3D-tulostus

Tulostuksen maailma on ottanut valtavan harppauksen eteenpäin 3D-tulostuksen kehityksen myötä. 3D-tulostusprosessi on virstanpylväs, jolla on suuri merkitys monille yrityksille. Kaikki varaosien, pienten sarjojen tai jopa prototyyppien toimittajat tai valmistajat voivat valmistaa ne nopeammin ja helpommin, joten 3D-tulostusprosessi on nopeuttanut ja yksinkertaistanut yrityksen prosesseja valtavasti. Print24:stä saat selville, mitä 3D-tulostus tarkoittaa, missä sen alkuperä on, mitä erilaisia prosesseja on saatavilla ja mitä hyötyä niistä on!

3D-tulostuksen määritelmä

3D-tulostusta kutsutaan myös additiiviseksi tai generatiiviseksi valmistukseksi. Tämän valmistusprosessin ideana on muuttaa numeerinen malli kolmiulotteiseksi malliksi. Lisäksi se kuuluu urformoituviin valmistusprosesseihin, mikä tarkoittaa, että muodottomasta valmistetaan kiinteä kappale. Rungolla on geometrisesti määritelty muoto. Yhteenvetona voidaan todeta, että 3D-tulostus on fyysisten objektien luomista digitaalisista tiedostoista. Digitaaliset tiedot tuotetaan CAD-mallinnuksella, 3D-skannereilla tai 3D-mallinnuksella, mutta 3D-tulostin ei pysty lukemaan sitä suoraan. Tämä puolestaan vaatii ohjelmiston, joka kääntää geometrisen muodon tulostimen konekielelle G-koodin kautta". Ohjelmistoa kutsutaan "sliceriksi", joka jakaa 3D-objektin yksittäisiin kerroksiin. Tämän jälkeen objekti kootaan/tulostetaan. kerros kerrokselta, tästä tulee nimi additiivinen valmistus. Tämä eroaa subtraktiivisesta valmistuksesta, jossa materiaali poistetaan olemassa olevista objekteista. 3D-tulostimen tuloste on kolmiulotteinen, eli esineellä on ennalta määritetty leveys, pituus ja korkeus. 3D-tulostin toimii pystyakselilla (Z-akseli) kahden tavallisen vaaka-akselin (X- ja Y-akselin) lisäksi.

3D-tulostimen rakenne ja toiminta

3D-tulostimista voidaan erottaa avoimet ja suljetut tulostimet, kokonaiset laitteet ja sarjat. Vaikka useimmat toimitetaan valmiina, käyttäjän on ensin koottava sarjat. Täydelliset laitteet ovat yleensä kalliimpia kuin sarjat, mutta säästät itse kokoonpanon. Suljetun 3D-tulostimen tapauksessa asennustila on suljettu. Sen mukaan, missä tulostinta käytetään, voidaan valita avoin tai suljettu versio. Periaatteessa 3D-tulostin koostuu tulostus/lämpöpedistä, tukirakenteesta, tulostusobjektista, suuttimesta, tukimateriaalista ja tulostusmateriaalista. Rakenne voi kuitenkin poiketa hieman tekniikan sisällä. Edellä mainitun rakenteen mukaan 3D-tulostin toimii seuraavasti: Ensin lämmityspeti ja suutin lämpenevät. Sitten lämmityspeti siirtyy ylös tulostuspäähän. Sula filamentti (erikoismuovia, metalleja tai muita materiaaleja) levitetään sitten lämmityspedille, kunnes ensimmäinen kerros on valmis. Kun ensimmäinen kerros on valmis, lämmitetty kerros kulkee alas yhden kerroksen korkeuden, tässä mikroneina mitattuna. Toinen filamenttikerros levitetään edellisen päälle ja sulatetaan sen kanssa. Mikäli ulkonevia kohtia on, voidaan käyttää samasta tai muusta materiaalista valmistettua tukirakennetta, jolloin vaihtoehtoisen materiaalin pitäisi pystyä liukenemaan veteen tai jopa toiseen liuokseen. Viimeistä vaihetta toistetaan, kunnes 3D-objekti on valmis.

