Metallin 3D-tulostus perustuu suunnittelulle

Suunnittelun rooli on metallin lisäävässä valmistuksessa erittäin merkittävä. Hyvä suunnittelu näkyy paitsi kappaleen toteutettavuudessa myös saavutetuissa kustannussäästöissä. Metallin lisäävä valmistus asettaa myös omanlaiset tekniset reunaehtonsa kappaleiden valmistamiselle. Kun nämä reunaehdot otetaan jo suunnitteluvaiheessa huomioon ja kun niiden sisällä osataan liikkua oikealla tavalla, varmistutaan siitä, että 3D-tulostettava kappale on

a) mahdollista toteuttaa
b) sekä metallurgiselta laadultaan että pinnanlaadultaan sellainen kuin pitää.

Suunnittelulla on myös oma huomattava roolinsa metallin lisäävän valmistuksen kustannusten hillitsemisessä. Kustannussäästöjä saavutetaan suunnitteluvaiheessa ainakin kahdella tapaa: valmistuksessa käytettävän materiaalin määrää optimoimalla ja tukirakenteista johtuva jälkityö minimoimalla.

Materiaalin määrän kautta saavutettavien säästöjen perimmäiset syyt on varmastikin helppo ymmärtää – mitä vähemmän materiaalia käytetään kappaleen valmistamiseen, sitä vähemmän materiaalia ensinnäkin kuluu ja toisekseen sitä pienempi on vaadittava koneaika eli sitä vähemmän aikaa kappaleen valmistaminen kestää.

Tukirakenteiden sijoittelun vaikutukset kustannuksiin tarvitsevat luultavasti hiukan enemmän avaamista. Tässä kohtaa on hyvä ymmärtää, että tukirakenteita käytetään 3D-tulostettavan kappaleen valmistusprosessissa varmistamaan, että kappaleesta saadaan muodoltaan ja laadultaan halutunlainen. Tukirakenteiden ongelma on kuitenkin siinä, että niiden poistaminen jälkikäteen lisää kappaleen jälkityöstöön kuluvaa aikaa ja siis toisin sanoen kappaleen valmistuskustannuksia. Suunnittelupöydällä tukirakenteiden sijoittelua viilaamalla ja niiden määrä minimoimalla voidaan siis suoraan vaikuttaa kappaleen hintaan.

On tietenkin olemassa myös sellaisia poikkeuksia, että kappale voidaan suunnitella valmistettavaksi kokonaan ilman tukirakenteita, ja tämä on kustannusten näkökulmasta luonnollisesti se paras vaihtoehto, johon suunnittelussa aina ensisijaisesti pyritään. Hyvin usein kappaleen valmistamisessa kuitenkin tarvitaan tukirakenteita. Silloinkin pyritään lähtökohtaisesti suunnittelemaan valmistus siten, että tukirakenteet jäisivät kappaleen sisään, jolloin niiden poistamisesta ei itse asiassa koidu minkäänlaisia jälkitöitä. Jos tämäkään ei ole mahdollista, niin vasta siinä vaiheessa tukirakenteet jätetään kappaleen ulkopuolelle ja ne poistetaan valmiista kappaleesta esimerkiksi koneistamalla.

Metallin lisäävän valmistuksen suunnitteluvaiheen perimmäinen tavoite on varmistaa onnistunut tulostusprosessi. Suunnittelussa lähdetään liikkeelle 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelusäännöistä. Huomioitavia suunnittelusääntöjä on useita; alan yleiset säännöt (esim. valmistusystävällinen suunnittelu ja 3D-tulostusystävällinen suunnittelu) asettavat suunnittelulle omat reunaehtonsa, joita tekniikka- ja laitteistokohtaiset suunnittelusäännöt (tietynlaisten geometrioiden toteuttaminen saattaa olla laitekohtaista) vielä tarkentavat.

Myös tukirakenteiden sijoittelun vaatimukset tulee huomioida suunnittelussa. Kuten edellä todettiin, tukirakenteiden määrän minimointi on yksi metallin lisäävän valmistuksen suunnitteluvaiheen keskeisimmistä tavoitteista. Tukirakenteet nimensä mukaisesti tukevat tulostusprosessin aikana valmistettavaa kappaletta pysymään paikallaan. Nyrkkisääntönä voidaan pitää, että jos valmistettavan kappaleen muotojen kasvatuskulma on alle 45 astetta, tarvitaan kappaleen valmistuksessa tukirakenteita. Varsinaisen tukemisen lisäksi tukirakenteet toimivat myös lämmönjohtimina eli niiden avulla estetään kappaletta ylikuumenemasta tulostusprosessin aikana. Jos tukirakenteita vaativa kappale valmistetaan ilman tukirakenteita, heikkenee 3D-tulostettavan kappaleen laatu huomattavasti – vaikutukset näkyvät esimerkiksi vääntyneinä muotoina ja epätasaisena pinnanlaatuna.

