30

Tuomas Purtonen, LUT: 3D-tulostus ja metallit

Embed Size (px)

DESCRIPTION

LUT:n Tuomas Purtonen kertoi IIoT ja 3D-tulostusseminaarissa 16.6. metallien 3D-tulostuksesta. Tässä esitysmateriaali.

Citation preview

Metallien 3D-tulostus Tuomas Purtonen IloT-seminaari 16.6.2014, Mikkeli

Esityksen sisältö

− Yleiskatsaus metallien 3D-tulostukseen

− Menetelmät ja materiaalit − Sovelluskohteet − Mahdollisuudet

3D-tulostuksesta yleisesti

− Yleinen käsitys 3D-tulostuksesta: − ”3D-tulostus on helppoa ja hauskaa” − Voidaan tulostaa mitä tahansa muotoja 3D-mallin

pohjalta − Tämä pätee vain joillakin tulostusprosesseilla − Metallien tulostuksessa on huomattavasti enemmän

rajoitteita

Metallien 3D-tulostus

− Ei pelkkää prototyyppien tekoa − Near net shape –kappaleiden teko

− Tulostetun kappaleen mitat lähellä lopullisen kappaleen mittoja, tai lopullisen kappaleen mitoissa

− Paljon erilaisia tekniikoita − Monet tekniikoista hyödyntävät lasersädettä

lämmöntuonnissa − Metallien 3D-tulostus ei tule korvaamaan perinteisiä

valmistusmenetelmiä, vaan tulee niiden rinnalle

Metallien 3D-tulostus

Menetelmät ja materiaalit

3D tulostusmenetelmät

− Menetelmät voidaan jakaa 7 eri kategoriaan − Pursotusmenetelmät − Kohdennettu sulatus − Sideaineen suihkutus − Materiaalin suihkutus − Jauhepetisulatus − Arkkilaminointi − Allasvalokovetus

Jauhepetisulatus

− Kappale valmistetaan tyypillisesti 0,02-0,05 mm paksuisista kerroksista

− Yleisimmin käytetty prosessi metallien tulostuksessa

Kohdennettu sulatus

− Materiaalia sulatetaan kohdennetun lämpöenergian avulla

− Materiaalit: − Jauhe, lanka, nauha jne.

− Kohdennettu lämpöenergia − Laser, elektronisuihku, plasma, valokaari

− Jauhepetisulatusta epätarkempi ja rajoittuneempi, mutta tuottavampi

Metallien 3D-tulostus Laatu − Laatu/tulostettavien kappaleiden maksimikoko vaihtelee

prosessista riippuen − Mittatarkkuus − Pinnankarheus − Materiaaliominaisuudet

− Tietyillä prosesseilla päästään useissa sovelluskohteissa hyvin lähelle haluttuja mittoja, tai jopa lopullisiin mittoihin

Metallien 3D-tulostus Tulostusnopeus − Tulostusnopeus vaihtelee riippuen prosessista,

materiaalista ja halutusta tarkkuudesta − Tarkat prosessit 3-20 cm3/h − Vähemmän tarkat jopa 4000 cm3/h − Vertailun vuoksi: MAG-hitsaus 1.2 mm umpilangalla

noin 500 cm3/h

3D-tulostettavat metallit

− Jauhepetisulatus − Alumiineja, titaaneja, teräksiä jne. − Periaatteessa kaikki metallit, mitkä saadaan sopivaksi

jauheeksi − Tiettyjä rajoitteita

− Valmiin kappaleen materiaali: − On huokoseton − Mekaaniset ominaisuudet ovat standardin mukaisia − Materiaalia voidaan hitsata, koneistaa tai työstää muuten

samalla tavoin kuin metalleja yleensä − Huom! On olemassa myös metallien

tulostusmenetelmiä, joissa lopputuotteen laatu on heikko!

Tukirakenteet jauhepetisulatuksessa

− Jauhepetisulatuksella valmistetut metalliset kappaleet vaativat tukirakenteita

− Näiden suunnitteluun on erikoisohjelmia

− Tukirakenteet tasaavat lämpökuormia kappaleessa

Jälkikäsittelyt

− Kappaleen irrotus rakennusalustasta − Tukirakenteiden poisto

Metallien 3D-tulostus

Nykypäivän sovelluskohteita

Tulostettavien osien skaala

− Pienistä osista useita metrejä pitkiin osiin

Rakenteiden optimointi Lentokoneteollisuus − Sarana

− Alun perin koneistettu valuteräsaihiosta

− Uusi kappale tulostettu titaanista

− Painonsäästöä 63 % − Suutin

− Alun perin 21 osaa − Valmistusaika 6 2

vkoa − Kustannukset -50 % − Massa -40 %

Autoteollisuus

− Prototyyppien osat − Erikoisautot, kilpa-ajoneuvot

Lääketieteen sovellukset

− Implantit − Lonkka, polvi jne.

− Hampaat

Kuluttajatuotteet

− Silmälasinkehykset − Korkokengän korko − Polkupyörän rungon osat − Koruteollisuus − jne.

Metallien 3D-tulostus

Mahdollisuudet

Perinteinen valmistus vs. 3D-tulostus Putkihaara − Perinteisesti tietyissä koneenosissa

käytetyt osat valmistetaan koneistamalla ne massiivisista aihioista

− Käytännössä kanavan geometrian muodostavat suorat reiät, joita tarvittaessa tulpataan − Muodot eivät ole millään tapaa

virtausopillisesti optimoituja − Perinteiset työstömenetelmät rajoittavat

kanavageometriaa − 3D-tulostuksella tuote voidaan valmistaa

hyvin vapaan suunnittelun perusteella

Perinteinen valmistus vs. 3D-tulostus Putkihaara

Tulpat

3D-tulostus Perinteinen valmistus lastuamalla

Perinteinen valmistus vs. 3D-tulostus Putkihaara − Etuja:

− Parempi virtaus, vähemmän energiahäviöitä − Materiaalin- ja painonsäästö

Miksi 3D-tulostus?

Perinteinen valmistus

1400 kg 12-18 kk toim. aika

1330 kg 6 vk koneistusaika

70 kg 6 vko + 12-18 kk

3D-tulostus

45 kg Hyllytavara

50 kg Hyllytavara

70 kg 3 vko + 0 kk

2 vko Tulostus

25 kg, 1 vko koneistus

− Hydrauliikan komponentti

Miksi 3D-tulostus? Esimerkki maailmalta

Perinteinen valmistus 20 kg

3D-tulostus 0,95 kg

LUT / KYAMK Case Potkuri − EOS M-sarjan jauhepetisulatuslaite − Tulostusaika 41 tuntia − Tulostetun mallin tilavuus 51 cm3

− Tukirakenteen tilavuus 114 cm3

− Tulostusnopeus 4 cm3/h − Rakenteita ei optimoitu 3D-tulostukseen

Kustannukset

− Laite: − 250x250x250 työalueella oleva jauhepetilaite 400 t€

− Materiaali: − 316L jauhe 40-100 €/kg

− Tulevaisuudessa laitekustannuksen osuus pienenee Lindemann SFF Symposium 2013

Mahdollisuudet

− Mikä hidastaa metallien 3D-tulostuksen soveltamista? − Laitteiden hankintahinta − Käytön haasteet − Tiedon puute, uuden tekniikan

vierastaminen − Mahdollisuudet:

− Kohteet, joissa painonsäästö tai geometrian vapaa suunnittelu on selvä etu

− Prosessiteollisuuden komponentit − Alan suunnitteluosaaminen Suomeen