pyritään vertailemaan niitä keskenään seuraavien, tämän diplomityön rajauksessa valittujen, kriteerien suhteen: Toimintaperiaate Tulostettavat materiaalit Tarkkuus Edut/Haitat Sovellukset, joissa käytetty Tulostettavan kappaleen koko Suunnittelurajoitteet 2.1 3D-tulostus prosessina 3D-tulostus on ainetta lisäävä valmistustekniikka, jossa 3-ulotteisesta CAD-mallista valmistetaan tuote yleensä kerroksittain materiaalia lisäämällä. 3D-tulostus, ainetta lisäävä valmistus ((AM) Additive Manufacturing), ja pikavalmistus ((RP) Rapid Prototyping) ovat termejä joilla edellä kuvatun kaltaisia valmistustekniikoita on kutsuttu, tai kutsutaan. (Gibson et al. 2015, s. 1-8) Tässä diplomityössä käytetään termiä 3D-tulostus. 3D-tulostusprosessi voidaan jakaa kahdeksaan vaiheeseen, jotka ovat: 1. Mallinnus: 3D-tulosettava kappale mallinnetaan, tai joissain tapauksissa 3D-skannataan, 3D-malliksi. 3D-mallissa keskitytään tulostettavan kappaleen toiminnallisuuteen ja mallin ehjyyteen valmistusprosessin kannalta.
11 2. STL-muunnos: 3D-malli muunnetaan STL-formaattiin (lyhenne sanasta STereoLithography). STL-formaatti esittää ainoastaan tulostettavan kappaleen geometrian. STL-formaatissa pinnat koostuvat kolmiomaisista elementeistä. Koska STL-formaatti ei sisällä muuta tietoa kuin geometrian on sen jatkoksi kehitetty AMF-formaatti, joka sisältää tietoja muun muassa mitoista, materiaalista, ja väristä. 3. STL-tiedoston siirto tulostimeen: Kun STL-tiedosto on valmisteltu, siirretään se tulostimeen. Tulostimessa tulostettavan kappaleen asema määritetään ja tulosteen kokoa voidaan skaalata. Tulosettavia kappaleita voidaan yleensä lisätä yhteen tulostukseen useita. 4. 3D-tulostimen asetuksien määrittäminen: 3D-tulostimen asetuksien määrittäminen riippuu käytettävästä laitteistosta. Jotkut laitteet voivat käyttää useampaa materiaalia ja/tai kerrospaksuutta. Asetuksien määrittäminen vaikuttaa tulosteen laatuun. 5. 3D-tulostus: Tulostus on automaattinen prosessi ja vaatii vähäistä valvontaa, tärkeimpänä ensimmäiset tulostuskerrokset. Lisäksi prosessia on valvottava mahdollisten häiriöiden sekä materiaalin riittävyyden osalta. 6. Tulosteen poisto ja puhdistus: Tulostuksen jälkeen tuloste poistetaan/irrotetaan tulostuslaitteistosta. Irrottamisen työläys määräytyy käytetyn laitteiston ja materiaalin mukaan. Mahdolliset tukirakenteet poistetaan tässä vaiheessa. 7. Jälkikäsittely: Jälkikäsittely ennen tuotteen käyttöä riippuu käytetystä laitteisto, materiaalista ja tuotteen käyttökohteesta. Jälkikäsittely voi sisältää esimerkiksi: hiontaa, maalausta, koneistusta, kiillotusta, ja lämpökäsittelyä. 8. Tuotteen käyttö: Jälkikäsittelyn jälkeen 3D-tulostettu tuote on valmis käyttöönotettavaksi. 3D-tulostetussa tuotteessa voi käytetystä prossista riippuen olla erilaisia ominaisuuksia verrattuna samasta materiaalista muilla valmistustekniikoilla valmistettuihin tuotteisiin, esimerkiksi lujuusominaisuudet voivat olla poikkeavia. (Gibson et al. 2015, s. 43-49)
12 2.2 Tulostintyypit 3D-tulostintyypit voidaan jaotella useilla eri tavoilla. Eräs tapa on jakaa tulostimet taustalla olevan teknologian mukaan, eli käytetäänkö laseria, mustesuihkutulostin -tyyppistä teknologiaa, pursotusta, ja niin edelleen. Toinen tapa on jakaa tulostintyypit käytetyn materiaalin mukaan. (Gibson et al. 2015, s. 30 ) Kolmas 3D-tulostintyyppien jaottelu on Phamin mukainen jaottelu, joka on esitetty kuvassa 2. Tässä 2-ulotteisessa jaottelussa otetaan huomioon, sekä käytetty perusmateriaali, että tapa jolla kerrokset rakennetaan. (Gibson et al. 2015, s. 30 ) Kuva 2. 3D-tulostintyyppien jaottelu Phamin mukaan (Gibson et al. 2015, s. 30). Kuvassa 2 esitettyä Phamin jaottelua voidaan vielä muokata ja 3D-tulostintyypit voidaan jakaa seitsemään tyyppiin seuraavasti: Materiaaliruiskutus (Material Jetting): Menetelmät, jotka käyttävät mustesuihkutulostin -tyyppistä teknologiaa. Sideaineruiskutus (Binder Jetting): Menetelmät, joissa sideainetta ruiskutetaan kerroksiin jauhemaista perusainetta. Nesteen fotopolymerisointi (Photopolymer Vat): Menetelmät, joissa nestemäinen polymeeri on astiassa ja sitä kovetetaan kohdistamalla
13 energiaa haluttuihin kohtiin. Materiaalin pursotus (Material Extrusion): Menetelmät, joissa perusainetta pursotetaan suuttimen läpi. Jauhepetimenetelmä (Powder Bed Fusion): Menetelmät, joissa astiassa olevaa jauhemaista perusainetta käsitellään kohdistamalla haluttuihin kohti energiaa, yleensä laseria tai elektronisädettä. Suorakerrostus (Direct Energy Deposition): Menetelmät, joissa yhdenaikaisesti tuodaan sekä energiaa, että materiaali (ylenesä jauhetta tai lankaa) samasta lähteestä. Laminointi (Sheet Lamination): Menetelmät, joissa kerrokset koostuvat levyistä tai arkeista, jotka liitetään toisiinsa. (Gibson et al. 2015, s. 34-35) Taulukossa 1 esitetty yksityiskohtaisemmin 3D-tulostintyyppien jako, eri tulostintyyppeillä tulostettavia materiaaleja, sekä laitevalmistajia. Taulukossa on lihavoitu tässä diplomityössä esitellyt tulostintyypit. Seuraavissa kappaleissa (2.2.1-2.2.7) käydään läpi tähän diplomityöhän valittuja tulostintyyppejä. Taulukko 1. 3D-tulostintyypit, tulostettavat materiaalit ja laitevalmistajia (3DHubs 2018a) Nesteen fotopolymerisointi Materiaalin pursotus Materiaaliruiskutus Sideaineruiskutus Jauhepetimenetelmä Suorakerrostus Laminointi Tulostintyyppi Materiaalit Laitevalmistajia Stereolitografia (SLA) Muovit 3DSystems, Formlabs, DWS Digital Light Processing (DLP) Muovit EnvisionTec, B9Creator Continuous Digital Light Processing (CDLP) Muovit Carbon3D, EnvisionTec Komposiitit Markforged Fused Deposition Modelling (FDM) Stratasys, Ultimaker, Makerbot, Sortrax, Muovit Prusa Printers, Printbot, Lulzbot Material Jetting (MJ) Muovit Stratasys, 3DSystems NanoParticle Jetting (NPJ) Metallit Xjet Drop On Demand (DOD) Vaha Solidscape Binder Jetting (BJ) Kipsi/hiekka 3DSystems, Voxeljet Metallit ExOne Multi Jet Fusion (MJF) Muovit HP Selective Laser Sintering (SLS) Muovit EOS, 3DSystems, Sinterit, Sintratec Direct Metal Laser Sintering (DMLS) EOS, 3DSystems, SLM Solutions GMBH, Metallit Selective Laser Melting (SLM) Renishaw, ConceptLaser, Additive Industries Electron Beam Melting (EBM) Metallit Arcam AB Laser Engineering Net Shape (LENS) Metallit Optomec Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM) Metallit Sciaky INC Laminated Object Manufacturing (LOM) Komposiitit EnvisionTec, Impossible Objects Paperi Mcor 2.2.1 Stereolitografia (SLA) Stereolitografia on nesteen fotopolymerisointiin perustuva 3D-tulostustekniikka (Gibson et al. 2015, s. 64). SLA on ensimmäinen 3D-tulostustekniikka, patentoitu vuonna 1986 (3DHubs 2018c).
14 SLA:n toimintaperiaate on seuraava: Tulostusalusta asetetaan nestemäiseen fotopolymeeriin yhden kerrospaksuuden syvyyteen. UV-laserilla kovetetaan haluttu poikkileikkaus. Tulostusalusta siirtyy ja pyyhkijä tasaa fotopolymeeripinnan. Tulostettu kappale kovetetaan UV-valolla haluttujen mekaanisten ominaisuuksien saavuttamiseksi. (3DHubs 2018c) SLA-laitteistoja on kahta tyyppiä; teollisuudessa käytettäviä top-down -tyyppisiä, joissa tulostusalusta laskeutuu polymeeriin ja työpöytä eli bottom-up -tyyppisiä, joissa tulostusalusta nousee ylös polymeeristä. (3DHubs 2018c) Kuvassa 3 esitetty bottom-up -tyyppinen SLA-laitteisto. Kuva 3. Havainnekuva bottom-up -tyyppisestä SLA-tulostimesta, muokattu (3DHubs 2018c). SLA-tulostuksen ominaisuuksia: Tulostusparametrit: Kerrospaksuus tyypillisesti 0,025-0,1 mm. Tulosteen koko riippuen käytettävästä laitteesta, teollisuuskokoluokan SLA-tulostimella jopa 1500 mm x 750 mm x 500 mm. Tukirakenne ja orientaatio: SLA-tulostus vaatii aina tukirakenteen. Top-down -tyyppisessä SLA-tulostimessa tukirakenteiden vaatimukset ovat hyvin
15 samanlaiset, kuin FDM-tulostuksessa. Tukirakenne tarvitaan roikkuvien rakenteiden tarkkaan tulostukseen. Kriittinen overhang-kulma on 30. Tuloste kannattaa asetella mahdollisimman matalaksi, näin minimoidaan tarvittavien tukirakenteiden ja kerrosten määrä. Bottom-up -tyyppisessä SLA-tulostuksessa pyritään minimoimaan tulostettava pinta-ala, tämä tarkoittaa yleensä kappaleen asettamista pystyyn tai kulmaan. Käyristyminen: Käyristyminen on otettava huomioon kun halutaan tulostaa erittäin mittatarkkoja tuotteita. FDM-tulostuksessa vastaava ongelma on tulosteen vetely. Käyristyminen aiheutuu tulosteeseen sisäisistä jännityksistä. Kerrosten kiinnittyminen: SLA-tulosteilla on hyvät isotrooppiset mekaaniset ominaisuudet. Seuraavien kerrosten kovettaminen kovettaa alempia kerroksia edelleen ja SLA-tulosteen kovettuminen jatkuu jopa tulostuksen jälkeen. Parhaiten mekaanisten ominaisuuksien saavuttamiseksi SLA-tuloste tulee jälkikovettaa. Tarkkuus: SLA-tulostimilla päästään hyvään pinnanlaatuun ja korkeaan detailitarkkuuteen. Materiaalit: SLA-polymeerejä on saatavilla erilaisia aina läpinäkyvistä bio-yhteensopiviin ja kumimaisiin. (3DHubs 2018c) 2.2.2 Digital Light Processing (DLP) DLP on nesteen fotopolymerisointiin perustuva 3D-tulostustekniikkaa ja hyvin lähellä SLA:ta (think3d 2018a). Siinä missä SLA:ssa fotopolymeeri kovetetaan laser-säteellä DLP:ssä kovetetaan koko tulostuskerros kerralla käyttäen apuna valoa ja projektoria (Formlabs 2017). Kuvassa 4 on esitetty DLP-tulostuslaitteiston havainnekuva.