3D-tulostusprosessit

Seuraavassa esitellään yleisimmät 3D-tulostusprosessit. Mainittujen lisäksi on monia muita muunnelmia. Periaatteessa seuraavat 3D-tulostusprosessit voidaan erottaa:

• Selektiivinen lasersulatus (SLM) / Selektiivinen lasersintraus (SLS)
• Elektronisuihkusulatus (EBM)
• Sulatetun kerrostuksen mallinnus/sulatetun filamentin valmistus (FDM/FFF)
• Stereolitografia (STL/SLA)
• Laserkerroshitsaus
• Film Transfer Imaging (FTI)
• Digital Light Processing (DLP)
• Multi Jet Modeling / Poly Jet Modeling

Selektiivisessä lasersulatusprosessissa jauheesta koostuva metalli levitetään ja sulatetaan laserilla. Haluttua painokohdetta lasketaan sitten kerroksen paksuuden verran, jauhe levitetään uudelleen ja sulatetaan. 3D-tulostus tapahtuu suojaavassa ilmapiirissä; metallia, muovia, hiekkaa tai keramiikkaa voidaan käsitellä. Sitä vastoin selektiivisessä lasersintrauksessa (SLS) ei käytetä puhdasta metallijauhetta, vaan lisätään sideainetta. Erikoisjauhe on myös vain osittain sulanut, jolloin materiaali tarttuu yhteen. Myös elektronisuihkusulatus (EBM) käyttää jauhetta ja prosessoi sitä samalla tavalla kuin valikoiva lasersulatus, paitsi että laserin sijasta käytetään elektronisuihkua. Magneettisesti tuettu jousi asettaa ja ohjaa sitä.

Fused Deposition Modelling/Fused Filament Fabrication (FDM/FFF) -sovelluksessa erityinen muovi ensin kuumennetaan ja sitten 3D-objekti tulostetaan arkeiksi. Tässä prosessissa filamentti kuljetetaan puolan kautta suuttimeen, josta se levitetään rakennelevylle, jossa se jähmettyy suoraan. Koska esineen pinta on usein hieman karhea valmistuksen jälkeen, se on työstettävä uudelleen. Tarkkuustyön tulos on tyydyttävä. Nestemäisen muovin kovettuminen UV-valon avulla tapahtuu stereolitografiaprosessissa (STL/SLA). 3D-objekti valmistetaan nestemäisessä muovikylvyssä käyttämällä laseria yksittäisten kerrosten kovettamiseksi. Kaikki käytetyt tukirakenteet poistetaan valmistumisen jälkeen ja 3D-objekti kovetetaan. Malleissa on erittäin korkea tarkkuus. Laserkerroshitsauksessa käytetään diodi- tai kuitulaseria. Se levittää metallijauhetta tai metallilankaa työkappaleeseen suuttimen avulla. Jauhetta käytettäessä 3D-tulostin toimii täysin automaattisesti, joten se soveltuu käytettäväksi komponenttien korjauksessa tai prototyyppien valmistuksessa.

Film Transfer Imaging (FTI) sisältää ohuen materiaalikalvon levittämisen kuljetuskalvolle. Kerrokset luodaan valaisemalla, minkä jälkeen työkappaletta nostetaan ja sitten levitetään uusi kalvo. Tämä prosessi jatkuu, kunnes 3D-objekti on valmis, ja sen tarkkuus on erittäin korkea. FTI:ssä filamenttina käytetään valoherkkiä muoveja. Digital Light Processing (DLP) -tekniikassa 3D-objekti luodaan muovikylvystä. Prosessi on sekoitus STL- ja FTI-3D-tulostustekniikkaa, jolloin FTI-tekniikkaa käytetään kuten RTI:ssä. Multi Jet Modelling/Poly Jet Modelling puolestaan käyttää samanlaista tekniikkaa kuin mustesuihkutulostin. Tässä useita suuttimia on kiinnitetty tulostuspäähän, joka sitten tulostaa 3D-mallin kerros kerrokselta. Malleille on ominaista erittäin korkea yksityiskohta ja filamentteina käytetään UV-herkkiä valopolymeerejä, jotka kovetetaan valolla.

