3D-tulostus mullistaa valmistustekniikanAntti Salminen

LUT School of Energy SystemsKonetekniikan osaamisalue

"3D printing is worth my time, attention, money and effort" Jeffrey Immelt CEO, GE

Lappeenranta 19.3.2015 3Tampere 24.10.2012

"3D printing has the potential to revolutionize the way we make

almost everything”Barak Obama, President of USA

Outotec, Lappeenranta, 24.4.2013Lappeenranta, 30.4.2013Imatra, 17.5.201327.2.2014

Lappeenranta 19.3.2015 4Messukeskus, Helsinki   4.9.2013Lappeenranta,  17.10.2013Tampere,  24.10.201327.2.2014

Tutkimus voimakkaassa nousussa

− “USA aikoo panostaa 30 miljoonaa dollaria yksistäänuuden 3D-tulostustutkimuskeskuksen perustamiseenYoungstowniin Ohioon…”

− “Iso-Britanniana hallitus investoi 15 miljoonaa puntaa3D-tulostusteollisuuteen ja alan tutkimukseen…”

Lappeenranta 19.3.2015 5

The Telegraph

smartplanet.com

Messukeskus, Helsinki   3.9.2013Messukeskus, Helsinki   4.9.2013Lappeenranta,  17.10.2013Tampere,  24.10.201327.2.2014

Tutkimus voimakkaassa nousussa

− “Singaporen hallitus on ilmoittanut investoivansaseuraavan viiden vuoden aikana yli 500 miljoonaadollaria tulevaisuuden valmistustekniikoiden, kuten 3D-tulostuksen, tutkimukseen säilyttääkseen kilpailukykynsäKaakkois-Aasiassa…”

− “…Kiina on ilmoittanut perustavansa kymmenen 3D-tulostustutkimuskeskusta kymmeneen Kiinansuurimpaan kaupunkiin…”

Lappeenranta 19.3.2015 6

3D Printing Industry Today

engineering.com

Messukeskus, Helsinki   3.9.2013Messukeskus, Helsinki   4.9.2013Lappeenranta,  17.10.2013Tampere,  24.10.201327.2.2014

3D tulostuksen käyttö

Lappeenranta 19.3.2015 7

Kuluttajatuotteet/Elektroniikka

20,3%

Moottoriajoneuvot19,5%

Lääketiede/Hammaslääketiede

15,1%

Ilmailu12,1%

Teolliset koneetja laitteet

10,8%

Tutkimuslaitokset8,0%

Valtio/ sotilas 6,0%Arkkitehtuuri 3,0 % Muut

5,3%

Wohlers 2013

3D tulostuksen sovellustavat

Lappeenranta 19.3.2015 8

Toiminnalliset osat: 28,1%

Visuaaliset apuvälineet:

10,40%

Muut: 1,3%

Esittelymallit: 9,50%

Sovite ja kokoonpano:

17,5%

Työkaluvalmistuksen prototyypit:11,3%

Valumuotit: 10,8%

Työkalut: 4,8%

Opetus ja tutkimus: 6,4%

Wohlers 2013

Jauhepetisulatus, laser

Lappeenranta 19.3.2015 9

Laser

Jauheenlevitin,”kaapa”

Jauhevarasto

Rakennusalusta,”platta”