16 Kuva 4. Havainnekuva DLP-tulostimesta, muokattu (think3d 2018a). DLP:llä päästään hyvin lähelle samaan tulostustarkkuuteen kuin SLA:lla, kun tulostetaan yksittäistä pientä kappaletta. DLP:n tulostustarkkuus riippuu käytetyn projektorin resoluutiosta ja tulosteen koosta. (Formlabs 2017) DLP soveltuu käytettäväksi SLA:ta paremmin kun tulostetaan joko yksittäiskappaleita joissa pieniä yksityiskohtia, tai nopeasti suuria tulosteita joissa ei vaadita suurta tarkkuutta. Muuten DLP on ominaisuuksiltaan hyvin samankaltainen SLA:n kanssa. (Formlabs 2017) 2.2.3 Fused Deposition Modelling (FDM) FDM eli Fused deposition modelling tai joskus myös FFF eli Fused filament fabrication on materiaalin pursotukseen perustuva 3D-tulostustekniikka. FDM on kaikkein yleisimmin saatavilla oleva 3D-tulostustyyppi. FDM-tulostuksessa kelalla lankana oleva materiaali syötetään lämmitetyn tulostinpään läpi tulostusalustalle. Tulostuskerroksen poikkileikkaus pursotetaan ja tulostusalusta, tai tulostuspää, siirtyy kerrospaksuuden verran seuraavan kerroksen tulostusta varten. (3DHubs 2018b) Kuvassa 5 on esitetty havainnekuva FDM-tulostimesta.
17 Kuva 5. Havainnekuva FDM-tulostimesta, muokattu (3DHubs 2018b). FDM-tulostuksen ominaisuuksia: Tulostusparametrit: FDM:n tulostusparametrejä ovat muun muassa: suuttimen lämpötila, tulostusalustan lämpötila, kerrospaksuus, tulostusnopeus, tulosteen koko, ja jäähdytys. Suunnittelijalle tärkeimpiä näistä ovat kerrospaksuus ja tulosteen koko. Tyypillinen kerrospaksuus on 0,05-0,4 mm ja tulosteen koko työpöytätulostimella 200 mm x 200 mm x 200 mm ja teollisuustulostimella jopa 1000 mm x 1000 mm x 1000 mm. Vetely: Tulostettu materiaali kutistuu jäähtyessään ja tämä voi aiheuttaa tulosteessa vetelyä ja muodonmuutoksia. Kuvassa 6 ABS-muovista tulostettu osa, jossa vetelyn aiheuttamia deformaatioita. Suunnittelija voi vähentää vetelyä: Välttämällä suuria suoria pintoja kohtisuoraan tulostussuuntaa vasten. Ohuita yksittäisiä ulokkeita. Teräviä kulmia, pyöristysten lisääminen vähentää vetelyä. Materiaalivalinnoilla, esimerkiksi ABS on herkempi vetelylle kuin PLA.
18 Kuva 6. Vetelyn aiheuttamia deformaatioita FDM:llä tulostetussa ABS osassa. (Muokattu) (3DHubs 2018b). Kerrosten kiinnittyminen: FDM-tulosteessa kerrosten välinen lujuus on aina pienempi kuin perusmateriaalin lujuus, eli osalla on aina anisotrooppiset lujuusominaisuudet. Kerrosten välinen lujuus riippuu tulostusasteuksista, mutta suunnittelijan on otettava osaa suunniteltaessa huomioon tulosteen erilaiset ominaisuudet eri suunnissa. Anisotrooppisten lujuusominaisuuksien takia FDM-tulosteita ei suositella käytettäväksi kohteissa joissa mekaaniset ominaisuudet ovat kriittisiä. Tukirakenteet: FDM-tulosteissa overhang -muodot vaativat aina tukirakenteen, koska pursottaminen tyhjän päälle ei ole mahdollista. Tukirakenteen päälle tulostetuilla pinnoilla on yleensä heikompi pinnanlaatu. Overhang -muodot on otettava huomioon suunniteltaessa tulostussuuntaa. Täytöt ja kuoret: FDM-tulosteita ei yleensä tulosteta täyteen, vaan suurien osien sisään suunnitellaan sisäinen tukirakenne, eräänlainen kennosto, ja ulkokuoret tulostetaan umpinaisiksi. Tavoitteena on lyhentää tulostusaikaa ja säästää materiaalia. Materiaalit: FDM:n vahvuuksia on saatavilla olevien materiaalien laaja kirjo. Tulostukseen on saatavilla termoplastisia muoveja aina ABS-muovista HP-polymeereihin. (3DHubs 2018b) 2.2.4 Selective Laser Sintering (SLS) Selective laser sintering (SLS) eli selektiivinen lasersintraus on jauhepetimenetelmään perustuva 3D-tulostintyyppi muovien tulostamiseen. SLS-tulostuksessa perusmateriaalina käytetään jauhemuodossa olevaa termoplastista polymeeriä. SLS soveltuu sekä prototyyppien, että toiminnallisten tuotteiden valmistamiseen. SLS ei juurikaan rajoita suunnittelua, tarjoaa korkean tarkkuuden ja SLA:han ja FDM:n verrattuna yhtenäiset mekaaniset ominaisuudet tulosteessa. (3DHubs 2018d)
19 SLS-tulostuksen toimintaperiaate on seuraava: Tulostusalusta ja jauhesäiliö lämmitetään lähelle jauheen sulamispistettä. Ohut kerros jauhetta levitetään tulostusalustalle. CO2-laser piirtää tulostettavan kappaleen poikkileikkauksen jauheeseen sintraten jauheen yhteen. Kun poikkileikkaus on sintrattu tulostusalusta siirtyy ja uusi jauhekerros levitetään tulostusalustalle. (3DHubs 2018d) Kuvassa 7 on SLS-tulostimen havainnekuva. Tulostuksen jälkeen kappale on sintraamattoman jauheen sisässä ja tulostusalusta on jäähdytettävä ennen jauheen poistamista. Jäähtynyt jauhe poistetaan ja kappale puhdistetaan paineilmalla ennen jälkikäsittelyä. Sintraamaton jauhe voidaan uudelleen käyttää. (3DHubs 2018d) Kuva 7. SLS-tulostimen havainnekuva, muokattu (3DHubs 2018d).
