3D-metallitulostuksen kehittäminen

Abstract

Metallien 3D-tulostus on kasvanut maailmalla vahvasti yhdeksi valmistustekniikaksi perinteisten valmistusmenetelmien rinnalle ja myös Suomessa tekniikka on alkanut saada jalansijaa. 3D-tulostuksessa on mahdollista unohtaa valmistustekniikan rajoitteet ja keskittyä optimoimaan tuotteen toiminnallisuus ja suorituskyky ja myös materiaalinkäyttö, sillä materiaalia voidaan laittaa vain sinne, missä sitä tarvitaan. Teknologia mahdollistaa muotoilun vapauden ja monimutkaiset rakenteet.

Opinnäytetyön taustalla ovat pirkanmaalaiset 3D Boosti ja Invest -kehittämishankkeet, jotka keskittyvät 3D-tulostukseen. Hankkeessa yhteistyökumppaneina ovat Tampereen teknillinen yliopisto, Tampereen ammattikorkeakoulu ja Sastamalan koulutuskuntayhtymä. Työssä tarkastellaan hankkeen aikana hankittua metallien 3D-tulostuslaitteen käyttöä ja ohjeistusta sekä käydään läpi valmistukseen liittyvät työvaiheet. Laitteen käyttämä teknologia on lasersulatukseen perustuva jauhepetitekniikka eli Selective Laser Melting (SLM) -menetelmä. Työssä arvioidaan myös teknologian ja käytettyjen materiaalien merkitystä Suomessa sekä tutkimusinstituutin että yrityksen näkökulmasta.

Vaikka puhutaan yksittäisestä metallien 3D-tulostuksesta, valmistukseen kuuluu ennen varsinaista tulostusprosessia olevia tehtäviä, varsinainen tulostusprosessi, joka myös sisältää useita eri vaiheita ja lisäksi tulostuksen jälkeisiä tehtäviä. Kaikkien näiden osa-alueiden hallinta on erittäin olennaista sekä tulostuslaitteen toimivuuden että valmistettavien tuotteiden kannalta. Työn tavoitteena oli, että 3D-tulostimen käyttäjät voivat tehostaa työskentelyään ja toisaalta uudet käyttäjät pääsevät nopeasti sisään teknologiaan. Opinnäytetyön tuloksena tuotettiin uusi visuaalinen työkalu, A1-kokoinen vuokaavio, tulostuslaitteen prosessien hallintaan ja valmistusmenetelmän kokonaisuuden syy- ja seuraussuhteiden hahmottamiseen.

Kun tavoitteena on metallien 3D-tulostamisen saaminen kaupallisiksi tuotteiksi, on tärkeää tietää, millainen tuotteen laatu ja sen materiaaliominaisuudet ovat. 3D-tulostukseen liittyviä materiaalitutkimuksia on jonkin verran saatavilla, mutta koska useat prosessiparametrit ovat laitekohtaisia, tässä työssä perehdyttiin myös materiaalitutkimuksen kautta austeniittisesta ruostumattomasta teräksestä tulostettujen kappaleiden ominaisuuksiin. Tuloksena oli perustietämystä mikrorakenteesta, kovuuksista ja siitä, miten kappaleen sijoittuminen tulostusalustalla mahdollisesti vaikuttaa materiaaliominaisuuksiin.