Markkinoilta löytyy jonkin verran yleiskäyttöisiä suurten kappaleiden tulostukseen sovel-tuvia komponentteja, jotka soveltuvat myös biokomposiittimateriaaleille. Tässä luvussa keskitytään tarkastelemaan tarjolla olevia komponentteja sekä mahdollisia kokonaisrat-kaisuja. Suurten kappaleiden tulostimiin keskittyviä valmistajia löytyy useita, ja ne
pyrki-vät kehittämään entistä suurempia komponentteja. Tällaisia valmistajia ovat esimerkiksi 3D Platform (3DP), Composite Additive Manufacturing (CEAD), Cosine Additive (CA), Massive Dimension (MD) ja Dyze Design (DD). Osa yrityksistä tarjoaa suurikokoisia tu-lostuspäitä ja toiset kokonaisratkaisuja, jotka sisältävät tulostuspäätä liikuttavan robotin tai materiaalinsyöttöjärjestelmän. Näiden valmistajien tuotteita on listattuna taulukossa 4.1.
Taulukko 4.1.Listaus valmistajien tarjoamista tuotteista.
Valmistaja Tuote Tekniikka Suutinkoko Tulostuskyky
(mm) (kg h−1)
3DP HFE 900 FFF -tulostuspää 1,2–4,8 1,0
HFE 300 FFF -tulostuspää 1,0–2,4 0,25
CEAD AM Flexbot FGF -Robotti 2–12 12,0
Robot Extruder FGF -tulostuspää 2–12 12,0
CA Pellet Feed Extruder FGF -tulostuspää 0,5–4,0 9,0
MD MDPH2 FGF -tulostuspää 1,0–5,0 0,9
MDPE10 FGF -tulostuspää - 4,5
DD Pulsar Pellet Extruder FGF -tulostuspää 1,0–5,0 2,5
Ensimmäinen valmistaja 3D Platform tarjoaa FFF -tulostuspäitä, jotka käyttävät raaka-aineenaan 6 mm filamenttilankaa. Kuvassa 4.2a oleva valmistajan suurin tulostuspää HFE 900 kykenee tulostamaan jopa 0,98 l/h ja tulostuspäähän on tarjolla suuttimia 1,2 mm:stä 4,8 mm:iin [23]. Mikäli tulostimella haluttaisiin tulostaa alaluvussa 2.3 esiteltyjä materiaaleja tarvitsisi niistä ensin tuottaa filamenttilankaa sen sijaan, että tulostettaisiin FGF-menetelmällä suoraan pellettimateriaalista.
Muiden valmistajien ratkaisut perustuvatkin FFF:n sijaan FGF -menetelmään. Näistä en-simmäisenä esimerkkinä kokonaisratkaisuja tuottava Composite Additive Manufacturing.
Yrityksen ratkaisut sisältävät robotin, yhteensopivan tulostuspään sekä tulostusalustan, joista asiakas voi räätälöidä itselleen sopivan kokonaisuuden. Tulostusrobotti on nähtä-vissä kuvassa 4.2b. Tulostuspään liikuttamiseen käytetään Comau NJ60—2.2 robottia, jonka työskentely ala on 1,2x1,8 m [24]. Yritys tarjoaa myös pelkkää 25 kg:n painois-ta FGF -tulostuspäätä erillisenä ratkaisuna, joka on heidän mukaansa helppo kiinnittää muihin asiakkaalta löytyviin robotteihin. Asiakkaan robotti voidaan kytkeä tulostuspään ohjaukseen esimerkiksi Profinet, Profibus tai Fieldbus väylillä ja yritys tarjoaa tähän tar-vittaessa ohjelmistokehittäjien apua [25].
Composite Additive Manufacturingin tarjoama tulostuspää sisältää materiaalin syöttöjär-jestelmän, jonka 25 kg:n säiliöstä voidaan syöttää materiaalia 20 metrin päähän tulostus-päälle. Tulostuspää kykenee tulostamaan materiaalia 12 kg/h riippuen suuttimesta, joita on tarjolla 2 mm:stä 12 mm:iin [25]. Tulostuspää on nähtävissä kuvassa 4.2c. Tulostus-pää on jaettu myös neljään erikseen ohjattavaan lämmitysalueeseen, joka takaa mate-riaalin tarkasti hallittavan lämpötilan [25]. Suuren matemate-riaalin ulostulon ja tarkasti hallit-tavien lämmitysalueiden ansiosta tulostuspää soveltuisi varmasti myös työssä esiteltyjen
kaupallisten biokomposiittien tulostukseen.
