Blogi: 3D-tulostus mahdollistaa täysin uudenlaisten materiaalien luomisen
Ennen kysyttiin, kestääkö 3D-tulostettu komponentti kohteessa. Kohta kysytään, uskallammeko käyttää perinteisesti valmistettua komponenttia vai käytämmekö 3D-tulostettua.
Metallien pikavalmistus eli 3D-tulostusteknolgia kehitettiin 1990-luvun alussa. Tällöin hankalia muotoja sisältäviä kappaleiden aihioita voitiin 3D-tulostaa, mutta lopullinen kappale sisälsi vielä sintraamisen jälkeen huokoisuutta. Teknologia on kehittynyt vähitellen. 2000-luvun alkupuolella kehitettiin ensimmäiset kaupalliset metallitulostimet, joilla pystyttiin tulostamaan suoraan tiivistä materiaalia, eikä erillistä sintrausvaihetta enää tarvittu. Silloin otettiin ensimmäisiä haparoivia askeleita nykyiseen metallien tulostamiseen, mutta tulostetun materiaalin laadussa oli vielä huomattavasti parantamisen varaa. Kehitys on kuitenkin mennyt huimaa vauhtia eteenpäin ja lähtökohtaisena oletuksena voidaan nykyisin pitää, että 3D-tulostettu materiaali oikein tulostettuna on täysin tiivistä. 100 %:n tiiveyttä on tietenkin mahdotonta saavuttaa millään teknologialla, mutta tulostettujen kappaleiden kohdalla puhutaan yli 99,99 %:n tiiveyksistä.
3D-tulostetuilla materiaaleilla hyvät staattiset ominaisuudet
Tulostettuja metalleja on tutkittu laajasti samalla kun niiden ominaisuudet ovat kehittyneet. Jo jonkin aikaa on ollut tiedossa, että hyvälaatuinen 3D-tulostettu materiaali voi omata huomattavasti korkeammat myötö- ja murtorajat kuin perinteinen vastine tulostetulle materiaalille. Staattiset ominaisuudet vetävät siis vertoja tai ovat parempia kuin perinteisillä materiaaleilla, mutta oikeat koneen osat altistuvat tyypillisesti väsyttävälle kuormitukselle, jota vastaan kappaleet täytyy mitoittaa. Väsyminen on 3D-tulostettujen komponenttien kannalta haastava ilmiö, sillä kappaleiden pinta on tyypillisesti karhea, mikä mahdollistaa särön kasvamisen pinnalta ja toisaalta pienikin huokoisuus kappaleessa tuhoaa väsymiskestävyyden.
Edelläkävijäyritykset ja -yliopistot ovat alkaneet tutkia, mitä tapahtuu, jos nykyiseen huipputason tulostamiseen yhdistetään pintakäsittely. Tulokset ovat mielenkiintoisia. Kaikkien odotusten vastaisesti 3D-tulostetut materiaalit näyttävät ohittavan perinteisesti valmistetut (esim. tae/levy/tanko) vastineensa sekä staattisten että väsymisominaisuuksien suhteen.
Miten tämä on mahdollista? Virheetöntä materiaalia 3D-tulostuksella on mahdotonta tehdä, mutta sama pätee myös kaikkiin muihin teknologioihin. 3D-tulostettujen materiaalien tiiveydet yltävät jo yli 99,99 %:n tiiveyteen eli ovat käytännössä täysin tiiviitä perinteisessä mielessä. Tämän perusteella tulosten pitäisi olla samalla tasolla kuin perinteisten saman kemiallisen koostumuksen omaavien materiaalien, mutta jostain syystä 3D-tulostettujen materiaalien mekaaniset ominaisuudet näyttävät saavuttavan huomattavasti kovempia arvoja.
3D-tulostetuilla materiaaleilla on uniikki mikrorakenne
Syy tähän eroon löytyy materiaaliopin perusteista, mutta ensin täytyy ymmärtää prosessin perusperiaate. Jauhepetitulostusprosessissa materiaalia valmistetaan levittämällä muutaman kymmenen mikrometrin kerros metallijauhetta tulostusalustalle, minkä jälkeen jauhe sulatetaan suojakaasulla täytetyssä kammiossa skannaamalla haluttu kappaleen poikkileikkaus kuitulaserilla. Tyypillisesti joidenkin kymmenien mikrometrien halkaisijalla varustettu laserin kohdistuspiste liikkuu tulostusalustalla ”värittäen” koko poikkipinta-alan. Näin ensimmäinen muutaman kymmenen mikrometrin kerros käytännössä hitsaantuu kiinni paksuun metalliseen tulostusalustaan. Ensimmäisen kerroksen päälle levitetään seuraava ohut kerros jauhetta ja laser sulattaa halutun poikkileikkauksen kiinni edelliseen kerrokseen. Prosessia toistetaan tyypillisesti tuhansia kertoja, kunnes lopputuloksena on haluttu kappaleen geometria.
