3D-tulostus on nopeasti kehittyvä teknologia, joka nykyään tunnistetaan lyhytsarjatuotannon tulevaisuutena.
Kuitenkaan se ei aina ollut niin optimistista. Kun 3D-tulostus ilmestyi useita hyviä vuosikymmeniä sitten, sitä pidettiin melko vaikuttavana mutta hitaana kuriositeettina, joka ei löytäisi todellista sovellusta. Sitä käytettiin joskus suunnitteluun ja prototyyppien valmistukseen, mutta sitä ei koskaan tarkoitettu yhdeksi perustuotantomenetelmäksi.
Kuitenkin ne, jotka eivät ennustaneet hyvin 3D-tulostimille, eivät olisi voineet olla enemmän väärässä. Viimeisen 10 vuoden aikana 3D-tulostustekniikka - ja metallissa - on kehittynyt siinä määrin, että se on houkutellut monia johtavia valmistajia ja löytää sovelluksia yhä uusilla teollisuuden alueilla.
3D-metallitulostimet
Viime vuosina 3D-metallitulostimien sekä tarjonta että kysyntä ovat kasvaneet jyrkästi. Valmistajat tuovat jatkuvasti markkinoille uusia ratkaisuja metallien lisäävään valmistukseen, jotka ovat nopeampia, helppokäyttöisempiä ja tehokkaampia, sekä mahdollistavat useampien erilaisten metallien käytön.
Tästä syystä yhä useammat yritykset käyttävät 3D-metallitulostustekniikkaa metalliosien ja prototyyppien tuottamiseen, hyötyen myös lisäävän tulostuksen ideasta johtuvasta lisääntyneestä suunnitteluvapaudesta. Metalli-3D-tulostimia käytetään nykyään eri teollisuudenaloilla, kuten avaruusteollisuudessa, ilmailussa, autoteollisuudessa, lääkinnällisissä laitteissa, työkaluissa ja muualla.
3D-tulostus
3D-tulostus, joka tunnetaan myös lisäävänä teknologiana, on prosessi, jossa luodaan kolmiulotteinen esine tyhjästä, kerros kerrokselta. Se alkaa yleensä osan digitaalisella, kolmiulotteisella mallilla, jonka ohjelmisto digitaalisesti "viipaloittaa" moniin hyvin ohuisiin kerroksiin, jossa kerrosten paksuus riippuu tuotteen muodosta ja käytetyn materiaalin tyypistä.
Seuraavaksi raaka-aine, yleensä jauheen tai rakeiden muodossa, ladataan tulostimeen. Suosituin materiaali on tietenkin muovi, mutta myös metalleja kuten alumiinia, titaania, työkalu- ja ruostumatonta terästä, nikkeliä, kuparia, pronssia, kobolttia ja jalometalleja (kultaa, hopeaa, platinaa) käytetään yhä enemmän. Raaka-aine kuumennetaan sulamislämpötilaan ja kone levittää sen työpinnalle kerros kerrokselta, kunnes koko tuote on tulostettu.
3D-metallitulostus
Kun katsomme lisäävän teknologian kasvavaa määrää teollisissa ja kaupallisissa sovelluksissa, metalli-3D-tulostus on aina eturintamassa. Se on yksi nopeimmin kasvavista tuotantoteknologioista. Sitä voidaan nyt käyttää yhdessä muiden tekniikoiden kanssa prototyyppien valmistukseen ja lyhytsarjatuotantoon. Joissakin tapauksissa 3D-tulostettujen metalliesineiden laatu ja tulostuksen tehokkuus ovat jo verrattavissa tai jopa korkeampia kuin perinteisissä teknologioissa.
3D-metallitulostusta käytetään prototyyppien valmistuksessa ja lyhytsarjatuotannossa avaruusteollisuudessa, ilmailussa, autoteollisuudessa, tekniikassa sekä lääketieteellisten ja laboratoriolaitteiden valmistuksessa.
Miten 3D-metallitulostus toimii?
3D-metallitulostus on laaja termi usealle teknologiaperheelle. Yksinkertaisesti sanottuna, mikä tahansa valmistusteknologia, joka mahdollistaa metalliesineiden luomisen kerros kerrokselta sulattamalla, hitsaamalla tai sintraamalla, voidaan kutsua 3D-metallitulostusprosessiksi. On todella monia ratkaisuja, jotka mahdollistavat metallissa tulostamisen, mutta kannattaa - kuten aina - tutustua yleisimmin käytettyihin.
Perus 3D-tulostusteknologiat
3D-metallitulostuksessa käytetään kolmea pääteknologiaa:
- DMLS (Direct Metal Laser Sintering)
- SLM (Selective Laser Melting)
- EBM (Electron Beam Melting)
DMLS 3D-tulostus
Direct Metal Laser Sintering eli DMLS on suosituin 3D-metallitulostuksen menetelmä. Laseria käytetään metallijauheen sintraamiseen kerros kerrokselta tulostetun osan luomiseksi.
Tässä tulostustekniikassa käytettäviin materiaaleihin kuuluu laaja valikoima metalliseoksia, kuten maraging-teräs, alumiini, Inconel 625 nikkeli-kromiseokset, koboltti-kromiseokset ja titaani.