Metallin lisäävän valmistuksen suunnitteluvaihe alkaa usein siitä, että yritys toimittaa 3D-tulostinpalveluja tarjoavalle yritykselle piirustukset valmistettavasta kappaleesta. Käytännössä suunnittelijan täytyy tämän jälkeen ikään kuin kääntää kertaalleen suunniteltu kappale 3D-tulostettavaan muotoon.

Ennen valmistusvaihetta suunnittelupöydällä on määritettävä:

a) asento, jossa kappale kannattaa 3D-tulostaa
b) kappaleen valmistuksessa tarvittavien tukirakenteiden ja lämmönjohtimien määrä sekä sijainnit
c) millaiset geometriat ovat kyseisen kappaleen kohdalla mahdollisia toteuttaa.

Jos tässä vaiheessa vielä huomataan kappaleen rakenteessa asioita, joita kannattaisi esim. kustannussäästöjen, valmistusprosessin tasapainoisuuden tai kappaleen toiminnallisuuden nimissä muuttaa, on suunnittelija (ainakin meidän tapauksessamme) yhteydessä asiakkaaseen ja esittää muutosehdotuksensa. Ideaalitilanteessa lisäävän valmistuksen asiantuntija otettaisiin mukaan jo aiemmassa vaiheessa, jolloin kappale pystytään suunnittelemaan jo lähtökohtaisesti lisäävän valmistuksen mahdollisuudet huomioiden – mikä nostaisi selvästi lisäävän valmistuksen kustannustehokkuutta.

Ennen valmistuksen aloittamista suunnittelun lopputuloksena saatu 3D-malli pyöritetään vielä erilaisten simulaatio-ohjelmien läpi. Simulointien avulla varmistetaan, että valmistettavan kappaleen ominaisuudet (esim. materiaalimäärä, jäykkyys ja virtaavuus) on optimoitu ja lämpöelementit pysyvät hallinnassa valmistuksen ajan. Pelkästään lämpösimuloinnin tekemiseen on tarjolla eri ohjelmistoja, joilla voidaan nähdä miten kappale ns. elää tuotannon aikana ja miten esimerkiksi lämmöstä johtuvaa taipumista voidaan kompensoida. Koko suunnitteluvaiheen kesto riippuu kappaleesta ja siitä, missä vaiheessa lisäävän valmistuksen asiantuntija astuu mukaan kuvioihin. Meillä 3D Formtechillä metallikappaleiden toimitusaika on n. 3–10 päivää ja tuosta ajasta suunnilleen yksi päivä kuluu suunnittelutyön tekemiseen.

Kaiken edellä kerrotun valossa voidaan hyvällä syyllä todeta, että onnistunut ja kustannustehokas metallin lisäävä valmistus on hyvin vahvasti sidoksissa huolella ja ns. protokollan mukaisesti toteutettuun suunnitteluvaiheeseen.

On myös selvää, että metallin lisäävän valmistuksen suunnitteluvaiheessa on hyvin paljon erilaisia huomioitavia asioita ja onnistunut suunnittelu vaatii asiantuntijaosaamisen lisäksi investointeja suunnittelua tukeviin ohjelmistoihin. Tämän vuoksi metallin lisäävän valmistuksen suunnittelussa kannattaa luottaa vain alan ammattilaisiin, joilla on kokemusta toimivien, kestävien ja laadukkaiden 3D-kappaleiden valmistamisesta. Metallin lisäävää valmistusta käsittelevän blogisarjamme seuraavassa osassa vertailemme lisäävän valmistuksen ja koneistamisen ominaisuuksia metallikappaleiden valmistamisessa.

—

Lue blogisarjan muut osat:

Osa 1: Metallin lisäävä valmistus – uusi blogisarja alkaa!
Osa 2: Millaisia vaatimuksia teollisuustasoinen metallin 3D-tulostus asettaa laitteistolle ja tuotannon laadulle?
Osa 4: Valmistusmenetelmät vertailussa: 3D-tulostus ja koneistus metallikappaleiden valmistamisessa
Osa 5: Metallin lisäävän valmistuksen materiaalivaihtoehdot esittelyssä
Osa 6: Kiinnostaako metallin 3D-tulostaminen? Näin pääset alkuun