Johdanto
Materiaalia lisäävässä valmistuksessa kappaleet valmistetaan suoraan 3D-tiedoston pohjalta kerros kerrokselta materiaalia lisäävällä laitteella. Käytettävien materiaalien kirjo on nykyään valtava: tulostaa voi polymeerimateriaaleja, metalleja, keraameja, elastomeerejä ja erilaisia biopohjaisia materiaaleja. 3D-teknologioiden käyttöönotossa valmistustekninen osaaminen sekä tuntemus käytettävien materiaalien ominaisuuksista ovat erittäin tärkeässä roolissa. Teknologioihin ja materiaaleihin liittyvässä tutkimus- ja kehittämistyössä kannattaa yhdistää voimavarat: oppilaitosten ja yritysten yhteistyönä voidaan saavuttaa todellinen teknologiaharppaus, jonka avulla 3D-teknologioiden käyttöönotto nopeutuu teollisuudessa merkittävästi. Tämä on ollut tavoitteena, kun Tampereen teknillinen yliopisto, Tampereen ammattikorkeakoulu ja Sastamalan koulutuskuntayhtymän oppilaitokset käynnistivät 3D Boosti -hankkeen vuonna 2015. Euroopan aluekehitysrahastosta (EAKR) rahoitusta saavassa hankkeessa luotu yritys-oppilaitosverkosto pyrkii tehostamaan uusien innovaatioiden syntymistä ja vastaamaan yritysten yksilöllisiin tarpeisiin 3D-tulostuksen alueella.
Polymeerien tulostusmenetelmät
Polymeerien tulostamiseksi on useita menetelmiä. Päämenetelmistä on useita laitevalmistajista riippuvia variaatioita. Menetelmät voivat perustua esimerkiksi sulatilaan saatetun kestomuovin pursotukseen. Tulostettavista kappaleista voidaan tehdä jäykempiä sekoittamalla lujitekuitua, esimerkiksi hiilikuitua materiaaliin. Kuitu voi olla kestomuovilankaan seostettuna lyhyen katkokuidun muodossa (Barnatt 2014, 43). Tulostettavaa rakennetta voidaan myös lujittaa jatkuvilla kuiduilla upottamalla kerrosten väliin hiili-, aramidi- tai lasikuituja (Markforged 2016). Useimmat kuluttajille suunnatut laitteet perustuvat sulan polymeerin pursotukseen. Teolliseen käyttöön on kuitenkin useita tarkempia, joskin kalliimpia, menetelmiä.
Stereolitografiaan perustuvassa menetelmässä pieneen pisteeseen kohdistettu ultraviolettisäde piirtää valokovettuvan hartsin pintaa, jolloin nestemäinen hartsi kovettuu kiinteäksi. Kun kerros on valmis, tulostusalusta laskeutuu alaspäin nestemäistä hartsia sisältävässä altaassa, jolloin kovetetun kerroksen päälle tulee uusi kerros hartsia. Kerroksia rakennetaan edellisten päälle, kunnes osa on valmis. Lopuksi kappale puhdistetaan mahdollisista hartsijäämistä ja tukimateriaalit poistetaan, jonka jälkeen kappale kovetetaan UV-uunissa. Menetelmä tarjoaa suuremman tarkkuuden ja tasaisemman pinnanlaadun kuin muovin pursotus. Sitä voidaan soveltaa paremmin pienille ja geometrialtaan monimutkaisemmille kappaleille. (Barnatt 2014, 52–55.)
PolyJet-memetelmää käytettäessä ruiskutetaan usealla eri suuttimella nestemäistä fotopolymeeriä, joka kovetetaan UV-valolla välittömästi. Kappaleeseen voidaan tulostaa erilaisia materiaaleja ja värejä yhdellä kertaa. Materiaaliyhdistelmien ja liukuvärien tulostaminen on myös mahdollista. PolyJet-menetelmä mahdollistaa hyvin monimutkaistenkin tuotteiden, tuotannon apuvälineiden ja prototyyppien valmistuksen. PolyJet‑menetelmän etuja ovat tulostuksen hyvä laatu, yksityiskohtien tarkkuus sekä monipuoliset materiaali- ja värimahdollisuudet. Lisäksi tulosteita ei tarvitse jälkikäsitellä tukimateriaalin poistoa lukuun ottamatta. Menetelmän rajoitteita ovat materiaalien kalleus ja fotopolymeerien vain kohtuulliset lujuusarvot. Lisäksi tukimateriaalin poistamisesta aiheutuu lisäkustannuksia. (Chua ym. 2010, 52–63; Stratasys 2015.)