20 SLS-tulostuksen ominaisuuksia: Tulostusparametrit: Tyypillinen kerrospaksuus 0,1-0,2 mm. Tulosteen koko 300 mm x 300 mm x 300 mm - 750 mm x 550 mm x 550 mm. Mittatarkkuus +/-0,3% (min +/- 0,3 mm). Kerrosten kiinnittyminen: SLS-tulostuksessa kerrosten välinen kiinnittyminen on erinomaista, eli SLS-tulosteella on lähes isotrooppiset mekaaniset ominaisuudet. Tulosteet ovat kuitenkin perusaineeseen verrattuna hauraita johtuen huokoisuudesta. SLS-tuloste on noin 30% huokoinen. Kutistumat ja vetely: SLS-tulostuksessa tapahtuu kutistumista ja vetelyä. Tyypillinen kutistuma on 3-3,5%. Vetelyä tapahtuu yleisimmin laajoilla tasaisilla pinnoilla. Vetelyä voidaan välttää esimerkiksi tulosteen asettelulla ja ohentamalla seinämävahvuuksia. Ylisintrautuminen: Ylisintrautumista tapahtuu kun ympäröivä sintrattu jauhe lämmittää muodon vieressä olevaa sintraamattomaksi tarkoitettua jauhetta. Ylisintrautuminen voi aiheuttaa pienten detailien, kuten reikien tai kolojen, katoamista. Ylisintrautumista esiintyy erityisesti jos suuressa seinämävahvuudessa esiintyy pieni muoto, esimerkiksi reikä. Jauheen poisto: Koska jauhe toimii tukena ja tukirakenteita ei tarvita on onttojen muotojen tulostaminen SLS:llä helppoa. Ontot muodot kuitenkin vaativat jauheenpoistoreiät. Tukirakenteet: SLS ei vaadi tukirakenteita, koska sintraamaton jauhe toimii kappaleen tukena tulostuksen aikana. Tukirakenteiden puuttuminen sallii erikoisempien geometrioiden vapaamman tulostuksen SLS:llä. Jälkikäsittely: SLS-tulosteen pinta on jauheinen ja rakeinen, sileä pinta vaatii jälkikäsittelyn. Lisäksi huokoisuudesta johtuen pintakäsittely vaaditaan, jos kappale vaatii vedenpitävyyttä. Materiaalit: Termoplastiset muovit, yleensä nylon (PA12). (3DHubs 2018d) 2.2.5 Selective Laser Melting (SLM) Selective laser melting (SLM) on jauhepetimenetelmään perustuva 3D-tulostustekniikka metallien tulostamiseen. Tulostuslaitteisto ja tulostusvaiheet ovat hyvin samantyyppisiä kuin SLS:ssä. (Additively 2018b) SLM-tulostuksen ominaisuuksia:
21 Tulostusparametrit: Kerrospaksuus tyypillisesti 0,02-0,05 mm, riipuu käytetystä jauheesta. Tulosteen koko tyypillisesti 250 mm x 150 mm x 150 mm ja jopa 500 mm x 280 mm x 360 mm. Mittatarkkuus +/- 0,1 mm. Kerrosten kiinnittyminen: Tulosteilla lähes isotrooppiset mekaaniset ominaisuudet. Tulosteiden huokoisuus hyvin matala, alle 0,2-0,5 %. Tukirakenteet ja tulosteen asettelu: Tukirakenne tarvitaan aina, tukirakenteella on kolme tehtävää: Toimia alustana, jolle seuraava poikkileikkaus rakennetaan. Ankkuroida tuloste tulostustasoon ja estää vetelyä. Toimia lämmönjohtimena. Tulosteet asetellaan yleensä kulmaan, tällä on tarkoituksena vähentää vetelyä ja maksimoida mekaanista lujuutta kriittisissä kohdissa. Tämä kuitenkin lisää tarvittavien tukien käyttöä, pidentää tulostusaikaa ja kasvattaa materiaalihukkaa. Ontot muodot ja kevyet rakenteet: Tukirakenteiden hankalan poistettavuuden takia suuria onttoja muotoja ei metallien 3D-tulostuksessa yleensä käytetä. Sisäisten kanavien joiden halkaisija on yli 8 mm muodoksi suositellaan timanttia tai pisaraa, nämä muodot kantavat itsensä ja eivät vaadi tukirakennetta. Metallisissa 3D-tulosteissa käytetään yleensä kennoja ja kuoria korvaamaan umpinaisia rakenteita. Topologia optimoinnilla ja hilarakenteilla voidaan keventää osia. Materiaalit: Materiaaleja on saatavilla laaja kirjo eri metalleja ja metalliseoksia, aina alumiinista titaaniin. Raakamateriaalin hinta on yleensä melko korkea, mutta kierrätettävyys on hyvä. SLM mahdollistaa perinteisillä valmistustavoilla hankalasti työstettävien materiaalien kuten nikkeli tai koboltti-kromi superseosten käytön. (3DHubs 2018e) 2.2.6 Electron Beam Melting (EBM) EBM-tulostus on jauhepetimenetelmään perustuva 3D-tulostutekniikkaa, jossa jauhemaista perusainetta sulatetaan elektronisuihkun avulla. Laitteisto ja tulostusvaiheet ovat hyvin samankaltaisia kuin SLM-tulostuksessa. EBM-tulostus vaatii tyhjiön. (Additively 2018a) EBM-tulostuksen ominaisuuksia: Tulostusparametrit: Mittatarkkuus tyypillisesti +/- 0,2 mm. Kerrospaksuus 0,05 mm. Tulosteen koko 350 mm x 350 mm x 380 mm. Tukirakenteet: EBM vaatii aina tukirakenteet, aivan kuin SLM. Jälkikäsittely: EBM ja SLM-tulosteet vaativat hyvin samanlaiset jälkikäsittelyn.
22 Jälkikäsittelyn vaiheet ovat: Jauheen poisto: Sulamaton jauhe poistetaan yleensä hiekkapuhaltamalla. Lämpökäsittely: Sisäisten jännitysten tasaamiseksi osat vaativat lämpökäsittelyn. Tukien poisto ja mekaaninen viimeistely: Koska EBM ja SLM vaativat tukirakenteet, on ne poistettava. Lisäksi osille voidaan tehdä mekaanista jälkikäsittelyä mittatarkkuuden saavuttamiseksi. Pintakäsittely: Osat jotka vaativat pintakäsittely pintakäsitellään, esimerkiksi pinnoittamalla tai hiomalla. (Additively 2018a) 2.2.7 Laminated Object Manufacturing (LOM) Laminated Object Manufacturing (LOM) on laminointiin perustuva 3D-tulostustekniikka. LOM-tulostuksessa tulostettavaa materiaalia syötetään nauhana tulostusalustan päälle, jossa arkista leikataan tulostettavan kappaleen poikkileikkaus. Kerrokset sidotaan toisiinsa liimalla. (Custompart.net 2018) Kuvassa 8 LOM-tulostimen havainnekuva. Kuva 8. LOM-tulostimen havainnekuva, muokattu (Custompart.net 2018). LOM-tulostuksen ominaisuuksia: Tulostusparametrit: Kerrospaksuus 0,05-0,5mm. Tarkkuus +/- 0,2 mm. Tulosteen koko 800 mm x 500 mm x 500 mm.
23 Tukirakenteet: Tukirakenteita ei tarvita, koska ylimääräinen materiaali jää tulosteeseen ja toimii tukimateriaalina kunnes se poistetaan. Materiaalit: Paperit ja komposiitit, käytännössä mikä tahansa levynä tai arkkina saatava liimattava materiaali. Käyttökohteet: Lähinnä visuaaliset prototyypit, ei sovellu tuotantoon. (Custompart.net 2018) (Sculpteo 2018) 2.3 Tulostintyyppien vertailu Edellisissä kappaleissa (2.2.1-2.2.7) on esitelty tähän diplomityöhön valittuja tulostintyyppejä. Tulostintyyppien tunteminen ja niiden ominaisuudet vaikuttavat tulostintyypin valintaan. Valittaessa tulostintyyppiä tulostettavan kappaleen valmistukseen on tunnettava tulostintyypin ominaisuudet, että pystytään valitsemaan parhaiten sopiva tulostintyyppi. Tutkimusasetelmassa asetettuun tutkimusongelmaan vastaamiseksi, tässä diplomityössä valittiin tulostintyyppien vertailuun seuraavat ominaisuudet: Toimintaperiaate: Tulostimen toimintaperiaate vaikuttaa tulostettaviin materiaaleihin, tulosteen mekaanisiin ominaisuuksiin, pinnanlaatuun ja tulostustarkkuuteen. Tulostettavat materiaalit: Tulosteessa käytetty materiaali rajoittaa tulostintyypin valintaa. Tarkkuus: Eri tulostintyyppien tulostustarkkuus vaikuttaa tulostintyypin valintaa. Tulostustarkkuutta valitessa täytyy huomioida sekä mittatarkkuus, että pienin tulostettavissa oleva detailin koko. Edut/Haitat: Eri tulostintyypeillä on erilaisia etuja ja haittoja. Esimerkiksi tulosteen mekaaniset ominaisuudet voivat olla anisotrooppisia, tulosteet voivat olla hauraita tai tulosteet vaativat paljon jälkikäsittelyä. Sovellukset, joissa käytetty: Taulukossa I.1 esitetty joitakin kohteita, joissa vertailuun valittuja tulostintyyppejä on käytetty. Tulostettavan kappaleen koko: Tulostettavan kappaleen koko vaikuttaa tulostintyypin valintaan. Suunnittelurajoitteet: Eri tulostintyypeillä voi olla tulostimen toimintaperiaatteesta johtuvia suunnittelurajoitteita. Liitteen I taulukkoon on koottu edellisissä kappaleissa läpi käytyjen tulostintyyppien ominaisuuksia.
24 3 SUUNNITTELUSÄÄNNÖT Tässä kappaleessa käsitellään 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelusääntöjä. Aluksi käydään lyhyesti läpi valmistusystävällinen suunnittelu (DFMA, Design for Manufacturing and Assembly) sekä 3D-tulostus ystävällinen suunnittelu (DFAM, Design for Additive Manufacturing) ja tämän jälkeen esitetään 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelussa huomioitavia suunnittelusääntöjä. 3.1 DFMA ja DFAM DFMA eli valmistusystävällinen suunnittelu on kokoelma suunnitteluperiaatteita, joilla jo suunnitteluvaiheessa pyritään parantamaan tuotteen suorituskykyä, laatua ja kannattavuutta, sekä alentamaan tuotantoaikaa ja hintaa. DFMA voidaan jakaa kolmelle tasolle. Ensimmäisellä tasolla DFMA on kokoelma suunnittelusääntöjä, jotka ovat valmistustapaan, tuotteen ominaisuuteen tai tuotteen toimintaan suoraan liittyviä. Toisella tasolla DFMA pyrkii ymmärtämään tuotetason suunnittelun ja valmistuksen välistä yhteyttä. Kolmannella tasolla DFMA tutkii kokonaisvaltaisesti valmistus ja suunnitteluprosessin ja suunnittelukäytäntöjen välistä yhteyttä. (Thompson et al. 2016, s. 4) DFAM eli 3D-tulostus ystävällinen suunnittelu ei sulje pois valmistusystävällistä suunnittelua, vaan valmistusystävällisen suunnittelun määritelmät ovat suoraan sovellettavissa ainetta lisäävään valmistukseen. 3D-tulostus kuitenkin poikkeaa perinteisistä valmistusmenetelmistä siksi DFAM eroaa DFMA:sta. Esimerkiksi 3D-tulostuksella on mahdollista valmistaa muotoja, jotka ovat perinteisillä valmistusmenetelmillä lähes mahdottomia, ja lisäksi eri 3D-tulostustekniikat asettavat perinteisistä valmistusmenetelmistä poikkeavia rajoitteita. Siksi DFAM vaatii joukon prosessikohtaisia suunnittelusääntöjä ja -työkaluja. (Thompson et al. 2016, s. 4) 3D-tulostuksen erityispiirteitä ovat: Muodon kompleksisuus: 3D-tulostuksella on mahdollista valmistaa lähes mikä tahansa muoto. Hierarkinen komplesisuus: 3D-tulostettavan kappaleen ominaisuuksia voidaan suunnitella materiaalin mikrorakennetasolta ylöspäin. Toiminnallinen kompleksisuus: 3D-tulostamalla on mahdollista valmistaa toimivia
25 mekanismeja, jotka eivät vaadi asennusta. Materiaalinen kompleksisuus: 3D-tulostamalla on mahdollista saada eri kohtiin tuotetta erilaisia materiaaliominaisuuksia, koska materiaalia käsitellään kerros kerrokselta ja piste pisteeltä. (Gibson et al. 2015, s. 404-410) 3D-tulostettavan tuotteen suunnittelussa mielessä pidettävät suunnitteluohjesäännöt ovat Gibson et. al. (2015) mukaan: 3D-tulostus mahdollistaa monimutkaisten geometrioiden käytön ilman ajallista tai kustannuksellista tappiota, verrattuna yksinkertaisen geometrian käyttöön. 3D-tulostus mahdollistaa muotojen, ominaisuuksien sekä osien yhdistämisen monimutkaisemmaksi osaksi, täten poistaen tarvetta kokoonpanolle. 3D-tulostus mahdollistaa yksilöllisten muotojen ja osien valmistuksen suoraan 3D-kuvasta. Yleistyvät monimateriaalitulostimet mahdollistavat monimutkaisemmat tuotteet, joissa on mahdollista yhdistää eri materiaalien ominaisuuksia. Perinteisten valmistusmenetelmien rajoitteet voidaan unohtaa, mutta 3D-tulostusspesifit rajoitteet on huomioitava. 3.2 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelun yleiset ominaisuudet 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelussa on yleisesti huomioitava kerrospaksuus, kutistuminen ja vetely, tukirakenteet, sekä pyöristykset. Eri 3D-tulostustekniikoita koskien on tulostustekniikkakohtaisia ohjeita, mutta tässä kappaleessa käydään edellämainitut ominaisuudet läpi yleisesti. Koska lisäävä valmistus on kerroksiin perustuva valmistustekniikka, on käytetty kerrospaksuus suoraan tuotteen ominaisuuksiin vaikuttava tekijä. (Redwood et. al. 2017, s. 148-149) Taulukkoon 2 koottu eri 3D-tulostintyyppien yleisiä kerrospaksuuksia. Kerrospaksuus on suora vaikutus valmistusaikaan, kaksinkertaistamalla kerrospaksuuden valmistusaika puolittuu. Lisäämällä kerrospaksuutta tulee kerroksista myös näkyvämpiä lopullisessa tulosteessa. (Redwood et. al. 2017, s. 148-149) Pienempi kerrospaksuus tulee valita, jos kappaleessa on kaarevia pintoja tai reikiä, visuaalinen ilme tai käyttö vaatii tarkkuutta tai tulostetta ei jälkikäsitellä (3DHubs 2018f). Kuvassa 9 esitetty FDM-tulosteessa kerrospaksuuden vaikutusta kappaleen ulkonäköön.
