ALVO 3D-tulostuksen vaikutus tuotesuunnitteluun Arto Urpilainen 2016
Tuotteen suunnittelun parametreja Tuotteelta vaadittavat ominaisuudet Toiminnalliset, visuaaliset Valmistusmenetelmät Aika Valmistuskustannukset Materiaali Tuotantoerän koko Esa Hietikko
Valmistusmenetelmiä Materiaalia poistavat menetelmät Sorvaaminen, jyrsiminen Materiaalia muovaavat menetelmät Särmääminen, taivutus perinteiset menetelmät Valaminen Osien liittäminen Hitsaaminen, juottaminen Ainetta lisäävät menetelmät Fused Deposition Modelling, pursotus Electron Beam Melting, sulatus elektronisuihkulla Selective Laser Melting, sulatus laserilla 3D Inkjet Powder Printing, 3D-tulostus
Perinteiset menetelmät Suunnittelusäännöt tuttuja Suunnitteluohjelmistot tukevat perinteisiä menetelmiä Levyosa-, teräsrakenne-, muottisuunnittelu Saatavuus hyvä Edullisuus, helppo kustannuslaskenta Valmistuksen parametrit tiedossa vs Ainetta lisäävät menetelmät Tuote ei muuten valmistettavissa Sisäisiä kanavistoja, ontot rakenteet Materiaalin ja painon säästö Pieni materiaalihukka Optimoidut, orgaaniset muodot Osien vähentäminen Yksi tulostettu osa kokoonpanon sijaan
Ainetta lisäävä valmistus suunnittelijan kannalta Useita, toisistaan suuresti poikkeavia menetelmiä Valmistusmenetelmä tiedettävä tuotetta suunniteltaessa Materiaalien vastaavuus? Myös ainetta lisääville menetelmillä omat rajoitteensa (Kotimaisten) palveluntarjoajien vähyys Kappaleiden koot? Tuotteen valmistusasento ja sen vaikutus lopputulokseen ja koneaikaan Seinämänvahvuudet, pinnanlaatu Lämmöntuotto prosessissa Jälkikäsittelyn tarve Kannattaako sorvikappaletta tulostaa, eli mitä lisäarvoa tulostamalla saadaan? Yksinkertaisissa kappaleissa kustannukset?
Case 1: muovipuristusmuotti www.lumex-matsuura.com
Case 1: muovipuristusmuotti Perinteisesti valmistettu koneistamalla ja kipinätyöstöllä. Vaihtoehtona muotin valmistaminen ainetta lisäämällä Hybriditulostin: metallitulostimen ja työstökoneen yhdistelmä www.lumex-matsuura.com
Case 1: muovipuristusmuotti Koko muotti voidaan valmistaa yhtenä osana Tulostamalla muottiin saadaan optimaaliset jäähdytyskanavat Muottiin voidaan tulostaa huokoisia kohtia kaasujen poistamiseksi Syvät muodot mahdollisia, muoto koneistetaan haluttuun mittaan ja pinnanlaatuun samalla kun sitä tulostetaan Materiaalin säästö jopa yli 60% www.lumex-matsuura.com
Case 1: muovipuristusmuotti Muotin valmistuskustannus verrattuna kipinätyöstettyyn on edullisempi Tehostettu jäähdytys lyhentää tahtiaikaa jopa 33% www.lumex-matsuura.com
Case 2: rakenteen optimointi F1-auton turvakaari: Kaarella on tietyt sääntöjen määräämät mitat ja sen on kestettävä tietyt voimat. Optimoimalla rakenne sisäisesti voidaan massaa vähentää ja silti täyttää vaatimukset. Autodesk Within
Optimointiohjelmat laskevat muodon, joka täyttää annetut lujuusvaatimukset. Materiaalin säästö voi olla merkittävä. Airbus Lattice, sisäinen rakenne voi olla eri tiheyksinen eri kohdassa kappaletta. Autodesk Within
Esimerkki: Tavoite 70% materiaalin säästö jäykkyyden kärsimättä Kappaleen muodonmuutos lasketaan ja ainetta vähennetään kunnes raja-arvot saavutetaan ParetoWorks
Case 3: osa vs kokoonpano Rakettimoottorin suuttimen valmistus perinteisin menetelmin Valmistusaika 6 kk 4 osaa á $10000 5 hitsiä Rakettimoottorin suuttimen valmistus ainetta lisäämällä Valmistusaika 3 vk 1 osa Hinta $5000 Aerojet Rocketdyne
Case 4: hiekkavalumuotti Valumuotti valmistetaan suoraan 3Dmallista tulostamalla se valuhiekasta Hetitec
Case 4: hiekkavalumuotti Negatiivisetkin päästöt ovat mahdollisia. Tämä mahdollistaa kappaleen vapaan suunnittelun. Myös erittäin haastavat muodot on helppo toteuttaa. Hetitec
3D-tulostuksen vaikutus koulutukseen Yliopettaja Esa Hietikko 18.4.2016
Insinöörikoulutus tänään Tekniikan kehittyminen kiihtyy koko ajan. Tänä vuonna opintonsa aloittavat valmistuvat vuonna 2020. Tuon neljän vuoden aikana tekniikka on saattanut muuttua jo moneen kertaan. Lisäävän valmistuksen osalta kehitys tapahtuu erityisen huimaa vauhtia. Sen vuoksi mm. Savonia on muokkaamassa opetussuunnitelmiaan. Ongelmana on luonnollisesti opetussuunnitelman nollasummapeli: kun lisäät jotain, on jotain otettava samalla pois.
Suurin muutos ajattelutavassa Aiemmin insinöörikoulutus on perustunut aihioiden ja työkalujen hyödyntämiseen. DFMA (Design For Manufacturing and Assembly) ajattelun mukaisesti suunnittelussa on huomioitava valmistuksen rajoitteet. Laskentamallit ovat perustuneet yksinkertaisiin ja suoraviivaisiin muotoihin.
Suurin muutos ajattelutavassa Esimerkki, joka kuvaa kapea-alaista ajattelua. Kummalle puolelle tulee seuraava numero? Miksi? 1 4 7 0 2 3 5 6 8 9
Suurin muutos ajattelutavassa AM muuttaa tilannetta radikaalisti, koska valmistuksessa ei tarvita aihioita eikä työkaluja. Huomio voidaan kiinnittää kappaleen massaan, toiminnallisuuteen, käytettävyyteen ja huollettavuuteen. Kappale voidaan muotoilla optimaalisesti näiden parametrien mukaan.
Projektiopintokokeilut Konetekniikan tutkinto-ohjelmassa on lisäävän valmistuksen opetusta kokeiltu sekä perusopinnoissa (Orientaatioprojekti) että vapaasti valittavissa opinnoissa (Lisäävän valmistuksen projekti). Projektiopetus näyttää soveltuvan erittäin hyvin aihepiirin opetukseen. Opiskelijat pääsevät suunnittelemaan ja toteuttamaan tulostettavat kappaleet, jolloin heille jää konkreettinen ja omakohtainen kokemus aiheesta.
Projektiopintokokeilut Opiskelijoiden aikaansaannoksia:
Yhteenveto AM tulee selkeästi vaikuttamaan insinöörikoulutukseen aivan lähiaikoina. Kuinka radikaalia muutosta tarvitaan, on tässä vaiheessa vielä epäselvää. On kuitenkin syytä toimia ripeästi, koska nykyiset insinööriopiskelijat siirtyvät teollisuuteen vasta vuosien päästä. Teollisuudelle tullaan luonnollisesti tarjoamaan myös täydennyskoulutusta aihepiiriin liittyen.