Laserin liikkuessa ja sulattaessa metallijauhetta, tarvittava määrä energia jauheen sulattamiseen kohdistetaan tiettyyn pisteeseen hyvin lyhyessä ajassa. Laser liikkuu noin 1000 mm/s, joten lämmönlähde on käytännössä välittömästi poissa sulatetun pisteen luota. Sulatetun materiaalin massa on häviävän pieni, minkä vuoksi lämpö johtuu ympäröivään kiinteään materiaaliin tai suoraan metalliseen tulostusalustaan äärimmäisen nopeasti. 3D-tulostusprosessissa onkin mitattu materiaalin jäähtymisnopeuksia, jotka voivat olla luokkaa 1 000 000 astetta sekunnissa, mikä on aivan omaa kertaluokkaansa muihin valmistusprosesseihin verrattuna. Tämä erikoinen prosessi muodostaa 3D-tulostetuille materiaaleille hyvin uniikin mikrorakenteen, joka on äärimmäisen hienorakeinen. Mikrorakenteen muuttuessa hienojakoisemmaksi väsymiskestävyyden pitäisi myös parantua, mikä näyttää pitävän paikkaansa myös 3D-tulostettujen materiaalien kohdalla.
Uudenlainen valmistusprosessi aiheuttaa myös omat haasteensa. Materiaalin valmistusprosessissa läpikäymä lämpötilasykli aiheuttaa helposti ei-hitsattavien materiaalien rakenteeseen mikrohalkeamia raerajoihin. Nikkeliseoksista esimerkiksi IN718 ja IN939 on saatu jo tuotteistettua standardiprosesseiksi, mutta hitsattavuuden kannalta haasteellisemmat materiaalit kuten IN738 ja CM247LC aiheuttavat vielä haasteita valmistukselle. Toisaalta uusi prosessi mahdollistaa myös täysin uusien materiaalien luomisen 3D-tulostusprosessille. Nykyiset materiaalit ja niihin sovellettavat lämpökäsittelyt ovat suurelta osin perinteisestä teollisuudesta kopioituja. 3D-tulostukselle voidaan luoda prosessille optimaalisia materiaaleja tai vanhoille materiaaleille parempia lämpökäsittelyjä, joilla saavutetaan paremmat ominaisuudet kuin perinteisillä vastaavilla materiaaleilla.
3D-tulostuksella saadaan aikaan maksimaalista suorituskykyä ja kestävyyttä
3D-tulostus avaa uusia ovia yrityksille kehittää entistä parempia tuotteita jopa äärimmäisen haastaviin kohteisiin, missä tarvitaan maksimaalista suorituskykyä ja kestävyyttä. Asetelma on siis muuttumassa päälaelleen – ennen kysyttiin kestääkö 3D-tulostettu komponentti kohteessa, mutta kohta kysytään, uskallammeko käyttää perinteisesti valmistettua komponenttia vai pitääkö käyttää 3D-tulostettua.
Kehitettävää on vielä paljon, mutta mahdollisuudet ovat valtavat. Monet suomalaiset yritykset ovat heränneet 3D-tulostuksen tarjoamiin uusiin mahdollisuuksiin ja lähteneet yhdessä FAME-ekosysteemin (Finnish Additive Manufacturing Ecosystem) puitteissa selvittämään materiaaliominaisuuksia ja niiden soveltamista käytäntöön. Ekosysteemissä yritykset miettivät yhdessä parhaita tapoja ottaa kaikki hyödyt irti 3D-tulostamisesta liiketoiminnan kehittämiseksi ja tulevaisuuden tuotteiden luomiseksi, oli kyseessä sitten mikä tahansa vaihe arvoketjussa raaka-aineen louhinnasta loppukomponentin sertifiointiin.
Johannes Karjalainen, FAMEn ekosysteemijohtaja