Materiaalit 3D-tulostusprosesseihin

Tekniikan kehityksen myötä 3D-tulostuksen materiaalia on jouduttu sopeuttamaan siihen yhä uudelleen vuosien varrella. Esittelemme tärkeimmät erikoismateriaalit, kuten muovit tai metallit seuraavassa:

Muovit 3D-tulostusta varten

PLA (polyaktidi) on yksi 3D-tulostuksen suosituimmista materiaaleista. Synteettiset polymeerit kuuluvat polyesterien ryhmään, niitä saadaan maissitärkkelyksestä eli uusiutuvista luonnonvaroista, ja ne ovat bioyhteensopivia ja kierrätettäviä. PLA:ta voidaan käsitellä jo matalissa 70 °C:n sulamislämpötiloissa, ja se pysyy yleensä mittapysyvänä myös jäähtyessään. Nämä kaksi ominaisuutta tekevät PLA:sta houkuttelevan sekä yksityisille että ammattikäyttäjille. PLA:ta on nyt saatavilla monissa eri väreissä. Materiaalin ainoa haittapuoli on se, että se on vain vähän kestävä ja lämmönkestävä, joten se ei sovellu voimakkaasti rasitettujen komponenttien valmistukseen.

ABS (akryylinitriilibutadieenistyreeni) on toiseksi yleisin 3D-tulostuksessa käytetty muovimateriaali, ja se on myös synteettinen polymeeri. Se valmistetaan akryylinitriilistä, 1,3-butadieenistä ja styreenistä. Edullisia ominaisuuksia ovat materiaalin lujuus, jäykkyys ja sitkeys. Sitä voidaan käyttää prototyyppien ja lopputuotteiden valmistukseen. ABS tulostetaan 220-250 °C:n lämpötilassa, ja se on tulostettava lämmitetyssä tulostushuoneessa tai tulostuspohjassa. Tällöin valmistetut esineet voivat jäähtyä ja muodonmuutoksia voidaan välttää. Kuten PLA:ta, ABS:ääkin on saatavilla eri väreissä ja se on suhteellisen edullista, mutta 3D-tulostukseen liittyvien korkeiden lämpötilojen vuoksi se ei ole yhtä suosittu yksityisten käyttäjien keskuudessa. Sillä ei myöskään ole riittävää säänkestävyyttä.

PEEK (polyeetteriketoni) on polyeetteriketoniryhmän synteettisiä polymeerejä. Niitä voidaan käyttää erittäin kimmoisien ja lämpötilaa kestävien esineiden tulostamiseen. Ne ovat myös bioyhteensopivia ja kestävät kemikaaleja. Lämpömuovinen PEEK on noin 70 % kevyempi kuin metallit, joilla on samanlaiset ominaisuudet, mutta sen mekaaninen ja terminen stabiilisuus on verrattavissa. Tämän vuoksi PEEKiä käytetään mieluiten autoteollisuudessa, kemianteollisuudessa ja ilmailu- ja avaruusteollisuudessa. Se painetaan 360-380 °C:n lämpötilassa, eikä se siksi sovellu kovin hyvin yksityiskäyttöön.

HIPS (High Impact Polystyrene) kuuluu myös lämpömuovipolymeereihin, ja se valmistetaan polymeroimalla polybutadieenia polysteroliksi. Sillä on suuri iskunkestävyys ja kovuus, ja se voidaan sulattaa kemikaaleihin. Tämän vuoksi se soveltuu erityisen hyvin muiden polymeerien tukimateriaaliksi. Se poistetaan kemiallisesti, joten valmistetuissa komponenteissa voidaan säilyttää tiukatkin toleranssit.