26 Taulukko 2. Tyypillisiä kerrospaksuuksia eri 3D-tulostusmenetelmillä. (Redwood et. al. 2017, s. 149) Tyypillinen kerrospaksuus FDM 50-400 µm (yleensä: 200 µm) SLA/DLP 25-100 µm (yleensä: 50 µm) SLS 80-120 µm (yleensä: 100 µm) Materiaaliruiskutus 16-30 µm (yleensä: 16 µm) Sidosaineruiskutus 100 µm DMLS/SLM 30-50 µm Kuva 9. Kerrospaksuuden vaikutus tulosteen ulkonäköön. Vasemmalta oikealle kerrospaksuus 50 µm, 200 µm ja 300µm. (3DHubs 2018f) Kutistuminen ja vetely: Yleinen 3D-tulostukseen liittyvä ongelma on tulosteen kutistuminen ja vetely. (Redwood et. al. 2017, s. 149) Kutistuminen ja vetely johtuu tyypillisesti joko epätasaisen jäähtymisen aiheuttamista jäännösjännityksistä tai käytetyn materiaalin kovettumisesta (Redwood et. al. 2017, s. 149). Lämmön aiheuttama jäännösjännitys tulosteessa aiheuttaa kutistumista ja vetelyä. Jäännösjännitys johtuu kappaleen epätasaisesta jäähtymisestä. Erityisesti korotettua työskentelylämpötilaa käyttävät tulostustekniikat, materiaalipursotus ja jauhepetimenetelmä, ovat alttiita lämmön aiheuttamalle vetelylle ja kutistumille. (Redwood et. al. 2017, s. 149)
27 Fotopolymeerejä käyttävät 3D-tulostustekniikat eivät vaadi korotettua lämpötilaa, mutta tulosteessa voi esiintyä kutistumista ja vetelyä kovettumisen seurauksena. Käsitelty kerros kutistuu kovettuessaan ja voi aiheuttaa jäännösjännitystä rakenteeseen. (Redwood et. al. 2017, s. 149) Vetelyä ja kutistumista voidaan pyrkiä hallitsemaan suunnittelulla. Tärkein suunnittelussa huomioitava seikka on yhtenäinen seinämävahvuus. Epätasaiselle jäähtymiselle alttiita ovat erityisesti kohteet, joissa suurella seinämävahvuudella oleva alue kiinnittyy hoikkaan rakenteeseen. (Redwood et. al. 2017, s. 149-150) Suuret tasaiset pinnat ovat herkkiä vetelylle ja niitä tulisi välttää kaikessa 3D-tulostuksessa. Jos tuote vaatii suurta tasaista pintaa, olisi syytä miettiä useammasta osasta koottavaa kappaletta. (Redwood et. al. 2017, s. 150) Tukirakenteiden käytöllä niitä vaativissa 3D-tulostustekniikoissa voidaan estää tulosteen vetelyä. Erityisen tärkeää tukien käytön huomioiminen on SLA/DLP ja SLM -menetelmissä. (Redwood et. al. 2017, s. 150) 3D-tulostustekniikat vaativat tulostettavalle kappaleelle tukirakenteen. Tässä työssä esitellyistä tekniikoista SLS ja LOM -tekniikat eivät vaadi tukirakennetta. 3D-tulostettavan kappaleen onnistunut tulostaminen vaatii, että jokainen kerros saadaan rakennettua onnistuneesti. Jotkut tulostustekniikat vaativat, että kerrokselle on alusta jonka päälle kerros voidaan tulostaa ja näin ollen vaativat tukirakenteiden käyttöä. (Redwood et. al. 2017, s. 150) Kuvassa 10 on SLA -tuloste, jossa tulostuksen aikainen tukirakenne on edelleen kiinni. Tukirakenteen poistaminen voi jättää tulosteen pintaan jälkiä, siksi tukirakenteiden käyttö tulee suunnitella ja erityisesti tulosteen asettelulla voidaan vaikuttaa pinnanlaatuun. FDM ja materiaaliruiskutus -menetelmiä käytettäessä on mahdollista käyttää liukenevaa tukimateriaalia, jonka poistaminen on helpompaa. (Redwood et. al. 2017, s. 150)
28 Kuva 10. SLA -tuloste, jossa tukirakenne kiinni (3DHubs 2018g). Pyöristykset ovat yleinen osa kappaleen suunnittelua. Pyöristyksillä voidaan vähentää jännityskeskittymiä nurkissa ja parantaa kappaleen tulostettavuutta. Pyöristykset ja viisteet voivat myös helpottaa tulosteen irrottamista tulostusalustasta.(redwood et. al. 2017, s. 150) Useat 3D-tulostustekniikat tuottavat luonnollisen pyörityksen kaikkiin teräviin kulmiin. Esimerkiksi materiaalipursotuksessa pyöritys on suuttimen halkaisija ja SLS:ssä noin 0,4 mm eli laserpisteen halkaisija. Pyöristyksiä tulisi käyttää aina kuin mahdollista. Vähintään 2 mm pyöristyssäde on hyvä lähtökohta. Tulostustekniikoilla joissa tuloste kiinnittyy tulostusalustaan tulostusalustaa vasten olevien ulkoreunojen viistäminen 45 kulmassa helpottaa tulosteen irrottamista. (Redwood et. al. 2017, s. 150)
29 3.3 3D-tulostettavan kappaleen piirteet 3D-tulostettavilla kappaleilla on joukko erityisiä geometrisia ja toiminnallisia piirteitä, jotka on otettava huomioon kappaletta suunniteltaessa. Tässä kappaleessa käydään läpi nämä piirteet. On myös huomioitava, että seuraavaksi listatuista piirteitä kaikki eivät välttämättä koske kaikkia tulostustekniikoita, esimerkiksi materiaalipursotus ei vaadi jauheenpoistoreikää. (Redwood et. al. 2017, s. 153) 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelussa huomioitavat piirteet esitetty kuvassa 11. Kuva 11. 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelussa huomioitavat piirteet. Muokattu (3DHubs 2018g). Kuvan 11 mukaiset suunnittelussa huomioitavat piirteet ovat: a) Tuetut seinämät: Vähintään kahdelta sivulta rakenteeseen yhdistyvän seinämän minimipaksuus, jolla rakenne säilyttää muotonsa.
30 b) Tukemattomat seinämät: Yhdeltä sivulta rakenteeseen kiinnittyvän seinämän minimipaksuus, jolla rakenne ei irtoa ja säilyttää muotonsa. c) Overhangs: Minimi kulma, jossa suhteessa horisontaaliseen tasoon voidaan tulostaa seinämä ilman tukirakennetta. d) Kohokuviot ja kaiverrukset: Kohokuvion tai kaiverruksen minimi syvyys/korkeus, jolla piirteen tulostaminen onnistuu ilman sen sulautumista rakenteeseen. e) Horisontaaliset sillat: Suurin horisontaalisen sillan pituus, jonka tulostaminen onnistuu ilman tukirakennetta. f) Reiät: Pienin halkaisija, jolla reiän tulostaminen onnistuu. g) Liittyvät ja liikkuvat osat: Liittyvien tai liikkuvien osien minimitoleranssi. h) Poistoreiät: Pienin reikä, joka mahdollistaa jauheenpoiston onton rakenteen sisältä. i) Minimi piirteen koko: Piirteen pienin koko, jolla sen tulostaminen onnistuu. j) Minimi tapin halkaisija: Pienin halkaisija, jolla tapin tulostaminen onnistuu. k) Tukemattomat ulokkeet: Tukemattoman ulokkeen suurin ulkonema. l) Korkeus - poikkipinta-ala -suhde: Tulosteen poikkipinta-alan ja korkeuden suurin suhde, jolla tuloste säilyy stabiilina tulostusalustassa. (Redwood et. al. 2017, s. 154-155)
31 4 KOEKAPPALEIDEN TULOSTUSLAITTEISTO JA SUUNNITTELUSÄÄNNÖT Tässä kappaleessa esitellään koekappaleen valmistuksessa käytettävä laitteisto ja käydään läpi kyseisellä tulostusmenetelmällä valmistettavan kappaleen suunnittelusäännöt ja -ohjeet. Koekappaleen suunnittelussa pyritään yhdistämään koekappaleen vaatimukset ja tulostuslaitteiston asettamat suunnittelusäännöt ja -rajoitteet. 4.1 Käytettävä laitteisto Koekappaleen valmistukseen käytetään minifactory Innovator - M -tulostinta. Innovator on FDM -teknologiaan, eli materiaalipursotukseen, perustuva Suomessa valmistettu 3D-tulostin. Kuvassa 12 minifactory Innovator - M -tulostin. Kuva 12. minifactory Innovator - M -FDM -tulostin(minifactory 2018).
