3D-tulostuksessa on mahdollista unohtaa valmistustekniikan rajoitteet ja keskittyä optimoimaan tuotteen toiminnallisuus ja suorituskyky sekä myös materiaalinkäyttö, sillä materiaalia voidaan sijoittaa vain sinne missä sitä tarvitaan. 3D-tulostus kiinnostaa perinteistä koneteollisuutta, mutta myös lääketieteessä, lentokoneteollisuudessa, koruvalmistuksessa ja muotoilussakin löytyy menetelmälle uusia sovelluskohteita.
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, tutkimuksessa perehdyttiin austeniittisesta ruostumattomasta teräksestä AISI 316L (EN 1.4404) tulostettujen kappaleiden materiaaliominaisuuksiin. Näytteet tulostettiin jauhepetimenetelmää käyttävällä SLM 125 HL -tulostuslaitteella. Laite on osa vuonna 2015 Pirkanmaalla käynnistyneiden ja Euroopan aluekehitysrahaston (EAKR) rahoittamien 3D Boosti ja 3D Invest -kehittämishankkeiden hankintoja. Hankkeissa yhteistyökumppaneina toimivat Tampereen teknillinen yliopisto, Tampereen ammattikorkeakoulu ja Sastamalan koulutuskuntayhtymä. Tutkimusten tuloksena saatiin perustietämystä mikrorakenteesta, kovuuksista ja siitä, miten kappaleen sijoittuminen tulostusalustalla mahdollisesti vaikuttaa materiaaliominaisuuksiin.
SLM-tekniikka
Selective Laser Melting (SLM) eli valikoiva lasersulatus -menetelmä on yksi materiaalia lisäävistä valmistusmenetelmistä. Standardin mukaan se luokitellaan jauhepetisulatusmenetelmäksi, jossa yhdellä tai useammalla laserilla tuotettu lämpöenergia sulattaa jauhepedin kohdennettuja alueita. (SFS-EN ISO/ASTM 52900:2017, 7.) Tuotteen valmistus aloitetaan luomalla siitä 3D-malli. Malli viipaloidaan ohuisiin kerroksiin, joiden paksuus on noin 0,02 – 0,10 mm. Valmistusprosessissa yksi viipaloitu kerros vastaa yhtä tulostuskerrosta.
3D-tulostuksessa on mahdollista keskittyä optimoimaan tuotteen toiminnallisuus ja suorituskyky sekä myös materiaalinkäyttö.
Kappaleen valmistus perustuu sykliseen prosessiin, jossa kappaleet valmistetaan kolmiulotteiseksi kerros kerrokselta jauhemaisesta lähtömateriaalista. Ensin jauheenlevitin levittää metallijauhetta tasaiseksi kerrokseksi, jonka paksuus määritellään tulostusparametreissa. Metallijauhe sulatetaan tehokkaalla lasersäteellä juuri halutusta kohdasta tiedoston määrittelemän kerroksen mukaisesti. Lasersäteen energia imeytyy metallijauheeseen ja saa metallijauheen sulamaan. Tavoitteena on, että jauhe sulaa riittävän isolta alueelta eikä kerrosten väliin jää tyhjää tilaa. Tuloksena on sulametallurginen sidos, jonka ansiosta rakenteesta muodostuu tiivis, ilman huokoisuutta oleva rakenne. Tulostusta seuratessa tämä tapahtuu silmänräpäyksessä ja näkyy vain kipinöintiä. Kun kerros on valmis, alustaa lasketaan alaspäin ja sykli alkaa alusta. Kuvaus SLM-menetelmästä on kuvassa 1. Metallin hapettumisen ja jauheen reagoinnin estämiseksi kammio on suojakaasussa tulostusprosessin ajan. Metallijauheista tulostettava rakenne tarvitsee lähes aina myös tukirakenteita, sillä jauhe ei pääosin tue valmistettavaa rakennetta riittävästi tietyissä rakenteen osissa, joten tulostukseen lisätään tarvittavat tukirakenteet ja määritellään halutut tulostusparametrit, kuten kappaleen orientaatio alustalla. Tukirakenteella on myös erittäin tärkeä rooli lämmön hallinnassa tulostustapahtumassa. Tukirakenne huolehtii lämmön jaukautumisesta tulostettavassa kappaleessa sekä johtaa lämpöä hallitusti tulostettavasta kappaleesta tulostusalustaan. (Operating manual 2015, 43).