(a)3D Platform HFE-900 (b)CEAD AM Flexbot
(c)CEAD Robot Extruder (d)Dyze Design Pulsar Pellet Extruder Kuva 4.2.Eri valmistajien komponentteja [23, 24, 26].
Kolmas komponenttien valmistaja Cosine Additive tarjoaa myös suurten kappaleiden tu-lostukseen soveltuvia FGF -tulostuspäitä. Tällä kyetään tulostamaan noin 9 kg/h suutti-milla väliltä 0,5 – 4,0 mm [27]. Lähes samanlaisilla tulostusominaisuuksilla tulostuspäitä tarjoaa myös Massive Dimension [28].
Viimeiseltä valmistajalta Dyze Designilta on tulossa markkinoille kuvassa 4.2d oleva FGF -tulostuspää, joka kykenee pursottamaan materiaalia 2,5 kg/h. Tulostuspää koostuu kol-mesta lämmitysalueesta ja siihen on saatavilla automaattinen materiaalin syöttö. Tulos-tuspäähän on saatavilla suuttimia väliltä 1,0 – 5,0 mm ja tulosTulos-tuspäähän soveltuvien ma-teriaalien listalta löytyy myös puupohjaiset biokomposiitit [26]. Edeltävän pohjalta olisi myös tämä soveltuva ratkaisu esiteltyjen biokomposiittien tulostamiseen.
Taulukko 4.2.Lista vaatimuksista, joita tulee huomioida komponentteja valitessa, ja niihin parhaiten vastaavista komponenteista.
Vaatimus Vaatimukseen parhaiten vastaavat tuotteet Tarkka lämpötilan säätö AM Flexbot, Robot Extruder, Pulsar Pellet Extruder Valmis kokonaisratkaisu AM Flexbot
Biokomposiitti testattu Pulsar Pellet Extruder
Suuri tulostuskyky AM Flexbot, Robot Extruder, Pellet Feed Extruder
Markkinoilta löytyy suurten kappaleiden tulostukseen biokomposiiteilla niin kokonaisrat-kaisuja että erillisiä komponentteja. Valitessa itselle sopivia komponentteja kannattaa kastella, miten ne vastaavat esimerkiksi taulukosta 4.2 löytyviin vaatimuksiin. Mikäli tar-vitaan nopeasti ja helposti käyttöön otettavaa kokonaisratkaisua, paras vaihtoehto var-maan olisi Composite Additive Manufacturingin 3D-tulostusrobotti. Erillistä tulostuspäätä mietittäessä myös Dyze Designin tulostuspää sopisi melko hyvin biokomposiittien tulos-tamiseen. Komponentteja valitessa kannattaa huomioida myös tulostuskapasiteetti, joka edellä mainituilla vaihtelee parista kilogrammasta jopa 12 kilogrammaan tunnissa.
5 YHTEENVETO
Tämän työn tarkoituksena oli tarkastella biokomposiittien 3D-tulostusta ja sen sovellus-kohteita erityisesti suurten kappaleiden tulostuksessa. 3D-tulostuksessa käytettävät bio-komposiitit koostuvat yleisimmin erilaisista selluloosakuidusta, jotka sekoitetaan PLA:han.
Selluloosa kuitenkin asetti näille materiaaleille omia tulostuksen kannalta keskeisiä omi-naisuuksia, kuten lujuuden ja elastisuuden kasvaminen, liiasta lämmittämisestä aiheu-tuva lasisiirtymä tai kyky imeä kosteutta. Valmiita biokomposiitti valmisteita löytyi myös suoraan markkinoilta useilta eri valmistajilta. Valmistajia ovat muun muassa UPM ja Sto-ra Enso, joiden tuotteet ovat keskeisimmiltä ominaisuuksiltaan melko samanlaisia. Mate-riaalit tulevat pelletteinä, joista voi tehdä myös filamenttilankaa.