PA:lla (nailon/polyamidi) on korkea vetolujuus, se sulaa 250 °C:ssa ja on myrkytön. Nailonista valmistetut 3D-esineet ovat sitkeitä ja kestävät vaurioita. Useimmat tavalliset kemikaalit eivät vahingoita nailonia, ja se on edullinen. Tämän materiaalin haittapuolena on kuitenkin se, että se tuskin soveltuu yksityiskäyttöön korkeiden sulamislämpötilojen vuoksi ja vaatii sekä lämmitetyn tulostuspohjan että valkoista liimaa, jotta se pysyy kiinni tulostuspohjassa 3D-tulostuksen aikana.

Useimmat ihmiset tuntevat PET:n (polyeteenitereftalaatti) juomapulloista. Tässä on myös sen etu, sillä PET on elintarvikekelpoinen ja sitä voidaan käyttää pakkaamiseen. Koska sulatusprosessissa ei synny höyryjä, 3D-tulostus PET:llä ei vaadi lämmitettyä tulostushuonetta. Tämä tekee sovelluksesta suositun yksityisellä sektorilla. PET:stä valmistetut 3D-esineet ovat suhteellisen kestäviä mutta samalla myös joustavia.

PETG (PET glykolin kanssa) saa aikaan materiaalin suuren läpinäkyvyyden glykolin avulla. Tämä parantaa myös painatusominaisuuksia. Tuloksena on alhaisempi sulamislämpötila ja vähemmän kiteytymistä. PETG voidaan ekstruudoida nopeammin kuin PET ja se on säänkestävä. Siksi sitä käytetään usein puutarhakalusteissa ja työkaluissa sekä maljakoissa.

Metallit 3D-tulostusta varten

Mainittujen muovien lisäksi 3D-tulostuksessa voidaan käyttää myös metalleja.

Alumiini tai alumiiniseokset vakuuttavat 3D-tulostuksessa lujuudellaan ja hyvillä lämpöominaisuuksillaan. Lisäksi 3D-esineet ovat kevyitä ja niitä voidaan joustavasti muokata. Auto-, ilmailu- ja avaruusteollisuus sekä ilmailuala hyötyvät alumiiniseosten käytöstä; moottorin osia, koteloita, muotteja, prototyyppejä, ilmakanavia ja paljon muuta valmistetaan 3D-tulostamalla.

Titaani tai titaaniseokset ovat tunnetuimpia 3D-tulostuksessa metalleilla. Sillä on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet ja samalla vain pieni ominaispaino. Materiaali on korroosionkestävä ja sitä voidaan käyttää monissa ympäristöissä, joissa on korkeat tekniset vaatimukset, kuten ilmailussa. Lääkinnälliset laitteet, varaosat, toiminnalliset prototyypit tai loppukäyttäjien osat ovat yleisimpiä titaaniseoksista valmistettuja 3D-esineitä.

Toinen 3D-tulostuksessa käytetty metalli on ruostumaton teräs/ruostumaton terässeos. Se on vähähiilistä ja erittäin korroosionkestävää. Asianmukaisesti valmistetuilla osilla on myös erinomainen lujuus, hyvät lämpöominaisuudet ja suuri sitkeys. Ruostumattomalla teräksellä tehtävää 3D-tulostusta käytetään mieluiten koneenosissa tai elintarviketurvallisissa sovelluksissa.

Muovien ja metallien lisäksi 3D-tulostuksessa käytetään muun muassa keramiikkaa, hiekkaa, betonia ja lasia.

3D-tulostuksen historia - kuka keksi 3D-tulostimen?

3D-tulostuksen historia ulottuu 1800-luvulle. Vuonna 1859 valokuvaajana ja kuvanveistäjänä työskennellyt ranskalainen François Willème keksi laitteen, jonka avulla voitiin luoda 3D-malli useiden kameroiden avulla. Vuonna 1892 itävaltalainen Joseph E. Blanther haki patenttia kohokarttojen tuottamiseen. Näiden karttojen valmistamiseksi laminoitiin tuolloin vahalevyjä, joista leikattiin haluttu muoto ja liimattiin päällekkäin. Näin luotiin 3D-kartta useiden kerrosten avulla.