Kuva 1 SLM-menetelmän kuvaus
3D-tulostetut metallinäytteet
SLM-tekniikalla 3D-tulostettavat metallimateriaalit ovat aina jauheita. Yleisesti ottaen kaikista metallimateriaaleista, joita voi hitsata huoneen lämpötilassa, voidaan valmistaa tuotteita SLM-tekniikalla. Yleensä jauheet hankitaan laitetoimittajien kautta, sillä laitevalmistajat ovat testanneet erilaisten jauhemateriaalien toimivuutta ja usein antavatkin jauheiden mukana myös prosessiparametrit 3D-tulostusta varten. Valmistettava kappale, käyttöolosuhteet ja niiden tuomat ehdot asettavat lopulliset vaatimukset käytettävälle materiaalille.
Tutkimuksen materiaali oli korroosion- ja haponkestävä austeniittinen ruostumaton teräs AISI 316L (EN 1.4404), joka on hyvin yleisesti 3D-tulostuksessa käytetty materiaali. Teräksen erinomainen korroosionkesto, muokattavuus ja hyvät sitkeysominaisuudet tekevät materiaalista sopivan erilaisiin käyttökohteisiin. Materiaalitoimittajan SLM Solutionsin analyysin mukaan jauheen muoto oli pyöreää ja partikkelikokojakauma välillä 10 – 45 μm.
Tavoitteena oli selvittää, minkälaisia ominaisuuksia mikrorakenteessa ja kovuudessa saavutetaan tulostuslaitteen käytössä olevilla prosessiparametreilla. Parametreja on lukuisia ja niissä määritellään mm. laserin skannausnopeus, skannausviivojen etäisyys toisistaan ja levitettävän jauheen kerrospaksuus. Lisäksi mielenkiinnon kohteena oli sen merkitys, missä tutkittava kappale sijaitsee alustalla. Kuvasta 2 ilmenee, miten kappaleet olivat sijoittuneet kammioon ja alustalle.
Kuva 2 Tutkittavien kappaleiden sijoittuminen kammioon ja alustalle
Mikrorakennetutkimus kuuluu oleellisena osana materiaalien tutkimiseen ja kehitystyöhön. Jotta materiaalia voidaan tarkastella mikroskoopilla, kappaleesta irrotetaan pala näytettä varten, jota hiotaan kunnes saadaan mahdollisimman tasainen pinta. Tällöin puhutaan hieen tekemisestä. Mikrorakenteen tutkimista varten valmistettiin kaksi hiettä eri puolille tulostusalustaa sijoittuneista kappaleista. Mikroskooppitutkimuksissa havaittiin, että molemmissa oli mustia kohtia, jotka selvästi keskittyivät ulkoreunoihin tai tietyn suunnan mukaisesti pinnalle. Tarkemmassa mikroskooppitarkastelussa pystyttiin tällainen musta kohta määrittelemään kuopaksi eli huokoiseksi. Oli myös selvästi nähtävissä ero kappaleiden 0103 ja 0503 välillä, mikä nähdään kuvassa 3. Lähellä argonin syöttöä olevan hieen 0503 rakenteessa oli pienempi huokoisuus, mikä osoitti, että kappaleen sijoittumisella alustalle voi olla vaikutusta mikrorakenteeseen.
Enemmän huokoisuutta sisältänyt hie 0103 syövytettiin ja rakenteessa havaittiin sekä soikeaa että kerroksellista rakennetta. Oli myös mahdollista nähdä pienempinä sektoreina dendriittirakennetta eli austeniitin kiteytyminen oli tapahtunut haaroittuneena, mikä näyttää vähän puumaiselta. Soikeaa rakennetta näkyy kuvassa 4. Tällainen rakenne on tyypillistä 3D-tulostetuille metalleille, koska prosessissa laserin vaikutusaika on lyhyt ja sulan jäähtyminen tapahtuu nopeasti (Yusuf ym. 2017). Mikrorakennetarkasteluissa huokoisuuden keskittyminen erityisesti ulkopinnalle on havaittu aiemmissakin tutkimuksissa, joissa johtopäätöksenä oli, että huokoiset olivat sijoittuneet kohtaan, jossa laserilla on jonkinasteinen päällekkäisyys johtuen valitusta skannausmenetelmästä (Jokinen & Riipinen 2016, 6). Kohteissa, jossa kappaleen pintaominaisuudet nousevat kriittiseksi tekijäksi esim. korroosionkestävyyden kannalta, tällainen lopputulos ei ole toivottavaa.