Työssä käsiteltiin materiaalien lisäksi eri tulostusmenetelmiä, kuten SLA:aa, FFF:a se-kä FGF:a, ja niiden keskeisimpiä ominaisuuksia. FGF:ssa tulostusmateriaalia kyetään syöttämään pelleteinä suuriakin määriä, jonka vuoksi todettiin se soveltuvaksi parhaiten suurten kappaleiden tulostukseen. SLA puolestaan todettiin vähiten sopivaksi nestemäi-sen materiaalin ja nestemäi-sen kalliin hinnan seurauknestemäi-sena.
Suurten kappaleiden tulostamiselle löydettiin myös useita eri sovelluskohteita monilta eri teollisuuden aloilta. Suurimmat näistä tulostimista sijoittuvatkin rakennusteollisuuteen, jossa tulostetaan esimerkiksi kokonaisia taloja. Tämän lisäksi löytyi kehitteillä oleva ava-ruustulostin sekä useita sovelluskohteita, joissa käytettiin jo biokomposiitteja. Näitä oli esimerkiksi biokomposiitista tulostetut huonekalut ja kävelysilta. Suurten kappaleiden tu-lostamisessa todettiin myös olevan haasteita, joista suurimmat kohdistuivat aikaan ja kus-tannuksiin.
Lopuksi työssä tarkasteltiin markkinoilta löytyviä suurten kappaleiden tulostukseen ja bio-komposiiteille soveltuvia tulostinkomponentteja sekä niille asetettuja vaatimuksia. Oleel-lisimmat vaatimukset syntyivät materiaalin kuivaus ja sulatuslämpötilan vaatimuksista.
Vaatimukset täyttäviä komponentteja löytyikin useilta eri valmistajilta, mutta parhaiten so-veltuvat komponentit olivat valmistajien Composite Additive Manufacturingin sekä Dyze Designin. Komponentteja valitessa kannattaa kuitenkin huomioida sovelluskohde sekä tapauskohtaisuus.
Suurten kappaleiden tulostuksen kustannukset ovat toistaiseksi vielä melko korkeat ja biomateriaalin käyttö siinä melko harvinaista. Suurten kappaleiden tulostus biokompo-siiteillä tulee yleistymään, kunhan teknologian hinta laskee ja biokomposiittimateriaalit yleistyvät markkinoilla. Tulevaisuuden kannalta ihmisten halu automatisoida prosesseja
entisestään, varmasti tulee kiihdyttämään tekniikan kehitystä.
LÄHTEET
[1] I. Gibson, D. Rosen ja B. Stucker.Additive Manufacturing Technologies 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. Springer New York, 2015.
[2] Q. Wang, J. Sun, Q. Yao, C. Ji, J. Liu ja Q. Zhu. 3D printing with cellulose materials.
Cellulose25.8 (2018), 4275–4301.
[3] C. A. Murphy ja M. N. Collins. Microcrystalline cellulose reinforced polylactic acid biocomposite filaments for 3D printing. Polymer Composites 39.4 (2018), 1311–
1320.
[4] H. Kangas.Opas selluloosananomateriaaleihin. VTT Technology 199. Finland: VTT Technical Research Centre of Finland, 2014.
[5] K. M. O. Håkansson, A. B. Fall, F. Lundell, S. Yu, C. Krywka, S. V. Roth, G. Santoro, M. Kvick, L. P. Wittberg, L. Wågberg ja L. D. Söderberg. Hydrodynamic alignment and assembly of nanofibrils resulting in strong cellulose filaments.Nature Commu-nications5.1 (2014), 4018.
[6] UPM Formi 3D. Product datasheet. 3. huhtikuuta 2019.URL:https://www.upmformi.
com / siteassets / documents / formi 3d / upm formi 3d product data sheet -en.pdf(viitattu 24. 03. 2020).
[7] Stora Enso DuraSense Plus Datasheet. URL: https : / / www . storaenso . com/ -/media/Documents/Download-center/Documents/Product-brochures/Biocomposites/
DuraSense_Plus_IM_factsheet_web.pdf?la=en(viitattu 09. 04. 2020).
[8] Advanced Compounding. Polywood PP-Materialien.URL: http://www.advanced-compounding.com/de/polywood-pp.html(viitattu 20. 04. 2020).