Sideaineruiskutuksessa tulostettava kappale syntyy kerros kerrokselta jauheeseen, johon ruiskutetaan sideainetta. Tulostettaessa ei tarvita erillistä tukimateriaalia, sillä säiliössä oleva sideaineen ulkopuolelle jäänyt irtojauhe tukee rakennetta prosessin aikana. Sen sijaan jälkikäsittelyjä tarvitaan usein parantamaan kappaleiden ominaisuuksia. Käytettävien materiaalien ja värien kirjo on monipuolinen. (Barnatt 2014, 63–66.)
Jauhepetimenetelmää käytettäessä jauhetta sintrataan tai sulatetaan hyvin ohuina kerroksina joko laserilla tai elektronisuihkulla. Pöydälle tuodaan lisää jauhemateriaalia aina kun yksi kerros on valmis. Jauhe levitetään telan avulla tasaiseksi kerrokseksi, minkä jälkeen laser tai elektronisuihku sulattaa seuraavan kerroksen. Tätä prosessia toistetaan niin kauan, että kappale on valmis. Tässäkään menetelmässä ei välttämättä tarvita erillisiä tukirakenteita, koska ylimääräinen jauhe tukee valmistettavaa kappaletta. (Barnatt 2014, 70–77.) Muovimateriaaleina voidaan käyttää muun muassa polyamidia ja polykarbonaattia (Chua ym. 2010, 208). Kappaleita voidaan myös lujittaa hiilikuiduilla tulostuksen aikana (Barnatt 2014, 71). Edellä kuvatuista menetelmistä sideaineruiskutus ja jauhepetimenetelmä soveltuvat myös metalleille. Metallien tulostamisessa on kuitenkin kappaleen tuenta tärkeää jo lämmönhallinnankin takia.
Materiaalit
Tässä artikkelissa keskitytään PolyJet-menetelmässä käytettäviin materiaaleihin ja niiden testaamiseen. Materiaaliruiskutukseen perustuvassa PolyJet-menetelmässä voidaan käyttää monipuolisia materiaali- ja värivaihtoehtoja. Kaikki materiaalivaihtoehdot perustuvat nestemäisiin valoherkkiin fotopolymeereihin, jotka kovettuvat altistuessaan UV-säteilylle. 3D-tulostuksessa käytettäviin materiaaleihin on usein seostettu lisäaineita, kuten väriaineita sekä prosessointia ja polymeroitumisreaktiota edesauttavia kemikaaleja, kuten sidosaineita ja fotoinitiaattoreita.
PolyJet-menetelmä tarjoaa 22 perusmateriaalia, joita voidaan käyttää sellaisenaan tai seostaa toistensa kanssa ja näin saada erilaisia ominaisuuksien ja värisävyjen yhdistelmiä. (Stratasys 2015.) Materiaalit eroavat kemiallisesti teknisistä muoveista ja elastomeereista, kuten ABS:stä, polypropeenista tai kumista, joita teollisuudessa tyypillisesti käytetään, mutta ne jäljittelevät niiden mekaanisia, optisia ja lämpöteknisiä ominaisuuksia.
Tässä artikkelissa kuvattuja testejä varten tulostettiin seuraavia polymeerimateriaaleja: Digital ABS, VeroYellow ja VeroCyan -materiaaleja, kumimaista TangoPlus-materiaalia sekä näiden materiaalien sekoituksia.
Materiaalit eroavat kemiallisesti teknisistä muoveista ja elastomeereista, kuten ABS:stä, polypropeenista tai kumista, joita teollisuudessa tyypillisesti käytetään, mutta ne jäljittelevät niiden mekaanisia, optisia ja lämpöteknisiä ominaisuuksia.
Digital ABS on kahden eri materiaalin seos, joiden seossuhteita voidaan muuttaa valmistajan antamissa rajoissa. Digital ABS on suunniteltu jäljittelemään teknisissä käyttökohteissa käytettäviä standardilaatuisia ABS-muovimateriaaleja. Materiaalit kestävät suhteellisen korkeita käyttölämpötiloja, ja niiden iskusitkeys on hyvä. Digital ABS perustuu akryyliyhdisteiden kemiaan, mutta tarkempi koostumus on liikesalaisuus, jota ei ole julkaistu (Käyttöturvallisuustiedote 2016a).