Kuva 3 Näytteiden ulkoreunat ja sisäpintaa
Kuva 4 Mikrorakenteessa soikeaa rakennetta kahdella eri suurennoksella
Kovuuden mittaus on tärkeää materiaalitutkimuksessa, sillä kovuus kertoo materiaalin kyvystä vastustaa esim. naarmuuntumista ja kulumista. Kovuutta mitataan useilla eri tavoilla, joissa yleensä kappaleen pintaan painetaan painokärki ja voima pidetään jonkun ajan, minkä jälkeen painuman syvyys tai koko mitataan. Näytteiden mittaamiseen valittiin menetelmäksi Rockwell B -kovuus (HRB), jossa painokärkenä käytetään teräskuulaa. Kovuudet mitattiin jokaisen kappaleen kaikilta pinnoilta, jotta havaittaisiin, onko kovuuksissa eroa kappaleen eri pintojen välillä. Kun kovuuksista laskettiin keskiarvot, voitiin todeta ettei kovuusarvoissa ollut merkittäviä eroja. Tulokset ovat taulukossa 1. Kovuusarvot myös vastasivat materiaalivalmistajan antamia arvoja (SLM Metal Powder 2017). Tuloksissa herätti huomiota kovuusarvojen suuri vaihtelu samassa kappaleessa. Tällä tavoin tarkasteltuna pienin hajonta pintojen välillä saatiin 0503-näytteellä, joka on siis lähimpänä argonvirtausta.
Taulukko 1 Kappaleiden Rockwell B -kovuudet
Yhteenveto
3D-tulostus elää vahvaa ”hypetysvaihetta”, mutta toisaalta ero odotusten ja todellisuuden välillä voi olla suurikin. Metallien 3D-tulostus ei ole valmistusmenetelmänä pelkkää napin painallusta, vaan sisältää merkittävässä määrin tarkkaa kappaleiden ja tulostuksen suunnittelua ja myös käsityötä jälkikäsittelyvaiheessa. Voidaan todeta, että tulostusparametrien hallinnalla on todella merkittävä vaikutus tulostettavien kappaleiden laatuun. Optimaalisten parametrien määrittäminen eri materiaaleille ja mahdollisesti erilaisille kappaleillekin on tärkeä vaihe tulostuksen suunnittelussa, koska se suurimmalta osin ratkaisee lopputuotteen laadukkuuden. Erilaisiin parametreihin ja niiden optimointiin olisi perehdyttävä, jotta tuotteen laadukkuus taataan. Tällainen tutkimusmenetelmä on hidasta, mutta se on lähes välttämätöntä, jotta parametrien optimointi ja sitä kautta kappaleiden materiaalien optimointi onnistuu. Artikkelissa esitellyt tulokset ovat vasta aivan alustavia ja tutkimuksia jatketaan. Tulevaisuudessa varsinaisen tuotteen valmistamisen yhteydessä voidaan samalla valmistaa myös esim. testinapit, joista mitataan tulostuskohtaisesti kovuudet ja analysoidaan materiaalin mikrorakenne. Samalla kehitetään 3D-tulostuksen laatujärjestelmääkin.
Lähteet
Jokinen A. & Riipinen T. 2016. Lisäävän valmistuksen keskeiset materiaalit ja niiden ominaisuudet. Tutkimusraportti VTT-R-03997-16. VTT.
Operating manual Selective Laser Melting System SLMÒ125HL. 2015. SLM Solutions GmbH.
SFS-EN ISO/ASTM 52900:2017. Materiaali lisäävävalmistus. Yleiset periaatteet. Terminologia. 24.2.2017. Suomen Standardisoimisliitto SFS ry. SFS Verkkokauppa.
SLM Metal Powder. Luettu 1.6.2017. https://slm-solutions.com/products/accessories-and-consumables/slm-metal-powder
Yusuf S. M., Chen Y., Boardman R., Yang S. & Gao N. 2017. Investigation on Porosity and Microhardness of 316L Stainless Steel Fabricated by Selective Laser Melting. Metals, 7 (64).
Kirjoittajat
Mari Tanttari, konetekniikan opiskelija, Teollisuusteknologia, TAMK
Harri Laaksonen, konetekniikan lehtori, Teollisuusteknologia, TAMK
Kommentit