[9] UPM Formi 3D. Product page.URL: https://www.upmformi.com/biocomposite-products/3d-printing/(viitattu 24. 03. 2020).
[10] PEFC Metsäsertifiointi.URL:https://pefc.fi/metsanomistajalle/sertifiointi/
(viitattu 24. 03. 2020).
[11] Stora Enso Biocomposites. URL: https : / / www . storaenso . com / en / products / biocomposites(viitattu 25. 03. 2020).
[12] Stora Enso 3D printing Biocomposites. URL: https : / / www . storaenso . com / en / products/biocomposites/3dprinting(viitattu 25. 03. 2020).
[13] K. Silver, J. Potgieter, K. Arif ja R. Archer. Opportunities and challenges for large scale 3D printing of complex parts.2017 24th International Conference on Mechat-ronics and Machine Vision in Practice (M2VIP). Vol. 2017-. IEEE, 2017, 1–6.ISBN: 9781509065462.
[14] Manufacturing Guide. Fused granular fabrication.URL:https://www.manufacturingguide.
com/en/fused-granular-fabrication-fgf(viitattu 02. 04. 2020).
[15] X. Zhang, M. Li, J. Lim, Y. Weng, Y. Daniel Tay, H. Pham ja Q.-C. Pham. Large-scale 3D printing by a team of mobile robots.Automation in Construction95 (2018).ISSN: 0926-5805.
[16] J.-B. Izard, A. Dubor, P.-E. Hervé, E. Cabay, D. Culla, M. Rodriguez ja M. Barrado.
Large-scale 3D printing with cable-driven parallel robots.Construction Robotics1.1 (2017), 69–76.ISSN: 2509-811X.
[17] V. Bates Ramirez.World’s Biggest 3D Printed Building Opens in Dubai. 27. tammi-kuuta 2020. URL:https://singularityhub.com/2020/01/27/worlds- biggest-3d-printed-building-opens-in-dubai/(viitattu 21. 04. 2020).
[18] BioÄly - Biopohjaiset Älykkäät Ratkaisut Yhteistyöalusta kiertotalouden alueellise-na vahvistajaalueellise-na.URL:http://www.bioaly.fi/(viitattu 27. 04. 2020).
[19] G. Cesaretti, E. Dini, X. De Kestelier, V. Colla ja L. Pambaguian. Building compo-nents for an outpost on the Lunar soil by means of a novel 3D printing technology.
Acta Astronautica93 (2014), 430–450.ISSN: 0094-5765.
[20] 3D-printed furniture concepts from UPM biocomposite and wood. Elokuu 2019.
URL: https://www.upmformi.com/siteassets/documents/formi-3d/upm-formi-3d-flyer-furniture-prototypes-en.pdf(viitattu 08. 04. 2020).
[21] A 3D printed bridge: Naturally with UPM Formi. 19. huhtikuuta 2018. URL:https:
//www.upm.com/news-and-stories/articles/2018/04/a-3d-printed-bridge-naturally-with-upm-formi/(viitattu 08. 04. 2020).
[22] S. Whyman, K. Arif ja J. Potgieter. Design and development of an extrusion sys-tem for 3D printing biopolymer pellets.The International Journal of Advanced Ma-nufacturing Technology 96.9-12 (2018), 3417–3428. ISSN: 02683768. URL:http:
//search.proquest.com/docview/2262151028/.
[23] 3D Platform. Extruders.URL:https://3dplatform.com/Extruders(viitattu 16. 04. 2020).
[24] Composite Additive Manufacturing. Solutions. URL:https://cead- am.com/home/
solutions/(viitattu 16. 04. 2020).
[25] Composite Additive Manufacturing. Robot Extruder.URL:https://robotextruder.
com/(viitattu 16. 04. 2020).
[26] Dyze Design. Pulsar pellet extruder. URL: https : / / dyzedesign . com / pulsar -pellet-extruder/(viitattu 16. 04. 2020).
[27] Cosine Additive. Machines. URL: https : / / www . cosineadditive . com / en / am1 (viitattu 16. 04. 2020).
[28] Massive Dimensions. Extruders.URL:https://massivedimension.com/collections/
extruders(viitattu 16. 04. 2020).