Ensikokemukset teollisuuden ja tutkimuksen rajapinnasta: Suunnitteluhaasteet hyvin hanskassa, materiaaliteknisiä haasteita edessä

Aloittaessani työt Välkky projektissa syyskuussa 2016 olin sitä mieltä, että suunnittelutietämyksen lisääminen on yksi tärkeimmistä osa-alueista 3D-tulostuksen kehittämisessä. Osaksi taustalla oli se, että olin itse tehnyt joitakin 3DP projekteja metallista ja vielä useampia muovista. Omat kokemukseni suunnittelun onnistumisesta eivät olleet erityisen mairittelevia, osittain käytössäni olleiden olevien ohjeiden ja työkalujen vaatimattoman tason johdosta. Osaksi varmasti se, että olen aiemmin työskennellyt sekä suunnittelupäällikön että suunnittelijan rooleissa. Tämä varmasti suuntasi huomioni tähän alueeseen.

Kuluneiden kuukausien aikana olen kuitenkin joutunut arvioimaan mielipidettäni uusiksi. Tähän ovat vaikuttaneet mm. 3DStep tapahtumassa Tampereella lokakuussa ja NAFEMS seminaarissa Helsingissä marraskuussa 2016 pidetyt esitykset ja kommenttien kuunteleminen Välkyn ensimmäisessä työpajassa. Myös tutustuminen PTC:n, Autodeskin ja 3DS:n (Dassaultin) tuotetarjontaan on avartanut asiaa.

Tällä hetkellä useiden tahojen tarjoamat työkalut suunnittelua varten ovat on erittäin korkealla tasolla ja mahdollistavat hyvien 3D mallien tekemisen. Työkaluissa ja niiden yhteiskäytössä on varmasti vielä kehittämistä, mutta topologien optimointi alkaa olla jo rutinoitumassa. Myös muita työkaluja erilaisten näkökulmien optimoimiseen on saatavilla. Näistä mainittakoon vain nestaus ja muodonmuutosten kompensointi. 3D-CAD järjestelmissä on vielä kehittämisen varaa suunnittelijoita ajatellen, mutta esim. VTT:n julkaisemat ohjeet SLM menetelmää varten ovat huima askel eteenpäin heidän kannaltaan. Seuraavissa ohjelmistoversioissa alkaa olla jo työkaluja, jotka tukevat eri laitteiden kammioiden muodon ja tulostussuunnan huomioimista. Tätä tarjotaan jo muovitulosteiden puolella.

Se missä tällä hetkellä tuntuu olevan suurin pula tiedosta, on riittävän kattavan ja uskottavan tiedon saaminen materiaalien ominaisuuksista eri parametreillä ja laitteilla tulostettaessa. Suunnittelijan voi olla hankala mitoittaa mitään vaativaa rakennetta niin pitkään kuin materiaalitietämys ei ole sillä tasolla, että materiaalin tiedot voi hakea taulukkokirjasta. Tällä hetkellä materiaalin ominaisuudet ovat suurin piirtein tiedetyllä tasolla, mutta esimerkiksi murtovenymä on vielä varsin kaukana muissa muodoissa esitetyistä. Ei mikään hyvä lähtökohta mitoitettaessa kuormaa kantavaa tai väsymisen alaista rakennetta.

SMACC materiaalipankkiin lisätty tiedosto ”Lisäävän valmistuksen keskeiset materiaalit ja niiden ominaisuudet” antaa kuvan siitä miten haastava tilanne on. Alla oleva kuvan materiaaliarvot kertovat melkoisesta hajonnasta menetelmien ja laitteiden välillä, sekä myös vahvasta anisotropiasta.

valkky-blogi-kuva-1

Ainakin itselläni oli alussa kuvitelma, että metallitulosteet muistuttaisivat tanko- tai levyrakenteita. Niissä materiaaliominaisuudet ovat hyvin hallinnassa, varmastikin isojen eräkokojen takia. 3D tulostuksessa tilanne muistuttaa kuitenkin kovasti työskentelyä valujen kanssa. Useimmissa valumateriaaleissa materiaaliominaisuuksien jakauma on varsin laaja. Lisäksi valetun kappaleen muoto, mm. seinämäpaksuuksien kautta, sanelee varsin paljon sitä, mitkä ovat lopputuotteen suoritusarvot.

Nämä kokemukset ovatkin saaneet itseni miettimään, että materiaalitutkimus tällä alalla on äärimmäisen tärkeä osa tekemistä. Vain sitä kautta saadaan uskottavia suoritusarvoja eri valmistusparametri- ja materiaaliyhdistelmille. Tätä tulevat tukemaan myös materiaalisimulointityökalut, joilla voidaan ennustaa kappaleen tulostettavuus ennen ensimmäistä tulostetta. Valuanalogia toimii tässäkin: jo 90-luvulla oli käytössä varsin näppäriä työkaluja, joilla suunnittelija saattoi tarkistaa valun täyttymisen ja jähmettymisprosessin. Taustalla oli halu suunnitella valu siten, että jo ensimmäinen valu tuottaa halutun tuotteen.

Puuttuvan materiaalitiedon lisäksi toinen haaste on tiedon siirtäminen eri valmistajien tulostimien välillä. Jopa saman valmistajan muissa malleissa ei voi olla aivan varma, että valitut parametrit toimivat samalla tavalla ja tuote on samanlainen. Tiedossa on siis mielenkiintoisia aikoja ja kestää varmasti aikansa ennen kuin tietoa materiaaleista on kertynyt riittävästi, että teollinen toistettavuus on taattu nappia painamalla. Tämä tarkoittaa myös sitä, että asiantuntijoille on tarjolla runsaasti tekemistä, sillä automaation astetta ei voi määräänsä nopeammin nostaa.

Kirjoittaja

Mika Haapalainen, M.Sc. Materials Engineering, aloitti uransa teollisuudessa 1998. Mika siirtyi VTT:lle syyskuussa 2016. Teollisuudessa Mikan tehtävät ovat olleet pitkälti tuotekehitys- ja suunnittelupainotteisia, skaalan ulottuessa uusien tuotteiden asiakastarpeiden määrittämisestä asiakastoimituksiin asti. Roolit ovat vaihdelleet suunnittelijasta tuotekehitysosaston vetämiseen. Mikaa kiinnostaa 3D tulostamisen ja tuotekehityksen digitalisoinnin lisäksi organisaatioiden välisen kommunikaation parantaminen, erityisesti teollisuuden ja tutkimuksen välillä.
X
X