Muodonmuutoksia, jäännösjännityksiä ja kutistumista
3D-tulostus tai kolmiulotteinen tulostaminen on 1980-luvulla syntynyt menetelmä, jossa materiaalia lisätään kerroksittain kappaleen valmistamiseksi. Menetelmästä käytetään myös nimitystä ainetta lisäävä valmistus (AM), jolla pyritään erottamaan valmistusmenetelmä perinteisistä materiaalia poistavista valmistusmenetelmistä, kuten jyrsinnästä tai sorvauksesta.
Jauhepetisulatus on yksi 3D-tulostuksen prosesseista
Jauhepetisulatus, englanniksi Powder Bed Fusion (PBF), on suosittu 3D-tulostusprosessi. Menetelmässä kappale muodostuu, kun materiaalia syötetään jauheena joko säiliöstä tai sen vierestä olevasta jauhevarastosta tulostuskammioon. Kappale muodostuu asteittain jauheen levittyessä kerroksittain tulostuspedille. Materiaalin levitys pedille tapahtuu telan tai terän avulla. Kerroksien välissä materiaalia sulatetaan prosessissa käytetyllä sulatusmenetelmällä. Kun tulostus on valmis, kammio jäähdytetään ja ylimääräinen jauhe kerätään uudelleenkäytettäväksi.
Metallien lasersädejauhepetisulatuksessa voidaan käyttää pienitehoisia lasereita, joilla metallijauheen hiukkaset kiinnittyvät toisiinsa osittain sulaessaan. Lisäksi voidaan käyttää suuritehoisia lasereita, joissa säteet sulattavat jauhehiukkaset kokonaan yhteen. Polymeerien jauhepetisulatus käyttää pienitehoista laseria jauheen sintraamiseen yhteen lähes kaikissa tapauksissa.
Jauhepetisulatuksen hyviä ja huonoja puolia
Jauhepetisulatuksella voidaan saavuttaa edullinen osien valmistus, koska sen prosessi mahdollistaa suunnittelun vapauden. Parhaimpana puolena voidaan pitää sitä, kuinka kappale voidaan valmistaa lähes lopulliseen muotoon ja kokoon, joten sen kokoamis- ja liitosprosessit vähentyvät eikä näiden monimutkaisuus lisää valmistuskustannuksia.
Jauhepetisulatuksen prosesseihin liittyy myös haittoja, jotka tulee ottaa huomioon kappaleiden suunnittelussa. Kappaleissa tapahtuu muodonmuutoksia, jäännösjännityksiä ja kutistumista, jotka johtuvat paikallisista lämpötilaeroista. Muodonmuutokset ja pinnan laatu vaativat kappaleiden jälkikäsittelyn, ja näiden työstövara pitää ottaa huomioon suunnitteluvaiheessa.
Tiesitkö, että tulostusmateriaalina voidaan käyttää kudosta?
3D-tulostuksessa materiaalin valinnalla vaikutetaan tulosteen ominaisuuksiin ja haluttuun lopputulokseen. Myös se, mitä halutaan tuottaa ja mitä funktioita tuotteelta halutaan, määrittää mitä materiaalia voidaan käyttää. Tulostuksessa hyödynnetään yleensä polymeerejä ja metalleja perusmateriaaleina, mutta lisäksi käytetään monipuolisesti muita materiaaleja, kuten keraameja, komposiitteja ja paperia. Mielenkiintoisena lisänä voidaan mainita mahdollisuus tulostaa myös kudosta, joka avaa uusia mahdollisuuksia biolääketieteen tutkimuksissa ja terveydenhuollossa. 3D-tulostuksen prosessit mahdollistavat myös kombinaatiot, jotka yhdistävät useamman materiaalin käytön, jotta tuotteeseen saadaan erilaiset toiminnallisuudet.
Tutkimuksessa huomattiin myös, kuinka tärkeää on asettaa tulostuspedille käytettävän tulostimen tiedot, jotta ohjelmisto laskee simulaatiossa oikeat analyysiarvot tulosteelle.
Opinnäytetyön aiheena oli tutkia metallin 3D-tulostuksen muodonmuutoksien simulointia. Tulostusprosessi aloitettiin tulostuspedin valmistelulla NX-ohjelmiston additive manufacturing -puolella. Tulostuspedille tuotiin määritetyt kappaleet ja asemoitiin ne haluttuun kulmaan, jotta tutkimuksessa toivotut muodonmuutokset olisivat mahdollisimman suuria. Ohjelmistolla määritettiin myös kappaleille tarvittavat tukirakenteet.
Simuloidessa kappaletta, ohjelmisto antaa hyvin tarkat lämpö- ja muodonmuutosanalyysit. Näiden analyysien perusteella ohjelmisto pystyy antamaan kompensaatiomallin kappaleelle. On huomattavaa muistaa, että tarkkojen analyysiarvojen saamiseksi, ohjelmistolle on annettava käytettävän tulostimen tiedot, sillä muuten ohjelmiston laskemat kompensaatiot kappaleelle eivät pidä paikkaansa. Tämä todennettiin tutkimuksessa, kun osa kompensoiduista testikappaleista tulostettiin, mutta kompensaatiot olivat tehty ilman käytetyn tulostimen tietoja. Tutkimuksessa päästiin haluttuun lopputulokseen ja pystyttiin todentamaan ohjelmiston antamien analyysien oikeellisuus ja kompensointien toimivuus.
Lähde:
Merisaari, J. 2023. Metallin 3D-tulostuksen muodonmuutoksien simulointi – Theseus, Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyö.