Metallien 3D-tulostus mahdollisuus ja haasteet LUT School of Energy Systems Konetekniikan osaamisalue Lasertyöstön tutkimusryhmä
Nämä kalvot on koostettu LUT Laserin (LUT) toimesta lisätietoja: Professori Antti Salminen antti.salminen@lut.fi
"3D printing is worth my time, attention, money and effort" Jeffrey Immelt CEO, GE "3D printing has the potential to revolutionize the way we make almost everything Barak Obama, President of USA Outotec, Lappeenranta, Tampere Lappeenranta, Imatra, 30.4.2013 24.10.2012 17.5.2013 19.3.2015 24.4.2013 4
Messukeskus, Lappeenranta, Tampere, Helsinki 24.10.2013 27.2.2014 17.10.2013 19.3.2015 4.9.2013 5
Tutkimus voimakkaassa nousussa USA aikoo panostaa 30 miljoonaa dollaria yksistään uuden 3D-tulostustutkimuskeskuksen perustamiseen Youngstowniin Ohioon smartplanet.com Iso-Britanniana hallitus investoi 15 miljoonaa puntaa 3D-tulostusteollisuuteen ja alan tutkimukseen The Telegraph Messukeskus, Lappeenranta, Tampere, Helsinki 24.10.2013 27.2.2014 17.10.2013 3.9.2013 19.3.2015 4.9.2013 6
Tutkimus voimakkaassa nousussa Singaporen hallitus on ilmoittanut investoivansa seuraavan viiden vuoden aikana yli 500 miljoonaa dollaria tulevaisuuden valmistustekniikoiden, kuten 3Dtulostuksen, tutkimukseen säilyttääkseen kilpailukykynsä Kaakkois-Aasiassa engineering.com Kiina on ilmoittanut perustavansa kymmenen 3Dtulostustutkimuskeskusta kymmeneen Kiinan suurimpaan kaupunkiin 3D Printing Industry Today Messukeskus, Lappeenranta, Tampere, Helsinki 24.10.2013 27.2.2014 17.10.2013 3.9.2013 19.3.2015 4.9.2013 7
3D tulostuksen käyttö Tutkimuslaitokset 8,0% Arkkitehtuuri 3,0 % Valtio/ sotilas 6,0% Muut 5,3% Kuluttajatuotteet/ Elektroniikka 20,3% Teolliset koneet ja laitteet 10,8% Moottoriajoneuvot 19,5% Ilmailu 12,1% Lääketiede/ Hammaslääketiede 15,1% Wohlers 2013 Lappeenranta 19.3.2015 8
3D tulostuksen sovellustavat Toiminnalliset osat: 28,1% Opetus ja tutkimus: 6,4% Muut: 1,3% Visuaaliset apuvälineet: 10,40% Esittelymallit: 9,50% Sovite ja kokoonpano: 17,5% Työkalut: 4,8% Valumuotit: 10,8% Työkaluvalmistuksen prototyypit:11,3% Lappeenranta 19.3.2015 9 Wohlers 2013
Jauhepetisulatus, laser Skanneri Laser Jauheenlevitin, kaapa Osa Ylijäämäjauheen varasto Jauhevarasto Rakennusalusta, platta Lappeenranta 19.3.2015 10
AM: jauhepeti prosessit 1. Jauheen levitys 2. Kerroksen sulatus 3. Rakennusalustan laskeminen 4. Jauheen levitys 5. Kerroksen sulatus Jauheen levitys Rakennusalustan laskeminen Lappeenranta 19.3.2015 11
Osan valmistus 3D mallinnus Osan irrotus Mallin käsittely Lappeenranta 19.3.2015 12
Sarjasuuruus Kustannukset Perinteinen tuotanto Digitaaliset valmistustekniikat, kuten 3D-tulostus Sarjasuuruus Fraunhofer 2014 22.2.2015 13
Sarjasuuruus Kustannukset Perinteinen tuotanto Digitaaliset valmistustekniikat, kuten 3D-tulostus Kappaleen paino Fraunhofer 2014 22.2.2015 14
Tuotteen monimutkaisuus Kustannukset Perinteinen tuotanto Digitaaliset valmistustekniikat, kuten 3D-tulostus Tuotteen monimutkaisuus Fraunhofer 2014 22.2.2015 15
Tämän hetkellä ajatellaan, että tuote valmistetaan materiaalia poistamalla tai liittämällään osia toisiinsa. Ajattelu pitäisi muuttaa niin että valmistus tapahtuu lisäämällä materiaalia, ominaisuuksia, Lappeenranta 19.3.2015 16
3D tulostus sallii monimutkaisuuden Lappeenranta 19.3.2015 17
Muodon optimointi Tämän hetkiset 3D suunnitteluohjelmistot asettavat muodon optimoinnille rajoitteita. Tarve uusille mm. luonnon rakennetta mimikoiville ratkaisuille! Muodon optimointi (eli ns. Topology optimization) on eräs mahdollisuus aikaansaada optimoituja rakenteita.