32 minifactory Innovator - M -tulostimen ominaisuuksia: Laitteen koko: 53 x 56 x 67 cm, paino 45 kg Tulostuspäiden lukumäärä: 2 Tulostettavat materiaalit: PLA, ABS, HIPS, PA, PC ja PEEK -valmius Tulostusalueen koko: Kahdella tulostuspäällä 220 x 200 x 200 mm Resoluutio: 0,02-0,4 mm Seinämäpaksuus: vähintään 0,4 mm, 1,2 mm optimi Suuttimen koko: 0,4 mm Langan halkaisija: 1,75 mm Asemointitarkkuus (X/Y): 0,01 mm Asemointitarkkuus (Z): 0,02 mm Tulostustarkkuus: +/- 0,2 mm Tulostusnopeus: 60 mm/s Suuttimen lämpötila: max 390 C Tulostusalustan lämpötila: 125 C Lämmitetty tulostuskammio: Kyllä, passiivinen, max 55 C Poistoilman suodatus: Aktiivihiili + HEPA. (minifactory 2018) 4.2 FDM -tulostettavan kappaleen suunnittelu Materiaalipursotusta kutsutaan yleisesti yksinkertaisimmaksi 3D-tulostusteknologiaksi, mutta on tällä tulostusteknologialla valmistettavan kappaleen suunnittelussa useita huomiotavia kohteita. Suurin osa suunnittelussa huomioitavista ominaisuuksista liittyy FDM-tulosteen anisotrooppisiin materiaaliominaisuuksiin ja tukien käytön tarpeeseen. (Redwood et. al. 2017, s. 157) 4.2.1 Tuet ja tulostussuunta FDM-tulostuksessa vaakatasosta alle 45 kulman overhang -piirteet tarvitsevat aina tukirakenteen. Vaakatason suuntaiset sillat, joiden pituus tukipisteiden välillä on yli 10 mm tarvitsevat myös tukirakenteen. Yli 5mm pituisissa tukemattomissa silloissa esiintyy yleensä myös roikkumista. Tukirakenteet lisätään 3D-tulostettavaan kappaleeseen mallin pilkkomisen yhteydessä. (Redwood et. al. 2017, s. 158-165) (3DHubs 2018h) Tulosteessa esiintyvät reiät voivat vaakatasossa ollessaan luoda edellä mainitun sillan, joka tarvitsee tukirakenteen. Tukirakenteen poisto reiästä voi olla hankalaa ja reiän muoto- ja
33 mittatarkkuus voi olla heikko. Reiän kääntäminen pystysuuntaan poistaa tarpeen tukirakenteelle ja muototarkkuus paranee, mutta reiän halkaisija on yleensä pienempi kuin CAD-mallissa. Jos vaatimuksena on mittatarkka reikä, kannattaa reikä porata valmiiseen tulosteeseen. (Redwood et. al. 2017, s. 169-170) (3DHubs 2018h) 4.2.2 Anisotropia FDM-tulostuksen kerrosten kiinnittymisestä johtuen, tulosteella on eri suunnissa erilaiset mekaaniset ominaisuudet. Kerroksia vasten kohtisuorassa tuloste kestää parhaiten taivutusta ja huonoiten vetoa. Kerroksien suuntaisesti tuloste taas kestää parhaiten vetoa ja heikoiten taivutusta. (3DHubs 2018h) Tulostussuunnan vaikutusta kappaleen kuormitettavuuteen esitetty kuvassa 13. Kuva 13. Tulostussuunnan vaikutus kappaleen kuormitettavuuteen, muokattu (3DHubs 2018h). Tulosteen anisotrooppiset ominaisuudet tulee ottaa huomioon suunnittelussa ja valmistusvaiheessa tulosteen asettelussa eli tulostussuuntaa määritellessä.
34 4.2.3 Täytöt ja kuoret FDM-tulosteita ei yleensä tulosteta täysin umpinaisiksi, vaan pintakerrokset tulostetaan täyteen ja sisäosiin tulostetaan täyttö. Näin voidaan lyhentää tulostusaikaa ja säästää kustannuksissa. Täytöt ja kuoret määritellään 3D-mallin viipaloimisen yhteydessä viipalointiohjelmistossa. (Redwood et. al. 2017, s. 167-169) Kuvassa 14 esitetty tulosteen rakennetta. Tuloste koostuu kuorista ja täytöstä. Kuorien paksuus kannattaa mitoittaa suuttimenhalkaisijan monikerraksi, näin vältetään onkaloiden syntyminen. (3DHubs 2018i) Kuva 14. Kuoret ja täyttö FDM-tulosteessa, muokattu (3DHubs 2018i). Täytön määrä riippuu tulostettavan kappaleen käyttökohteesta. Yleensä 20% täyttö, mikä on useissa viipalointiohjelmistoissa oletus, on riittävä. Pelkän muodon testaamiseksi jopa 10% täyttö voi olla riittävä, mutta jos kappaleeseen kohdistuu kuormitusta voi olla tarpeen tulostaa jopa 100% täyttö. Täytön lisääminen 25%:sta 50%:n kasvattaa lujuutta noin 25%, mutta täytön lisääminen 50%:sta 70%:n ei kasvata lujuutta kuin noin 10%. Täyttöasteen kasvattaminen vaikuttaa tulostusaikaan ja -kustannuksiin. (Redwood et. al. 2017, s. 167-168) (3DHubs 2018i) Kuvassa 15 esitetty eri täyttöasteita.
35 Kuva 15. Eri täyttöasteita, vasemmalta oikealle; 20%, 50% ja 75% (3DHubs 2018i). Kuvassa 16 esitetty eri täyttögeometrioita, alkaen vasemmalta ylhäältä; nelikulmio, kolmiomainen, sahakuvio ja hunajakenno. Nelikulmainen täyttögeometria on yleensä oletusgeometria ja tarjoaa hyvin jäykkyyttä kaikkiin suuntiin ja on suhteellisen nopea tulostaa. Kolmiomainen täyttögeometria tarjoaa lisäjäykkyyttää seinämien suunnassa, mutta on hitaampi tulostaa. Sahakuvio sopii joustavien materiaalien tulostuksen täytöksi, mahdollistaa puristumista, kiertymistä ja painumista. Hunajakennotäyttö on suosittu ja tarjoaa hyvin jäykkyyttä kaikissa suunnissa. (Redwood et. al. 2017, s. 168) Kuva 16. Eri täyttögeometrioita, muokattu (3DHubs 2018i).
36 4.2.4 FDM -suunnittelutaulukko FDM-tulostettavan kappaleen suunnittelussa huomioitavat piirteet ovat: seinämäpaksuus, overhang, koho- tai kaiverretut piirteet, horisontaaliset sillat, reiät, välykset, piirteen koko, tapit ja tukemattomat ulokkeet. Taulukossa 3 esitetty suunnitteluohjeet näiden piirteiden suunnittelua koskien. (Redwood et. al. 2017, s. 174-175) Taulukko 3. FDM-tulostettavan kappaleen piirteiden suunnittelusääntöjä (Redwood et. al. 2017, s. 174-175) Piirre Seinämäpaksuus Overhang Kohokuviot ja kaiverrukset Horisontaaliset sillat Reiät Välykset Piirteen koko Tapin koko Tukemattomat ulokkeet Suunnittelusääntö 0,8 mm Pienin seinämäpaksuus on 0,8 mm, seinämäpaksuus kannattaa suunnitella suuttimen halkaisijan monikertoina, jos tunnettu. Suuttimen halkaisija yleensä 0,4 mm. 45 Vaakatasosta alle 45 kulmassa olevat piirteet tarvitsevat tukimateriaalia tulostuksen onnistumiseksi. 0,6 mm x 2 mm Koho-/kaiverruskuvioinnin paksuus tulee olla 0,6 mm ja korkeus/syvyys 2 mm. 10 mm Tukemattoman horisontaalisen sillan suurin pituus 10 mm. 2 mm. Alle 2mm halkaisijaltaan olevia reikiä tulee välttää. Reiät tulostuvat yleensä pienempinä kuin mallissa, tarkkojen reikien poraamista valmiiseen tulosteeseen suositellaan. 0,5 mm Liittyvien osien välykseksi suositellaan 0,5 mm, liitoksen tyypistä riippuen tätä voidaan muuttaa. 2,0 mm Alle 2 mm kokoisen piirteen tulostaminen ei suositeltavaa. 3.0 mm Pystyasennossa olevan tapin halkaisija ei saa olla alle 3 mm. 3 mm Tukemattoman ulokkeen ulkonema ei tulisi olla yli 3 mm. Edellä esitettyjä laitteiston ja tuotteen suunnittelua koskevia sääntöjä ja reunaehtoja sovelletaan tässä tutkimuksessa käytettävän koekappaleen geometrian suunnittelussa.
37 5 KOEKAPPALE Koekappaleella testataan onnistuuko aiemmin esitettyjen suunnitteluohjeiden mukaan suunnitellun kappaleen valmistaminen käytettävissä olevalla 3D-tulostuslaitteistolla. Koekappale koostuu kahdesta liittyvästä osasta, jotka lukittuvat toisiinsa snap-fit -liitoksella. Koekappaleeseen valitut geometriset ja toiminnalliset piirteet: Tukematon uloke: Suurin ulkonema 3 mm. Overhang: 45 overhang-muoto. Reikä: Suunniteltua tulostussuuntaa kohtisuorassa oleva reikä, 10 mm Snap-fit -liitos. Liittyvä kappale: Liittyvien kappaleiden välys 0,5 mm. Koekappaleen valmistuspiirustukset ovat liitteessä II. Kuvassa 17 on koekappaleen 3D-malli. Liitteessä III on esitetty kuvat koekappaleen 3D-malleista ennen lopullista geometriaa. Kuva 17. Koekappaleen 3D-malli. Koekappaleen suunnittelussa käytetään SolidWorks -suunnitteluohjelmistoa. Tulostimelle vietäessä käytetään Repetier-Host ohjelmistoa, viipalointiin ja G-koodin tekoon käytetään CuraEngineä. Repetier ohjelman tulostinasetukset asetetaan minifactoryn asennusohjeen mukaan, CuraEnginessä käytetään minifactory toimittaman asennuspaketin mukana tulevia asetustiedostoja. Tulostin ja CuraEngine asetukset on esitetty liitteessä IV.