VeroYellow ja VeroCyan –materiaalit ovat puolestaan digitaalisia materiaaleja, joita voidaan yhdistää toisiinsa eri suhteissa. Yhdistelemällä voidaan saavuttaa erilaisia tavanomaisia muoveja jäljitteleviä tulostettavia materiaaleja. VeroYellow ja VeroCyan ovat läpinäkymättömiä jäykkiä värillisiä materiaaleja. Tarjolla on myös kumimaisia materiaaleja, kuten musta TangoBlack ja läpinäkyvä TangoPlus, joita voidaan myös yhdistää muihin materiaaleihin erilaisten mekaanisten ominaisuuksien, kuten joustavuuden tai erilaisten värisävyjen, saavuttamiseksi. (Stratasys 2016.) Myös kumimaiset materiaalit ovat akryyliformulaatioita (Käyttöturvallisuustiedote 2016b).
Materiaalitestaus
Testisauvat tulostettiin TAMKissa sijaitsevalla Stratasysin Objet 350 Connex 3 -laitteella. Kaikki sauvat tulostettiin siten, että niiden pituusakseli oli tulostimen X-akselin suunnassa. Ennen testejä jokaisen sauvan pituusmitat tarkistettiin, sillä mitat voivat hieman poiketa asetusarvoista tulostuksen jälkeen. Poikkeama riippuu materiaalista. Esimerkiksi pehmeillä kumimaisilla materiaaleilla poikkeama on suurempi kuin jäykillä materiaaleilla.
Sauvoille tehtiin erilaisia materiaalitestejä: kovuuskoe, vetokoe ja taivutuskoe. Näiden kokeiden tekeminen jatkuu edelleen, sillä erilaisten tekijöiden ja parametrien vaikutusta tulostettavien kappaleiden ominaisuuksiin halutaan selvittää tarkemmin.
Kovuuskokeet tehtiin Shore-standardin mukaisesti. Shore A on kovuuskoe, joka on tarkoitettu erityisesti elastomeereille ja muille pehmeille materiaaleille. Shore D puolestaan soveltuu kovemmille muoveille. Kovuus voidaan määrittää materiaalin kykynä vastustaa siihen tunkeutuvaa esinettä, naarmuuntumista, kulumista tai leikkaamista.
Taivutuskoe tehtiin kolmipistetaivutuksena siten, että sauvan tukipisteiden väli oli noin 64 mm. Taivutusnopeutena käytettiin näissä testeissä 20 mm/min. Taivutuskoe tehtiin samalla vetokoneella kuin vetokokeetkin, mutta koneeseen asennettiin testiä varten kolmipistetaivutustyökalut.
Vetokokeita käytetään materiaalien lujuuden, sitkeyden ja jäykkyyden määrittämisen ja testaamiseen. Vetokokeessa venytetään standardin mukaista koesauvaa vakionopeudella ja mitataan venytystä vastustavaa voimaa. Kokeen tuloksena saadaan voima-siirtymäkäyrä, josta voidaan laskea materiaalin jännitys-venymäkäyrä.
Alustavia tuloksia
Materiaalikokeilla on haluttu verifioida ja tarkentaa materiaalivalmistajan antamia arvoja. Esimerkiksi valmistajan vetolujuudelle antama skaala on suhteellisen laaja ja viitteellinen. Kokeissa on ollut tarkoitus myös selvittää eri tekijöiden vaikutusta tulostettujen kappaleiden ominaisuuksiin. Yksi selvitettävä tekijä on optinen pinnan laatu (matta/kirkas). Toinen tekijä on tulostettujen testikappaleiden säilytysolosuhteet: toiset sauvat on säilytetty tulostuksen jälkeen pimeässä, toiset alttiina ulkoa tulevalle valolle ja UV-säteilylle. Testeillä on haluttu myös selvittää, vaikuttaako aika eli tulostettujen kappaleiden ikääntyminen niiden ominaisuuksiin.
Tulosteiden alapuoli ja ns. ”tyhjän päällä” olevat kohdat tulostuvat mattana. Tulosteiden yläpinnat sen sijaan voidaan määrittää joko kiiltäviksi tai mataksi; mattapinta muodostetaan ruiskuttamalla tukiainekerros myös yläpinnoille. Alustavat tulokset VeroYellow ja VeroCyan -materiaaleilla ovat osoittaneet, että matan ja kiiltävän pinnan välillä on eroa esimerkiksi mittatarkkuuden kannalta. Mattapinnoilla on saatu mitatun ja nimellismitan eroksi jopa 0,4–0,5 mm. Kiiltävillä pinnoilla mitatun ja nimellismitan ero on jäänyt alle 0,1 mm:iin. Lisäksi matan kappaleen reunat ovat pyöristyneemmät. Tämän perusteella kannattaa suosia kiiltäviä pintoja, mikäli terävät reunat ja mittatarkkuus ovat tärkeitä tulosteen käytön kannalta.