Osa

Ylijäämäjauheenvarasto

Skanneri

AM: jauhepeti prosessit

Lappeenranta 19.3.2015 10

1. Jauheen levitys2. Kerroksen sulatus3. Rakennusalustan

laskeminen4. Jauheen levitys5. …

Rakennusalustan laskeminen

Kerroksen sulatus Jauheen levitys

Osan valmistus

Lappeenranta 19.3.2015 11

Osan irrotus3D mallinnus

Mallin käsittely

Digitaalinen 3D malli

Lappeenranta 19.3.2015 12

Gibson et al., Additive Manufacturing Technologies

Tämän päivän haasteet

Lappeenranta 19.3.2015 13

Lajitelman laajuus ja monimutkaisuus

Tuotteen elinkaari

Raaka-aineidenhinnat

Tuotekehitykseenkäytettävissä oleva

aika

Sarjakoko

Osan hinta

Perinteinen tuotanto

Sarjasuuruus

22.2.2015 14

Sarjasuuruus

Kus

tann

ukse

t

Perinteinen tuotanto

3D tulostus ja Digitaalinen tuotanto fotoneilla

Sarjasuuruus

22.2.2015 15

Kappaleen paino

Kus

tann

ukse

t

Perinteinen tuotanto

3D tulostus ja Digitaalinen tuotanto fotoneilla

Tuotteen monimutkaisuus

22.2.2015 16

Tuotteen monimutkaisuus

Kus

tann

ukse

t Perinteinen tuotanto

3D tulostus ja Digitaalinen tuotanto fotoneilla

Rakenteen keventäminen

PainonsäästöPerinteinen, Al7075 337,5 g3D tuloste, TiAl6V4 250,0 g

Lappeenranta 19.3.2015 17

Vaatimukset

Rakenteen optimointi

Tulosten tulkinta

Uudelleen mallinnus

FE-analyysi

Lopullinen design

26%

Bambun rakenne

3D tulostus sallii monimutkaisuuden

Lappeenranta 19.3.2015 18

Toimielimen palkki

Koneistettu perinteinen rakenne• Mistä voidaan poistaa materiaalia• Tehdään koneistuksen ”ehdoilla”

Valettu• Selvästi jouheampi rakenne• Tehdään valun ”ehdoilla”

3D tulostettu rakenne• Jouheva• Kevyt• Tehty sovelluksen ”ehdoilla”

Lappeenranta 19.3.2015 19

Source: Michael Mues Diploma Thesis, FH Aachen

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 20

Pakosarja

− Formula Studentin pakosarja Monimutkainen ja iso geometria Yksi osa Ohutseinäinen rakenne Vaikea valmistaa

− Materiaali EOS Nikkeliseos IN625 Sopii

suurille kuormille ja korkeille lämpötiloille

Rakennusaika: 35 h

Lappeenranta 19.3.2015 21

Lämmönvaihdin konsepti

Lappeenranta 19.3.2015 22

− Optimoitu lämmönvaihdin: Laite, jossa toistetaan elementtejä

voidaan muotoilla vapaasti Itsekantava, integroidut jäähdytin-

rivat ulkopinoissa Pisaranmuotoisen itsekantavat

putket Turbulenssi generaattori jäähdytin-

putkien sisällä häiritsevät virtausta ja lämmönsiirron maksimoimiseksi

Materiaali: EOS Alumiini AlSi10Mg Laite: EOSINT M 270 Rakennusaika: n. 85 h

Golfpallon muotti

− Räätälöity jäähdytys Jäähdytyskanavat

noudattavat muotin geometriaa tehostettu jäähdytys

− Tuottavuuden nousu 20 %

Lappeenranta 19.3.2015 23

Jakotukki

− Yhdistää kaksi tulokanavaa yhdeksi lähtökanavaksi

− Alkuperäinen rakenne: Umpiaine neljällä poratulla

reiällä

Lappeenranta 19.3.2015 24

Edestä Päältä

Ristikkorakenteinen jakotukki

− AM rakenne: Ristikkorakenne FEM optimoitu rakenne kannattaa optimoituja virtauskanavia

Lappeenranta 19.3.2015 25

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 26

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 27

Polttoainesuutin

− DMLS Swirler Suutin: Erittäin monimutkainen rakenne

yhdellä osalla. Alun perin juotettu 21 eri osasta Valmistusajan lyheneminen 6 viikosta 2

viikkoon Kustannussäästö 50 % Painonsäästö 40 % Robustimpi rakenne Ei juotosliitoksia Materiaali: EOS Kobolttikromi MP1

Lappeenranta 19.3.2015 28

Kuulolaitteet

− Audiologi mittaa korvakäytävän geometrian 3D skannerilla. Mallin ja korvan tarkastuksen jälkeen tuote voidaan valmistaa.

− Printteri tekee “adapterin” korvan ja kuulokojeen välille, eli elektroniikka sovitetaan osan sisälle.

− Prosessi tehdään päivässä eli nopeammin ja laadukkaammin kuin perinteisesti

− Mikrometrin tarkkuus tuottaa paremman sovitteen.− Tällä hetkellä AM tuotteilla on n. 100% markkinaosuus ja niitä on

tehty yli 10 miljoonaa.− Seuraavaksi ennustetaan, että kuulokkeiden valmistuksessa

siirrytään tähän teknologiaan, joka on jo valmis.

Lappeenranta 19.3.2015 29

Kuulolaite

− Käytössä on yli 10 000 000 3D tulostettua kuulolaitteen osaa.− 3D tulostus on käytetyin tekniikka.− Käyttäjäkohtainen laite on mukavampi ja syrjäyttää massatuotetut

kilpailijat.− Koko teollisuudenala on muuttunut 3D tulostuksen ansiosta.

Lappeenranta 19.3.2015 30

Kuulolaitteiden markkinan kehitys

Lappeenranta 19.3.2015 31

Laitt

eita

kpl

/kk

kokonaismyynti

3D-tulostus

3D-tulostuksen osuus kokonaismyynnistä

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%20%

10%

0%

Jan Eite Bullema, TNO

Airbus: Print me an airplane

Lappeenranta 19.3.2015 32