Rakenteen keventäminen Vaatimukset Rakenteen optimointi Tulosten tulkinta Bambun rakenne Uudelleen mallinnus FE-analyysi Painonsäästö Lopullinen design Perinteinen, Al7075 3D tuloste, TiAl6V4 337,5 g 250,0 g 26% Lappeenranta 19.3.2015 19
Rakenteen keventäminen
Rakenteen keventäminen
Enemmän ominaisuuksia
Enemmän ominaisuuksia
Lämmönvaihdin konsepti Optimoitu lämmönvaihdin: Laite, jossa toistetaan elementtejä voidaan muotoilla vapaasti Itsekantava, integroidut jäähdytinrivat ulkopinoissa Pisaranmuotoisen itsekantavat putket Turbulenssi generaattori jäähdytinputkien sisällä häiritsevät virtausta ja lämmönsiirron maksimoimiseksi Materiaali: EOS Alumiini AlSi10Mg Laite: EOSINT M 270 Rakennusaika: n. 85 h Lappeenranta 19.3.2015 24
Jakotukki Yhdistää kaksi tulokanavaa yhdeksi lähtökanavaksi Alkuperäinen rakenne: Umpiaine neljällä poratulla reiällä Edestä Päältä Lappeenranta 19.3.2015 25
Ristikkorakenteinen jakotukki AM rakenne: Ristikkorakenne FEM optimoitu rakenne kannattaa optimoituja virtauskanavia Lappeenranta 19.3.2015 26
Turvavyön solki, 1 Perinteinen terässolki painaa 155 g Uuden soljen suunnittelussa säilytetään rakenne niin, että tulokset ovat vertailukelpoisia Tavoite oli kehittää solki jos kestää minimimassalla kohtuulliset kuormitushuiput Uusi solki optimoitiin AM:lle Osa aseteltiin niin, että tukirakenteiden määrä minimoitui Solki ja vastakappale tehtiin samalla kertaa Lappeenranta 19.3.2015 27
Turvavyön solki, 2 Uusi titaanisolki painaa 70 g, eli 85 g (55%) vähemmän kuin alkuperäinen Airbus A380, 853 istuinta: painonsäästö 72,5 kg Lentokoneen elinikänä säästyy 3,3 miljoonaa litraa polttoainetta Solkien valmistus maksaa n. 165 000 ja säästää yli 2 M Lappeenranta 19.3.2015 28
Suodatustekniikan sovellukset Suodatustekniikassa suodattimen paine-ero virtausten välillä määrittelee tarvittavan syöttötehon. Virtauksen vaihtelu aiheuttaa suodattimeen vastuksen kasvamista eli suodatustehokkuus huononee. Tällöin syöttöä pitää lisätä eli pumppaustehokkuutta nostaa. Esim. 13% Iso-Britannian teollisuuden tarvitsemasta sähköstä kuluu juuri pumppaukseen. Vuonna 2007 tämä oli rahassa 728 Perforated miljoona puntaa. Mesh filter plate Tämä luku on myös 6% Iso-Britannian hiilijalanjäljestä. Filter support
Suodatustekniikan sovellukset
Suodatustekniikan sovellukset
Suodatustekniikan sovellukset
Suodatustekniikan sovellukset
Mahdollisuudet Mikä hidastaa 3D-tulostuksen soveltamista? Laitteiden suuri hankintahinta Käytön haasteet Tiedon puute, uuden tekniikan vierastaminen Mahdollisuudet: Kohteet, joissa painonsäästö tai geometrian vapaa suunnittelu on selvä etu Prosessiteollisuuden komponentit Alan suunnitteluosaaminen Suomeen 23.1.2014
Lappeenrannan teknillinen yliopisto Lasertyöstön laboratorio Lisätietoja: www.lut.fi/laser Tutkimusryhmän johtaja, professori Antti Salminen, TkT, Antti.salminen@lut.fi, p. 040 767 4387