Materiaalikehitys 3D-tulostustekniikassa

Koko 3D-tulostuksen valmistusketju lähtee liikkeelle tarpeesta, johon pyritään vastaamaan valmistamalla ennalta asetetut kriteerit täyttävä tuote. Vaaditut kriteerit riippuvat sovelluksesta, mutta ne voivat...

Koko 3D-tulostuksen valmistusketju lähtee liikkeelle tarpeesta, johon pyritään vastaamaan valmistamalla ennalta asetetut kriteerit täyttävä tuote. Vaaditut kriteerit riippuvat sovelluksesta, mutta ne voivat liittyä esimerkiksi mekaaniseen lujuuteen, muotoon, sähkönjohtavuuteen ja moniin muihin tekijöihin. Tavoitteena on kuitenkin useimmiten valmistaa osa, jonka mekaaniset omaisuudet vastaisivat (tai ylittäisivät) perinteisille menetelmillä valmistettua kappaletta. Suunnitteluvaiheessa pyrimme määrittämään prosessiparametrit, joilla nämä alussa asetetut kriteerit saavutetaan. Materiaalikehityksen tukena hyödynnämme koesuunnittelun periaatteita (Design of Experiments, DoE), jossa tulostusprosessia optimoidaan kokeellisten tulostussarjojen ja tilastollisen analyysin avulla. Lasertulostuksen kohdalla prosessia voidaan tutkia muuttamalla suunnitelmallisesti prosessimuuttujia ja analysoimalla vaikutus lopputulokseen.
Jos esimerkiksi tavoitteena on minimoida huokoisuus tulostetuissa kappaleissa, se voidaan saavuttaa prosessiparametreja muuttamalla. Testisarjalle lasketaan parametrit, joilla etsitään optimaalista aluetta ennalta rajatusta parametriavaruudesta. Testisarjan näytteet tulostetaan (kuva 1), jonka jälkeen niiden huokoisuus määritetään kuva-analyysillä (kuva 2). Mitattujen huokoisuustulosten pohjalta luodaan funktio, joka kuvaa mahdollisimman luotettavasti hallittavien muuttujien vaikutusta prosessin vasteeseen, eli tässä tapauksessa huokoisuuteen (kuva 3).

Kuva 1. Parametrien optimointia varten tulostetut testinapit.
Kuva 2. Huokoisuuden määrittäminen mikroskooppikuvista kuva-analyysillä.
Kuva 3. Numeerisen mallin sovittaminen kokeesta mitattuun huokoisuusdataan.

Koesuunnittelun menetelmiä voidaan käyttää prosessin kehitykseen monella eri tavalla ja tutkittavia ominaisuuksia ei tarvitse rajata vain yhteen. Koesuunnittelun (DoE) etuna on se, että lähestymistapa mahdollistaa prosessin optimoinnin pienellä määrällä koetulostuksia. Menetelmällä voidaan tavoitella myös esimerkiksi parempaa pinnanlaatua tai kappaleen mittatarkkuutta. Oikein tehtynä koesuunnittelu tukee myös parempien simulointimallien kehittämistä, sillä kokeelliselta puolelta saatujen tulosten avulla voidaan parantaa laskentamallien luotettavuutta. VTT:llä olemme käyttäneet edellä kuvattua lähestymistapaa usean eri materiaalin kohdalla, joille olemme menestyksekkäästi onnistuneet määrittämään optimoidut parametrit. Lisätietoja: http://www.vtt.fi/inf/julkaisut/muut/2016/VTT-R-03997-16.pdf

Kirjoittaja

Tuomas Riipinen, M.Sc. Materials Science and Engineering, aloitti VTT:llä tammikuussa 2016 ja työnkuvaan kuuluu metallien 3D-tulostuksen materiaali- ja prosessikehitys.
X
X