Alustavat taivutuskokeet osoittavat, että taivutuslujuus kasvaa ja materiaali jäykistyy tulostetun testisauvan ikääntyessä. Taipuma vastaavasti pienenee. Näissä testeissä ikääntyneet testisauvat olivat noin 5 kuukautta vanhoja. Jatkossa tulisi tehdä suurempi koesarja, jonka avulla voisi seurata tarkemmin tulostettujen sauvojen taivutus- ja vetolujuuksia ajan funktiona.
Pimeässä ja valossa säilytettyjen testisauvojen välillä ei ole toistaiseksi huomattu merkittävää eroa Shore A -kovuuksien suhteen (säilytysaika 120 vuorokautta). Näitä testejä on tehty erilaisille sekoitteille, jotka on tehty läpinäkyvästä kumimaisesta TangoPlus-materiaalista ja kovasta keltaisesta VeroYellow-materiaalista.
Kuva 1 Digital ABS –materiaalista tulostettuja testisauvoja (kuva: Jani Katajisto)
Kumimaisille seoksille (TangoPlus ja Digital ABS) on tehty myös vetokokeita käyttäen kahta eri vetonopeutta: 5 mm/minuutissa ja 15 mm/minuutissa. Trendi on selvä ja ennalta-arvattu: mitä taipuisampi ja pehmeämpi käytetty seos on, sen pienempi vetolujuusarvo saavutetaan. Samalla venymä kasvaa. Vetonopeuden kasvaessa saavutetaan järjestelmällisesti suurempia vetolujuuden arvoja venymän pysyessä kuitenkin samassa suuruusluokassa tai ollen jopa hieman suurempi kuin pienemmällä vetonopeudella vedettäessä. Perinteistä tehdasvalmisteista polypropeenisauvaa vedettäessä venymä puolestaan pienenee huomattavasti, kun vetonopeus kasvaa. Polypropeeni myös kuroutuu, kun taas tulostettujen sauvojen leikkauspinta on lähes viivasuora eikä kuroumaa ole silminnähden havaittavissa. Vetokokeita tulee tehdä enemmän materiaalien käyttäytymisen tutkimiseksi.
Yhteenveto
3D-teknologioiden hyödyntämisessä valmistustekninen osaaminen sekä tieto materiaalien käyttäytymisestä ovat tärkeissä rooleissa. Tässä artikkelissa on kuvattu polymeerimateriaalien tulostamista sekä erityisesti PolyJet-menetelmässä käytettäviä monipuolisia polymeerimateriaaleja ja niiden testaamista. Alustavat testitulokset ovat mielenkiintoisia, ja ne kannustavat jatkamaan systemaattista materiaalitestausta. Erilaisten tekijöiden, kuten tulostettujen kappaleiden säilytysolosuhteiden ja ikääntymisen vaikutusta mekaanisiin ominaisuuksiin on syytä selvittää edelleen.
Lähteet
Barnatt, C. 2014. 3D Printing. ExplainingTheFuture.com.
Chua, C.K., Leong, K.F. & Lim, C.S. 2010. Rapid Prototyping: Principles and Applications. Singapore: World Scientific Publishing Co.Pte.Ltd.
Käyttöturvallisuustiedote. 2016a. SDS-06152. Stratasys.
Käyttöturvallisuustiedote. 2016b. SDS-06149. Stratasys
Markforged. 2016. High Strength 3D Printing with Continuous Carbon Fiber. Luettu 22.11.2016. https://markforged.com/
Stratasys. 2015. PolyJet Materials. A RANGE OF POSSIBILITIES. Luettu 28.11.2016. http://www.stratasys.com/resources/white-papers
Stratasys. 2016. 3D Printing Materials. Luettu 22.11.2016. http://www.stratasys.com/materials
Kirjoittajat
Anne Cumini, konetekniikan lehtori, Teollisuusteknologia, TAMK
Jani Katajisto, konetekniikan laboratorioinsinööri, Teollisuusteknologia, TAMK
Kuvituskuva: Joel Forsman
Kommentit