38 5.1 Liittyvän osan ja snap fit -liitoksen suunnittelu Koekappaleeseen valittiin toiminnalliseksi piirteeksi liittyvä osa ja snap fit -liitos. Liittyvän osan välyksen ohjearvoksi annettiin 0,5 mm. Kuvissa 18 ja 19 on esitetty sisäkkäin menevien osien korkeus- ja leveysmitat. Korkeussuunnassa välykseksi asetettiin tukemattoman ulokkeen mahdollisen roikkumisen kompensoimiseksi kuitenkin 0,75 mm ja leveyssuunnassa ohjeenmukainen 0,5 mm. Kuva 18. Liittyvien osien korkeudet. Kuva 19. Liittyvien osien leveydet. Snap fit -liitoksen osalta päädyttiin muutaman ideointikierroksen jälkeen muotoon, jossa kynnet
39 ovat pyöreät kiinnittämisen ja irrottamisen helpottamiseksi. Kynsien suunta valittiin siten, että kappaleella on mahdollisimman suuri tasainen pinta joka voidaan asettaa tulostusalustaa vasten. Lisäksi kynnet asetettiin tulostussuuntaa vasten siten ettei kerrosten väliin kohdistu leikkausvoimia osien kiinnityksessä tai irrotuksessa. Mitoituksen osalta tarkemmat mitat löytyvät liitteessä II esitetyistä valmistuspiirustuksista. Kynnen tyven ja vastinkappaleen ulkopinnan väliin jätettiin molemmin puolin 0,5 mm välys (kuva 20). Kuva 20. Vastinkappaleen ulkopinnan ja kynnen tyven mitat. Kynsien vastinkolon ja kynsien mittojen välykseksi jäi 0,43 mm, kun kynsiä taivutettiin tyvestä sisäänpäin 2 (kuva 21). Kuva 21. Kynsien vastinkolon ja kynsien väliset mitat.
40 5.2 Materiaalit Koekappaleen valmistukseen käytetään PLA- ja ABS-filamenttia. ABS eli akryylinitriilibutadieenistyreeni on edullinen ja kestävä muovi (Simplify3D 2018a). eli polylaktidi on helposti tulostettava biohajoava muovi (Simplify3D 2018b). PLA Taulukossa 4 vertailtu käytettäviä tulostusmateriaaleja. Lisäksi käytettävissä on PolySupport(TM) -tukifilamentti, jota voidaan käyttää helposti poistettavien tukirakenteiden tulostamiseen. Taulukko 4. ABS- ja PLA-muovien vertailu (Simplify3D 2018c). ABS PLA Vetolujuus [MPa] 40 65 Jäykkyys (suhteellinen) 5/10 7,5/10 Kestävyys (suhteellinen) 8/10 4/10 Suurin käyttölämpötila [ C] 98 52 Tulostettavuus (suhteellinen) 8/10 9/10 Suuttimen lämpötila [ C] 220-250 190-220 Tulostusalustan lämpötila [ C] 95-110 Lämmitys vaaditaan 45-60 Lämmitys ei pakollinen Edut Edullinen Iskun ja kulutuksen kestävyys Hyvän lämmönkestävyys Edullinen Jäykkyys ja lujuus Mittatarkkuus Haitat Vetelee helposti Vaatii lämmitetyn alustan ja/tai tulostuskammion Kutistuminen Huono lämmönkestävyys Vaatii jäähdytyksen Ei sovellu ulkokäyttöön (altistus auringonvalolle)
41 6 TULOKSET Seuraavissa kappaleissa on kuvattu koetulosteissa käytetyt tulostusparametrit ja käytetty materiaali. Tulostusalustassa käytettiin kappaleen kiinnitykseen PLA-muovilla minifactoryn toimittamaa tarttuma-ainetta, ABS-muovilla käytettiin samaa alustaa kuin PLA-muovilla tai Kapton teippiä. Tulostusalusta kalibroitiin alustan vaihdon yhteydessä. Koetulosteita ei jälkikäsitelty tulostuksen jälkeen, ainoastaan mahdollinen tuki irrotettiin. 6.1 Koetuloste 1 Ensimmäinen koetuloste tulostettiin PLA -muovista käyttäen oletusasetuksia. Tukimateriaalia ei käytetty, tulostusalustaan oli levitetty tartunta-aine valmiiksi ja tulostusalustan kalibrointia ei suoritettu ennen ensimmäisen tulostuksen aloittamista. Koetulosteen 1 tulostus: Materiaali: PLA Kerrospaksuus: 0,2 mm Kerrosmäärä: 125 Kuljetusnopeus: 35 mm/s, kuori 30 mm/s, täyttö 37 mm/s Suuttimen lämpötila: 205 C Tulostusalustan lämpötila: 60 C Täyttöaste: 20 % Tukimateriaali: Ei Tulostusaika: 1h 41min Liitos toimii. Pinnanlaatu varsinkin vinoilla pinnoilla karkea. Reikä ei ole pyöreä, ylälaita roikkuu. Overhangin jatkeena oleva tukematon uloke roikkuu. Pienemmän kappaleen kapeilla pinnoilla ylä- ja alakerroksen täytössä reikiä.
42 Kuva 22. Koetuloste 1. 6.2 Koetuloste 2 Toinen koetuloste tulostettiin PLA -muovista käyttäen tukimateriaalia ja 0,1 mm kerrospaksuutta, muutoin asetuksia ei muutettu oletusarvoista. Tulostusalustaan ei tehty muutoksia ensimmäisen ja toisen tulosteen välissä, eli alustaa ei kalibroitu eikä siihen levitetty uutta tarttuma-ainetta. Koetulosteen 2 tulostus: Materiaali: PLA Kerrospaksuus: 0,1 mm Kerrosmäärä: 249 Kuljetusnopeus: 35 mm/s, kuori 30 mm/s, täyttö 37 mm/s Suuttimen lämpötila: 205 C Tulostusalustan lämpötila: 60 C Täyttöaste: 20 % Tukimateriaali: Kyllä, vain alustasta, PolySupport Tulostusaika: 5h 15min Koetulosteen 2 tulostaminen keskeytyi filamentin oltua solmussa kelalla. Tulosteen korkeus noin 2 mm suurempi kuin ensimmäisen tulosteen. 2. suuttimesta roikkuva tukifilamentti tarttuu tulosteeseen ja aiheuttaa jälkikäsittelyä vaativia kosmeettisia haittoja. Liitos toimii. Reikä
43 ei tulostunut kokonaan ja overhang -muodon yläpäässä oleva tukematon uloke jäi kokonaan tulostumatta. Kuva 23. Koetuloste 2. 6.3 Koetuloste 3 Kolmas koetuloste tulostettiin PLA -muovista kerrospaksuudella 0,3 mm ja tukea käyttäen. Kappaleita käännettiin 90 Z-akselin suhteen tavoitteena näin välttää 2. suuttimen kosketuksen aiheuttamaa tulostuslaadun heikkenemistä vinolla pinnalla. Tulostusalustaan ei tehty muutoksia. Koetulosteen 3 tulostus: Materiaali: PLA Kerrospaksuus: 0,3 mm Kerrosmäärä: 83 Kuljetusnopeus: 30 mm/s, kuori 27 mm/s, täyttö 32 mm/s Suuttimen lämpötila: 205 C Tulostusalustan lämpötila: 60 C Täyttöaste: 20 % Tukimateriaali: Kyllä, vain alustasta, PolySupport Tulostusaika: 1h 52min Liitos toimii ja käy ristiin ensimmäisen tulosteen kanssa. Tulosteen korkeus selvästi lähempänä ensimmäisen kuin toisen tulosteen korkeutta.
44 Kuva 24. Koetuloste 3. 6.4 Koetuloste 4 Neljäs koetuloste tulostettiin ABS-muovista kerrospaksuudella 0,2 mm tukimateriaalia käyttäen. Tulostusalustaan ei tehty muutoksia, eli käytettiin samaa kiinnikeainetta kuin PLA-muovilla. Koetulosteen 4 tulostus: Materiaali: ABS Kerrospaksuus: 0,2 mm Kerrosmäärä: 125 Kuljetusnopeus: 30 mm/s, kuori 27 mm/s, täyttö 32 mm/s Suuttimen lämpötila: 255 C Tulostusalustan lämpötila: 125 C Täyttöaste: 20 % Tukimateriaali: Kyllä, vain alustasta, PolySupport Tulostusaika: 2h 57min Tuloste ei kiinnittynyt kunnolla alustaan, vetelyä paljon, liittyvät osat eivät liity. välissä tukimateriaalipisaroita. Kerrosten
45 Kuva 25. Koetuloste 4. 6.5 Koetuloste 5 Viides koetuloste tulostettiin samalla G-koodilla ja tulostimen asetuksilla kuin koetuloste 4. Tulostusalustaan asennettiin Kapton teippi ja tulostusalusta kalibroitiin. Koetulosteen 5 tulostus: Materiaali: ABS Kerrospaksuus: 0,2 mm Kerrosmäärä: 125 Kuljetusnopeus: 30 mm/s, kuori 27 mm/s, täyttö 32 mm/s Suuttimen lämpötila: 255 C Tulostusalustan lämpötila: 125 C Täyttöaste: 20 % Tukimateriaali: Kyllä, vain alustasta, PolySupport Tulostusaika: 2h 57min Tarttuminen alustaan parempi kuin tulosteessa 4. Liittyvät osat liittyvät ja toimivat ristiin ensimmäisen ja kolmannen tulosteen kanssa.
46 Kuva 26. Koetuloste 5. 6.6 Koetuloste 6 Koetuloste 6 tulostettiin ABS-muovista 0,1 mm kerrospaksuudella ilman tukea. Tulostusalustaan ei tehty muutoksia, eli alustana toimi Kapton teippi. Materiaali: ABS Kerrospaksuus: 0,1 mm Kerrosmäärä: 259 Kuljetusnopeus: 30 mm/s, kuori 27 mm/s, täyttö 32 mm/s Suuttimen lämpötila: 255 C Tulostusalustan lämpötila: 125 C Täyttöaste: 20 % Tukimateriaali: Ei Tulostusaika: 3h 51min Koetuloste vääntyi hieman tulostusalustasta irrotuksen yhteydessä. Irrotus tehtiin liian pian tulostuksen jälkeen, eikä tuloste ollut ehtinyt jäähtyä riittävästi.