DMLS-tekniikkaa käytetään prototyyppien ja koneenosien luomiseen. Sitä voidaan käyttää elementtien tuottamiseen, joissa on leikkauksia, syvennyksiä ja erilaisia kallistuskulmia. Näitä ovat lääkinnälliset laitteet, instrumentit, prototyypit ja työkalut.
SLM 3D-tulostus
Selective Laser Melting eli SLM, kuten nimi viittaa, sisältää materiaalin sulatuksen. 3D-tulostus tapahtuu inertissä kaasuympäristössä. Tästä syystä SLM 3D-tulostuksen laatu on hyvin lähellä valu- tai takomismenetelmillä valmistettujen osien laatua.
SLM 3D-tulostustekniikalla valmistetut esineet ovat erittäin kestäviä. Tästä syystä tätä teknologiaa voidaan käyttää mekaanisten osien, kuten potkureiden ja hammaspyörien, sekä auto-, lääkintä- ja ilmailuteollisuudessa käytettävien tuotteiden valmistukseen.
EBM 3D-tulostus
Electron Beam Melting eli EBM-tekniikka on samankaltainen kuin SLM-tulostus, mutta käyttää elektronisuihkua laserin sijaan. Tämä teknologia on nopeampi ja tarkempi kuin laseravusteinen tulostus, ja sillä tulostetut tuotteet ovat yleensä kestävämpiä kuin muissa metallitulostusprosesseissa saadut osat.
EBM-menetelmää käytetään pääasiassa titaanista ja koboltista valmistettujen esineiden tuotantoon, ja siihen kuuluvat lentokoneiden, avaruussukkuloiden, rakettien ja moottoreiden osat ja komponentit.
3D-metallitulostuksen edut
3D-metallitulostuksen suuri etu on suunnitteluvapaus. 3D-tulostus antaa valmistajille mahdollisuuden tuottaa elementtejä, joilla on äärimmäinen geometrinen monimutkaisuus, joita joko ei voida valmistaa tai on hyvin vaikea valmistaa perinteisillä koneistustekniikoilla.
Minimaalinen jäte: Useimmissa tapauksissa ainoa tuotteen tulostamiseen tarvittava materiaali on se, jota käytetään valmiissa tuotteessa. Lisäksi ylimääräistä materiaalia ei käytännössä ole, ja kaikki jäännökset voidaan käyttää uudelleen tai kierrättää. Tämä tarkoittaa tietenkin tuotantoprosessin alhaisempia kustannuksia.
Yksivaiheinen tuotanto: 3D-tulostusprosessin aikana kone toimii automaattisesti ilman käyttäjän valvontaa. Tämä tarkoittaa, että yksi käyttäjä voi samanaikaisesti käyttää useita tulostimia, mikä mahdollistaa työvoimakustannusten vähentämisen. Riippuvuus muista perinteisistä tuotantoprosesseista, kuten leikkauksesta, jyrsinnästä ja hitsauksesta, vähenee myös, koska koko tuotantoprosessi tapahtuu yhdessä koneessa.
Lisäksi metalli-3D-tulostimet ovat paljon pienempiä kuin useimmat kehittyneet CNC-koneet, mikä tarkoittaa, että ne vievät vähemmän tilaa tuotantohallissa. Ne mahdollistavat myös tuotantoprosessin ajan lyhentämisen.
Lisäksi 3D-metallitulostus:
- Mahdollistaa monimutkaisten osien nopeamman tuotannon verrattuna perinteisiin tuotantomenetelmiin.
- 3D-metallitulostus on halvempaa kuin perinteiset tekniikat
- Valitusta teknologiasta riippuen 3D-metallitulostus mahdollistaa erittäin monimutkaisen geometrian esineiden tarkan tuotannon.
- Jopa erittäin monimutkaisten suunnitelmien tapauksessa saadaan äärimmäisen kestäviä osia. Tämä on yksi syistä, miksi 3D-tulostetut komponentit ovat suuressa kysynnässä ilmailu-, avaruus- ja sotilasaloilla.
- 3D-metallitulostus ei tuota materiaalijätettä, toisin kuin perinteiset tuotantomenetelmät.
Lyhyesti sanottuna 3D-metallitulostus on ihanteellinen tekniikka monimutkaisten osien luomiseen, joita on vaikea tuottaa perinteisillä teknologioilla tai kun tällainen tuotanto olisi tehotonta.
3D-tulostuksen tulevaisuus
Tulevaisuudessa monet 3D-tulostuksen "haitat" minimoidaan tai poistetaan kokonaan, kun teknologia yleistyy. Ja kun suunnittelijat eivät ole toimettomia ja innovaatioita ilmestyy kuin sieniä sateen jälkeen, myös itse 3D-tulostimien kustannukset laskevat.
Uudet tulostimet pystyvät myös käyttämään useampia materiaalityyppejä ja tulevat nopeammiksi. Siksi projektit, jotka nykyään kestävät päiviä, valmistuvat tuntien tai jopa minuuttien kuluessa.
Tulevina vuosina 3D-tulostus jatkaa kehittymistään ja muuttaa valmistuksen maisemaa. Se muodostaa perustan räätälöidylle ja lyhytsarjatuotannolle. Sitä käytetään myös massatuotannossa monilla aloilla, kuten auto-, ilmailu-, terveydenhuolto- ja muilla aloilla.