Kun 3D-tulostusta ei ollut enää kehitetty 1900-luvulla useisiin vuosikymmeniin, japanilainen keksijä Hideo Kodama haki vihdoin uutta patenttia vuonna 1980: Siinä hän kuvasi, miten fotopolymeerimateriaali kovettuu UV-valon avulla, ja tällä tavoin luodaan malli kerros kerrokselta, mikä muistuttaa stereolitografian periaatetta. Koska hän ei voinut jatkaa patenttihakemuksen maksamista taloudellisten vaikeuksien vuoksi, hän menetti maineensa. Vuonna 1984 ranskalaiset Alain le Méhauté, Olivier de Witte ja Jean-Claude André yrittivät saada patenttia prosessille, jossa neste kovetetaan valonlähteen avulla. He kutsuivat tätä myös stereolitografiaksi. Tutkimuslaitos, johon heihin otettiin yhteyttä, ei kuitenkaan nähnyt keksinnön potentiaalia ja lopetti hankkeen. Lopulta se oli amerikkalainen Chuck W. Hull, joka haki patenttia kolme viikkoa myöhemmin. Hän oli jo vuonna 1981 keksinyt stereolitografian, joka otettiin käyttöön vuonna 1983. Vuonna 1985 oli saatavilla ensimmäinen 3D-suunnitteluohjelma, ja vuonna 1986 hän perusti nykyään maailmankuulun 3D Systems -yrityksen. Vuonna 1988 markkinoille tuli ensimmäinen 3D-tulostin (SLA-1-kone).

Vuonna 1992 DTM:ssä valmistettiin ensimmäinen valikoiva lasersintrauskone, joka säteilytti jauhetta laservalolla prosessin mukaisesti. Tätä seurasi Z Corp:n 3D-tulostin, joka käytti sideaineen suihkutusprosessia. 1990-luvun lopulla voitiin muovien lisäksi käsitellä myös metalleja, ja CAD-ohjelmia julkaistiin lisää. 2000-luvulla additiivinen valmistus sai vauhtia, joka vakiintui lääketieteessä. Ensimmäistä kertaa 3D-tulostettu elin istutettiin ihmiseen. 2000-luku oli lisäkehityksen leimaama. 3D-tulostimilla voitiin nyt valmistaa osia muille 3D-tulostimille, ja ne tulivat työpaikoille. Vuodesta 2010 lähtien uusilla malleilla pystyi tulostamaan myös autojen prototyyppejä, 3D-ruokatulostimet tulivat markkinoille, ensimmäiset 3D-tulostetut osat avaruusasemille sekä leuka- ja luuproteesit. Myös pienet ja keskisuuret yritykset hyötyivät 3D-tulostuksesta, sillä sen avulla ne pystyivät tuottamaan prototyyppejä edullisemmin. Tuottavin additiivinen muovituotantoprosessi on tällä hetkellä Multi Jet Fusion -prosessi, jonka tuloksena syntyvillä kappaleilla on homogeeninen pinta ja lähes huokoseton materiaalitiheys.

Mitä tulevaisuus tuo tullessaan? On hyvin todennäköistä, että 3D-tulostustekniikka kehittyy kohti massatuotantoa, kun yhä useampia materiaaleja voidaan tulostaa lyhyemmässä ajassa ja laadukkaasti.

Laadukkaat painotuotteet print24:llä

Meiltä saat haluamasi kohteen tulostettua mainostarkoituksiin tai toimiston arkeen. print24 tarjoaa sinulle valtavan valikoiman painotuotteita, jotka toimitamme sinulle nopeasti ja laadukkaasti. Myös suurkuvatulosteet, tekstiilituotteet tai valokuvatuotteet kuuluvat valikoimaamme. Valitse vain haluamasi painotuotteet ja suunnittele ne yksilöllisesti!