Kuva 27. Koetuloste 6. 47
48 7 TULOSTEN ANALYSOINTI Tässä kappaleessa arvioidaan koetulosteista saatuja tuloksia. Arvioidaan geometristen ja toiminnallisten piirteiden tulostuksen onnistuminen ja lopuksi käydään läpi koetulosteiden tulostuksen aikana ilmenneitä häiriöitä tulostuksessa. 7.1 Snap-fit -liitos ja osien liittyminen Koekappaleeseen suunniteltu snap-fit -liitos onnistui ja liitos toimi kaikissa muissa paitsi neljännessä koetulostuksessa, joka irtosi tulostusalustasta ja vetelyn aiheuttamat muodonmuutokset olivat liian suuria. Kuvassa 28 on nähtävissä koetulosteen 4 muodonmuutoksia. Kuva 28. Koetulosteen 4 deformaatio. Liittyvät osat liittyivät myös suurimmalta osin ristiin tulosteiden kesken. Kuvassa 29 nähtävissä koetulosteen 6 kanssa ilmentynyttä vajaata asettumissyvyyttä, tätä ja muodonmuutoksista kärsinyttä 4 tulostetta lukuun ottamatta osat kävivät ristiin. Kuvassa 30 on esitetty osien liittyminen keskenään ristiin. Liittyvien osien geometria selvästi salli heittoa mittatarkkuudessa, mikä huomattiin joidenkin osien tiukempana liittymisenä. Koekappaleen välykset 0,5 mm leveydessä ja 0,75 mm korkeudessa tuottivat toimivia liittyviä osia.
49 Kuva 29. Koetulosteen 6 vajaa liittymissyvyys. Kuva 30. Osien liittyminen keskenään. 7.2 Overhang ja tukematon uloke Overhang -muodon ja tukemattoman ulokkeen tulostaminen onnistui sekä tuen kanssa, että ilman. Kuvissa 31 ja 32 nähtävissä ABS ja PLA -tulosteita tulostettuna tuen kanssa ja ilman. Kuvista nähtävissä ilman tukimateriaalia tulostetun tukemattoman ulokkeen roikkumista, samaa roikkumista nähtävissä myös reiän ylälaidassa erityisesti PLA-tulosteessa.
50 Kuva 31. ABS-tulosteita. Vasemmalla tulostettu tuen kanssa, oikealla ilman. Kuva 32. PLA-tulosteita. Vasemmalla tulostettu ilman tukea, oikealla tuen kanssa. Liittyvän osan liukupintana toimivan tukemattoman ulokkeen tulostuksessa ei käytetty tukea. Tässä piirteessä ei kuitenkaan ilmennyt roikkumista ainakaan siinä määrin, että se olisi haitannut osien liittymistä. Tämän piirteen valokuvaaminen ja tulostuksen onnistumisen visuaalinen arvioiminen ilman koetulosteiden sahaamista kahtia on hankalaa ja tulosteita ei sahattu.
51 7.3 Koekappaleiden mitat Koekappaleista mitattiin työntömittaa käyttäen kuvien 33 ja 34 mukaiset mitat, pois lukien mitta G eli reiän halkaisija korkeussuunnassa. Reiän halkaisijan mittaaminen korkeussuunnassa osoittautui haasteelliseksi eikä mittausvarmuudessa päästy tyydyttävälle tasolle, joten nämä mitat jätettiin pois taulukosta kokonaan. Mittauksista jätettiin myös uran sisäkorkeuden mittaus yläpinnan epätasaisuuden vuoksi. Mittaustulokset on esitetty taulukossa 5. Kuva 33. Kappaleesta 1 mitattavat mitat. Kuva 34. Kappaleesta 2 mitattavat mitat.
52 Taulukko 5. Mittaustulokset koetulosteista. 3D-mallissa Koetuloste 1 Koetuloste 2 Koetuloste 3 Koetuloste 4 Koetuloste 5 Koetuloste 6 Mitta A 11 mm 11,2 mm 13,1 mm 11,2 mm 9,8-11,4 mm 10,9 mm 11,1 mm Mitta B 10 mm 9,9 mm 10,0 mm 9,8 mm 9,7 mm 9,7 mm 9,2 mm Mitta C 16 mm 16,2 mm 16,2 mm 16,1 mm 16,3 mm 16 mm 16,1 mm Mitta D 40 mm 40,3 mm 40,4 mm 40,2 mm 40,1 mm 40,1 mm 39,8 mm Mitta E 3 mm 3,2 mm 3,7 mm 3,1 mm 3,1 mm 3,1 mm 3,3 mm Mitta F 10 mm 9,5 mm - 9,4 mm 9,7 mm 9,9 mm 9,3 mm Mitta G 10 mm - - - - - - Mitta H 9,5 mm 9,8 mm 11,4 mm 9,7 mm 8,6-9,6 mm 9,5 mm 10 mm Mitta I 4,25 mm 4,4 mm 5,2 mm 4,3 mm 4,4 mm 4,2 mm 4,5 mm Mitta J 9,5 mm 9,7 mm 9,6 mm 9,7 mm 9,7 mm 9,6 mm 9,2 mm Mitta K 17 mm 16,6 mm 16,9 mm 16,2 mm 16,5 mm 16,4 mm 16,5 mm Edellä olevasta taulukosta nähdään, että lukuun ottamatta koetulostetta 2 korkeussuuntaiset mittat A ja B ovat kaikissa tulosteissa lähes yhtä suuria. Koetulosteen 2 liian suuri korkeus tulostussuunnassa johtunee tulostimen firmwaren tai Cura -enginen bugista, selvittäminen vaatisi lisää koetulostuksia. Mittaustuloksista nähdään, että ulkopuoliset mitat ovat tulosteissa systemaattisesti suurempia kuin 3D-mallissa ja sisäpuoliset mitat ovat puolestaan pienempiä. Tämä johtuu tulostimen ominaisuuksista ja asetuksista, kun tulostin pursottaa materiaalia leviää palko ja todellinen mitta on suurempi kuin teoreettinen. Reiän mittaaminen osoittautui haasteelliseksi, varsinkin korkeuden mittaaminen oli hankalaa koska tulosteessa ei ollut riittävän pitkää suoraa pintaa jota vasten tukea työntömittaa. Mittaaminen olisi täytynyt huomioida suunnitteluvaiheessa. Koetulosteet kuitenkin vahvistavat, että reikiä ei kannata tulostaa kohtisuorasti tulostussuuntaa vasten, jos niillä on toiminnallinen tarkoitus ja mittatarkkuusvaatimus. Jos reikä kuitenkin tarvitsee tulostaa vaakasuuntaan tulostuksessa kannattaa käyttää tukea. 7.4 Häiriöt tulostuksessa Koetulosteiden tulostuksen aikan ilmeni muutamia tulostuksen keskeyttäneitä häiriöitä. Kuvassa 35 on keskeytynyt tuloste, jonka tulostus keskeytyi filamentin katkeamisen takia. Kuvassa 36 on kelalla solmussa oleva tulostusfilamentti, joka aiheutti koetulosteen 2 tulostuksen keskeytymisen loppuvaiheessa.
53 Kuva 35. Keskeytynyt tulostus. Kuva 36. Kelalla solmussa oleva filamentti. Koetulosteen 5 aloituksessa oli myös häiriöitä. Ensimmäinen kerros ei lähtenyt tulostumaan ensimmäisellä yrityksellä ja tulostus oli keskeytettävä. Ilmeisesti ABS -muovi oli kovettunut suuttimeen ja pursotus ei esilämmityksestä huolimatta lähtenyt käyntiin häiriöttä. Tulostuksen aloitus saatiin onnistumaan keskeyttämällä tulostus ja aloittamalla se uudestaan.
54 8 JOHTOPÄÄTÖKSET Työn alussa esiteltiin 3D-tulostusta prosessina ja tulostintyyppejä sekä tulostintyyppien jaottelua. 3D-tulostusprosessin kuvaus pyrittiin pitämään tiiviinä, samoin työhön valittujen tulostintyyppien esittely. Kappaleesta saa kuvan mitä 3D-tulostus, tai ainetta lisäävä valmistus, on sekä miten erilaiset 3D-tulostintyypit eroavat toisistaan. Suunnittelusäännöt -kappaleessa käytiin läpi valmistusystävällistä suunnittelua (DFMA) ja 3D-tulostus ystävällistä suunnittelua (DFAM) sekä niiden suhdetta. Kappaleessa myös käytiin läpi 3D-tulostettavan kappaleen yleisiä suunnittelussa huomioon otettavia seikkoja, sekä 3D-tulostettavia toiminnallisia ja/tai geometrisia piirteitä, jotka täytyy tulostettavan kappaleen suunnittelussa ottaa huomioon. Tämän kappaleen pohjalta saadaan kuva 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelusta yleisesti ja sen erikoispiirteistä ja eroavaisuuksista niin kutsutuilla perinteisillä valmistustavoilla valmistettavan kappaleen suunnittelun. Koekappaleen valmistuksessa käytetyn tulostintyypin tarkemmat suunnittelusäännöt käytiin läpi koekappaleen tulostinlaitteistoa käsittelevässä kappaleessa. Koekappaleiden valmistuksessa käytetyn laitteen kuvaus ja tulostintyyppiä koskevat suunnittelusäännöt käytiin läpi kappaleessa Koekappaleiden tulostinlaitteisto ja suunnittelusäännöt. Tässä kappaleessa yhdistettiin työssä käytetty tulostinlaitteisto, sen ominaisuudet ja sillä tulostettavaa kappaletta koskevat suunnittelusäännöt. Koekappaleen vaatimusprofiili ja valmistus esitettiin kappaleessa Koekappale. Koekappaleeseen valittiin geometrisia piirteitä, jotka ovat suunnitteluohjeen äärirajoilla. Lisäksi koekappaleeseen lisättiin toiminnallinen vaatimus snap-fit -liitoksen muodossa ja tälle geometrinen vaatimus sopivana välyksenä. Snap-fit -liitoksen suunnittelua ei työssä käydä läpi vaihe vaiheelta tarkasti, mutta liitteessä esitettyjen valmistuspiirustusten pohjalta vastaavan kappaleen 3D-mallin luominen on pitäisi olla mahdollista. Liitteenä myös esitetty kuvat koekappaleen revisioista ennen lopulliseen geometriaan päätymistä. Koekappaleiden valmistuksen kuvaus on esitetty sillä tarkkuudella, että vastaavien kappaleiden valmistus pitäisi onnistua ainakin samalla laitteistolla. Tuloksista voidaan todeta, että koekappaleeseen valittujen piirteiden tulostaminen onnistui. 45 overhang -muodon mittaa ei tarkastettu, mutta piirteen tulostus itsessään onnistui, samoin 3 mm ulokkeen tulostaminen onnistui. Molempien edellä mainittujen piirteiden tulostaminen
55 onnistui myös ilman tukea. Tulostimen ominaisuuksista johtuen ja suunnittelusäännöistä voitiin olettaa että reiän tulostaminen toiminnallisena piirteenä ei onnistu ja tämäkin johtopäätös voidaan koekappaleiden perusteella tehdä. Snap-fit -liitos toimi kaikissa onnistuneissa tulosteissa, eli suunnitteluohjeen mukainen 0,5 mm välys oli ainakin tässä tapauksessa riittävä. Liittyvän osan, eli osan 2, geometriasta tuli suunnitteluvaiheessa vahingossa joustava. Osan 2 osaan 1 sisään liukuvat ulokkeet joustavat, mikä ilmeisesti osaltaan mahdollisti osien hyvän ristiinliittymisen. Overhang -muodon päässä olevasta ulokkeesta nähtiin, että tuen käyttö paransi alapinnan tulostuslaatua merkittävästi. Tukea ei käytetty yhdessäkään koetulosteessa liittyvän osan toiminnallisen pinnan tukemiseen, mutta tämä ei silti estänyt osien toimimista. Tuen käyttämistä myös tämän piirteen tulostuksessa voisi parantaa liittyvien osien liittymistä. Lisäksi koetulosteiden tulostuksen aikana vahvistettiin myös tulostimen ominaisuuksien esittelyssä mainittu ABS -muovin voimakas vetely. Tässä työssä tulostettiin kahdesta eri materiaalista eri tulostimen asetuksilla samaa kappaletta. Mitoitusohjeen tarkentamiseksi olisi tulostettava eri mitoituksella kappaleita ja vertailtava näitä keskenään. Tämän työn pohjalta ei voida liittyvän osan mitoitusohjetta tarkentaa, mutta voidaan kyllä todeta että se on ainakin tämän työn koekappaleen mitoituksessa riittävä. Edellä mainittu mitoitusohjeen tarkastaminen voisi olla uuden tutkimuksen aihe. Tämän työn herättämiä muita jatkotutkimusaiheita voisivat olla esimerkiksi: Muita toiminnallisia piirteitä sisältävien tuotteiden suunnittelu ja valmistaminen. Erilaiset liittyvien osien liitosmuodot, niiden mitoitus ja tulostettavuus. Toiminnallisten osien valmistettavuuden vertailu eri muoveista, esimerkiksi ABS, PC tai PEEK. Tulosteen mittatarkkuuden ja pinnanlaadun parantaminen, eli tulostimen asetusten ja tulostusparametrien optimointi.
