Materiaalia lisäävä valmistus (AM) ja 3D-tulostus Tietotekniikan ja Elektroniikan Seuran kokous 13.2.2014 Pasi Puukko, Pentti Eklund, Hannu Linna VTT
2 "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 Barack Obama, President, USA
3 AM and Hype Curve
4 AM (3D Printing) The process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies AM-liiketoiminnan arvo globaalisti oli 2.2 miljardia dollaria vuonna 2012 AM:stä hyötyvät teolliset toimialat (Wohlers 2013) Kuluttajatuotteet / elektroniikka 21.8 % Moottoriajoneuvot 18.6 % Lääketiede / hammaslääketiede 16.4 % Teollisuuden ja liike-elämän koneet 13.4 %
5 AM:n ominaispiirteet Ei Design for Manufacturing vaan Manufacturing for Design Kevyemmät rakenteet Parempi suorituskyky Paikallinen valmistus Kustomoidut tuotteet ja lyhyet sarjat Monimutkaiset rakenteet mahdollisia Helpompi markkinoille tulo Vähemmän jätettä Yksinkertaisempi arvoverkko Varaosat
6 AM-menetelmät Powder Bed Fusion/(jauhepetimenetelmä) Directed Energy Deposition/(suorakerrostus) Material Jetting/(materiaaliruiskutus) Binder Jetting/(sideaineruiskutus) Material Extrusion/(materiaalin pursotus) Vat Polymerisation/(nesteen polymerisointi) Sheet lamination/(laminointi)
7 Powder Bed Fusion
8 Powder Bed Fusion Jauheen sintraus kerroksittain joko laserilla tai elektronisuihkulla Sekä metalleille että polymeereille Runsaasti teollisia sovelluksia ja valmistajia etenkin metallipuolella EOS, SLM Solutions, ConceptLaser, Renishaw, Koneiden hinnat 150 k - 1 M + Valmistusnopeudet 10-100 cm 3 /h Suurimmat kammiokoot 630 x 400 x 500 mm Metallisten tuotteiden lujuudet vastaavat taottua materiaalia
9 Directed Energy Deposition
10 Directed Energy Deposition Metallituotteiden tulostukseen Syötetään jauhetta tai lankaa Ei yhtä tarkka kuin jauhepetimenetelmä Käytetään erityisesti korjauksiin Suurimmat kammiokoot 900x1500x900 mm Laitehinnat 500 k - 2 M +
11 Material Jetting
12 Material Jetting Pääasiassa fotopolymeerien ja vahan tulostukseen Ruiskutetaan materiaalipisaroita Eri valmistajia Yli sata erilaista materiaalia saatavilla Käytössä voi olla monta suutinta Monimateriaaliratkaisut mahdollisia Suurimmat kammiot 1000 x 800 x 500 mm Hinnat 30 k - 300 k
13 Binder Jetting
14 Binder Jetting Ruiskutetaan sideainetta, joka liittää jauhekerrokset yhteen toivotulla tavalla Metallit, polymeerit, keraamit Lukuisia valmistajia ja menetelmiä Zcorp, Voxeljet, ExOne, Hiekkamuotteja 4000 x 2000 x 1000 mm 3 Hinnat 30 k - 1 M +
15 Material Extrusion
16 Material Extrusion Materiaalia, yleensä polymeeria, pursotetaan suuttimen läpi Tukimateriaali poistetaan esim. liuottamalla Tunnetuin prosessi FDM (Fused Deposition Modelling) Peruspatentit ovat menneet umpeen Markkinoilla lukemattomia valmistajia Hintaluokat Alle 1 k - 2 k 10 k - 200 k
17 Vat Photopolymerisation
18 Vat Photopolymerisation Altaassa olevaa liuosmaista polymeeria kovetetaan valolla Yleisin menetelmä stereolitografia (SLA) Kaupalliset laitteet 50 k - 500 k Suurimmat altaat 1500x750x550 mm Käytetään yleensä tarkkojen prototyyppien tekoon Lietteestä voidaan valmistaa myös keraamisia komponentteja
19 Sheet lamination
20 Sheet lamination Materiaalilevyjä liitetään toisiinsa Paperi (LOM): hinnat alle 30 k Liima Muovi: hinnat alle 10 k Lämpö tai liima Metalli: hinnat 200 k - 2 M Hitsaus, pultit Ultraääni
21 AM:n yleisiä kehitystarpeita ja haasteita Tarve isojen kappaleiden valmistamiseen Käytössä olevilla raaka-aineilla ei pystytä vastaamaan kaikkiin asiakastoiveisiin Siirtyminen kokonaan digitaaliseen prosessiin aiheuttaa haasteita osaamisen ja toimintamallien suhteen Siirtyminen AM:n käytössä prototyyppien valmistuksesta tuotantosovelluksiin ja menetelmän integrointi tuotantoon Source of pictures: Aalto
22 Toiminnallisuuden lisääminen AM-tuotteisiin Älykkäät siivet miehittämättömälle ilma-alukselle (UAV) Siivet valmistettu AM:llä Painettua elektroniikkaa Venymäliuska RF antenni Johdotus potkurille ja LED:lle Source: Optomec Source: Nottingham U.
23 Sovellusesimerkki Polttoainejärjestelmän ruiskutussuutin - Swirler Erittäin monimutkainen rakenne tehty kertatulostuksella Suuri ero suunnittelu- ja valmistusvaiheessa verrattuna perinteisiin valmistustekniikoihin (2 viikkoa vs. 6 viikkoa) Merkittävä kustannussäästö Perinteisellä tekniikalla valmistetussa kappaleessa 24 osaa, jotka juotetaan kiinni Ei juotoksia, valmistus yhdessä työvaiheessa Enemmän funktionalisuutta kuin alkuperäisessä rakenteessa (Materiaali: EOS CobaltChrome MP1) Ohutlevypäivät, Hämeenlinna, 22.3.2013
24 Todellisia tuotteita GE ja Snecma ovat kehittäneet uuden sukupolven energiatehokkaita suihkumoottoreita 3D-tulostuksen avulla. 3D-tulostus on mahdollistanut rakenteiden ajattelemisen täysin uudella tavalla. 3D Printing Industry Today
25 Monimutkaiset rakenteet Monimutkaiset rakenteet voidaan valmistaa yhdellä ohjelmalla yhdellä printillä Toiminnallisia tuotteita voidaan tehdä yhdellä printillä Kuvassa puhallin
26 Rakenteen optimointi Materiaalin optimaalinen käyttö eri kohteissa Kantavat rakenteet ja massiivisten rakenteiden sisäosat: Vähemmät sulatettavaa Kuormitustilan mukainen optimaalinen rakenne Ohjelmistot pystyvät tulevaisuudessa tekemään optimoinnin
27 VTT creates business from technology