56 LÄHTEET 3DHubs 2018a, Additive Manufacturing Technologies: An Overview, [www-sivu] [viitattu 23.3.2018]. Saatavissa: https://www.3dhubs.com/knowledge-base/ additive-manufacturing-technologies-overview 3DHubs 2018b, Introduction to FDM 3D Printing [www-sivu] [viitattu 5.4.2018]. Saatavissa: https://www.3dhubs.com/knowledge-base/introduction-fdm-3d-printing 3DHubs 2018c, Introduction to SLA 3D Printing [www-sivu] [viitattu 23.2.2018]. Saatavissa: https://www.3dhubs.com/knowledge-base/introduction-sla-3d-printing 3Dhubs 2018d, Introduction to SLS 3D Printing [www-sivu] [viitattu 5.4.2018]. Saatavissa: https://www.3dhubs.com/knowledge-base/introduction-sls-3d-printing 3DHubs 2018e, Introduction to Metal 3D Printing [www-sivu] [viitattu 6.4.2018]. Saatavissa https://www.3dhubs.com/knowledge-base/introduction-metal-3d-printing 3DHubs 2018f, The impact of layer height on a 3D Print [www-sivu] [viitattu 25.4.2018]. Saatavissa: https://www.3dhubs.com/knowledge-base/impact-layer-height-3d-print 3DHubs 2018g, SLA 3D Printing - Ask all your questions in here [www-sivu] [viitattu 25.4.2018] Saatavissa: https://www.3dhubs.com/talk/thread/ sla-3d-printing-ask-all-your-questions-here 3DHubs 2018h, How to design parts for FDM 3D Printing [www-sivu] [viitattu 4.5.2018]. Saatavissa https://www.3dhubs.com/knowledge-base/how-design-parts-fdm-3d-printing 3DHubs 2018i, Selecting the optimal shell and infill parameters for FDM 3D Printing [www-sivu] [viitattu 4.5.2019]. Saatavissa https://www.3dhubs.com/knowledge-base/ selecting-optimal-shell-and-infill-parameters-fdm-3d-printing Additively 2018a, Electron Beam Melting (EBM) [www-sivu] [viitattu 6.4.2018]. Saatavissa https://www.additively.com/en/learn-about/electron-beam-melting Additively 2018b, Laser Melting (LM) [www-sivu] [viitattu 6.4.2018]. Saatavissa: https: //www.additively.com/en/learn-about/laser-melting
57 Custompart.net 2018, Laminated Object Manufacturing (LOM) [www-sivu] [viitattu 6.4.2018]. Saatavissa http://www.custompartnet.com/wu/laminated-object-manufacturing Formlabs 2017, 3D Printing Technology Comparison: SLA vs. DLP [www-sivu] [viitattu 4.4.2018]. Saatavissa: https://formlabs.com/blog/3d-printing-technology-comparison-sla-dlp/ Gibson, I., Rosen, D. & Stucker, B. 2015. Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. 2nd ed. 2015. New York, NY: Springer New York. 486 s. minifactory 2018, minifactory Innovator - M [www-sivu] [viitattu 4.5.2018]. Saatavissa http: //www.minifactory.fi/en/webshop/minifactory-innovator-3d-printer-kopio/# Redwood, B., Schöffer, F., Garret, B., 2018. The 3D Printing Handbook. Amsterdam, Coers & Roest. 289 s. Sculpteo 2018, LOM(Laminated Object Manufacturing): 3D Printing with Layers of Paper [www-sivu] [viitattu 6.4.2018]. Saatavissa https://www.sculpteo.com/en/glossary/ lom-definition/ Simplify3D 2018a, Expert Tips for 3D Printing with ABS - Materials Guide [www-sivu] [viitattu 11.5.2018]. Saatavissa https://www.simplify3d.com/support/materials-guide/abs/ Simplify3D 2018b, Expert Tips for 3D Printing with PLA - Materials Guide [www-sivu] [viitattu 11.5.2018]. Saatavissa https://www.simplify3d.com/support/materials-guide/pla/ Simplify3D 2018c, Filament Properties Table - Compare Top Filaments [www-sivu] [Viitattu 11.5.2018] Saatavissa https://www.simplify3d.com/support/materials-guide/properties-table think3d 2018a, Digital Light Processing (DLP) [www-sivu] [viitattu 4.4.2018]. Saatavissa https://www.think3d.in/digital-light-processing-dlp-3d-printing-technology-overview/# Thompson, M.K., Moroni, G., Vaneker, K., Fadel, G., Campbell, R. I., Gibson, I., Bernard, A., Schulz, J., Graf, P., Ahuja, B. & Martina, M. 2016. Design for Additive Manufacturing: Trends, opportunities, considerations, and constraints Julkaisussa: CIRP Annals - Manufacturing Technology 2016, Vol.65(2), s.737-760, 24 s.
Liite I, 1 TULOSTINTYYPPIEN VERTAILUTAULUKKO Taulukko I.1. Tulostintyyppien vertailu. Toimintaperiaate SLA Nesteen fotopolymerointi DLP Nesteen fotopolymerointi FDM Materiaalin pursotus Tulostettavat materiaalit Muovit Muovit Muovit Komposiitit SLS Jauhepetimenetelmä Muovit SLM Jauhepetimenetelmä Metallit Tarkkuus Kerrospaksuus Edut Haitat Käyttökohteet Tulosteen koko Rajoitteita +/- 0,15% min(+/-0,010 mm) +/-0,2% min(+/-0,2 mm) +/-0,15% min(+/- 0,2 mm) +/-0,3% min(+/-0,3 mm) +/-0,1-0,2% min(+/- 0,05-0,2 mm) 0,025-0,1 mm 0,05-0,1 mm 0,05-0,4 mm 0,1-0,12 mm 0,02-0,05 mm EBM Jauhepetimenetelmä Metallit +/-0,2 mm 0,05 mm LOM Laminointi Paperi Komposiitit Hyvä pinnanlaatu Erikoismuovit Suuri Tarkkuus Hyvä pinnanlaatu Erikoismuovit Suuri Tarkkuus Edullinen Yleisesti hyvin saatavilla Useita termoplastisia muoveja Ei vaadi tukirakennetta Hyvät materiaaliominaisuudet Monimutkaiset geometriat Monimutkaiset metalliset rakenteet Hyvät materiaaliominaisuudet Monimutkaiset metalliset rakenteet Tulosteet hauraita Ulkonäkö ja ominaisuudet kärsivät valossa Vaatii jälkikäsittelyn Tulosteet hauraita Ulkonäkö ja ominaisuudet kärsivät valossa Vaatii jälkikäsittelyn Tulosteella anisotrooppiset materiaaliominaisuudet Ei sovellu mekaanisesti kriittisille osille Tarkkuus Näkyvät kerrokset Vain teollisia laitteita saatavilla Tulosteella huokoinen rakenne ja rakeinen pinnanlaatu Hitaus ja hinta Korut, Suuhygieni, Kuulokojeet Korut, Suuhygieni, Kuulokojeet Prototyypit, Jigit ja kiinnikkeet, Kotelot Piensarjat, Funktionaaliset polymeeriosat, Monimutkaiset putkistot/kennostot Lentokoneja autotellisuuden osat 145x145x175 mm (harraste), 1500x750x500 mm (teollinen) Vaatii aina tuennan 650x650x450 mm Vaatii aina tuennan 1000x1000x1000 mm (teollinen) 750x550x550 mm Tulosteen vetely huomoitava, Vaatii aina tuennan Suuret tasot alttiita vetelylle, pienet reiät alttiita ylisintrautumiselle 600x400x500 mm Vaatii aina tuennan Hitaus ja hinta N/A 350x350x380 mm Vaatii aina tuennan +/- 0,2 mm 0,05-0,5 mm Nopeus Pinnanlaatu Muotoilu, Prototyypit 800x500x500 mm N/A
KOEKAPPALEEN VALMISTUSPIIRUSTUKSET Liite II, 1
Liite II, 2
Liite III, 1 KOEKAPPALEEN REVISIOT Kuva III.1. Koekappaleen 3D-malli, revisio 0. Kuva III.2. Koekappaleen 3D-malli, revisio 1.
Kuva III.3. Koekappaleen 3D-malli, revisio 2. Liite III, 2
Liite IV, 1 TULOSTIN JA CURAENGINE ASETUKSET Repetier-Host saatavilla https://www.repetier.com/ CuraEngine https://github.com/ultimaker/curaengine. Tulostin ja CuraEngine asetukset:
Liite IV, 2
Liite IV, 3