2.2 Tulostintyypit
2.2.7 Laminated Object Manufacturing (LOM)
Laminated Object Manufacturing (LOM) on laminointiin perustuva 3D-tulostustekniikka.
LOM-tulostuksessa tulostettavaa materiaalia syötetään nauhana tulostusalustan päälle, jossa arkista leikataan tulostettavan kappaleen poikkileikkaus. Kerrokset sidotaan toisiinsa liimalla.
(Custompart.net 2018) Kuvassa 8 LOM-tulostimen havainnekuva.
Kuva 8. LOM-tulostimen havainnekuva, muokattu (Custompart.net 2018).
LOM-tulostuksen ominaisuuksia:
• Tulostusparametrit: Kerrospaksuus 0,05 - 0,5mm. Tarkkuus +/- 0,2 mm. Tulosteen koko 800 mm x 500 mm x 500 mm.
• Tukirakenteet: Tukirakenteita ei tarvita, koska ylimääräinen materiaali jää tulosteeseen ja toimii tukimateriaalina kunnes se poistetaan.
• Materiaalit: Paperit ja komposiitit, käytännössä mikä tahansa levynä tai arkkina saatava liimattava materiaali.
• Käyttökohteet: Lähinnä visuaaliset prototyypit, ei sovellu tuotantoon.
(Custompart.net 2018) (Sculpteo 2018) 2.3 Tulostintyyppien vertailu
Edellisissä kappaleissa (2.2.1-2.2.7) on esitelty tähän diplomityöhön valittuja tulostintyyppejä.
Tulostintyyppien tunteminen ja niiden ominaisuudet vaikuttavat tulostintyypin valintaan.
Valittaessa tulostintyyppiä tulostettavan kappaleen valmistukseen on tunnettava tulostintyypin ominaisuudet, että pystytään valitsemaan parhaiten sopiva tulostintyyppi.
Tutkimusasetelmassa asetettuun tutkimusongelmaan vastaamiseksi, tässä diplomityössä valittiin tulostintyyppien vertailuun seuraavat ominaisuudet:
• Toimintaperiaate: Tulostimen toimintaperiaate vaikuttaa tulostettaviin materiaaleihin, tulosteen mekaanisiin ominaisuuksiin, pinnanlaatuun ja tulostustarkkuuteen.
• Tulostettavat materiaalit: Tulosteessa käytetty materiaali rajoittaa tulostintyypin valintaa.
• Tarkkuus: Eri tulostintyyppien tulostustarkkuus vaikuttaa tulostintyypin valintaa.
Tulostustarkkuutta valitessa täytyy huomioida sekä mittatarkkuus, että pienin tulostettavissa oleva detailin koko.
• Edut/Haitat: Eri tulostintyypeillä on erilaisia etuja ja haittoja. Esimerkiksi tulosteen mekaaniset ominaisuudet voivat olla anisotrooppisia, tulosteet voivat olla hauraita tai tulosteet vaativat paljon jälkikäsittelyä.
• Sovellukset, joissa käytetty: Taulukossa I.1 esitetty joitakin kohteita, joissa vertailuun valittuja tulostintyyppejä on käytetty.
• Tulostettavan kappaleen koko: Tulostettavan kappaleen koko vaikuttaa tulostintyypin valintaan.
• Suunnittelurajoitteet: Eri tulostintyypeillä voi olla tulostimen toimintaperiaatteesta johtuvia suunnittelurajoitteita.
Liitteen I taulukkoon on koottu edellisissä kappaleissa läpi käytyjen tulostintyyppien ominaisuuksia.
3 SUUNNITTELUSÄÄNNÖT
Tässä kappaleessa käsitellään 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelusääntöjä. Aluksi käydään lyhyesti läpi valmistusystävällinen suunnittelu (DFMA, Design for Manufacturing and Assembly) sekä 3D-tulostus ystävällinen suunnittelu (DFAM, Design for Additive Manufacturing) ja tämän jälkeen esitetään 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelussa huomioitavia suunnittelusääntöjä.
3.1 DFMA ja DFAM
DFMA eli valmistusystävällinen suunnittelu on kokoelma suunnitteluperiaatteita, joilla jo suunnitteluvaiheessa pyritään parantamaan tuotteen suorituskykyä, laatua ja kannattavuutta, sekä alentamaan tuotantoaikaa ja hintaa. DFMA voidaan jakaa kolmelle tasolle. Ensimmäisellä tasolla DFMA on kokoelma suunnittelusääntöjä, jotka ovat valmistustapaan, tuotteen ominaisuuteen tai tuotteen toimintaan suoraan liittyviä. Toisella tasolla DFMA pyrkii ymmärtämään tuotetason suunnittelun ja valmistuksen välistä yhteyttä. Kolmannella tasolla DFMA tutkii kokonaisvaltaisesti valmistus ja suunnitteluprosessin ja suunnittelukäytäntöjen välistä yhteyttä. (Thompson et al. 2016, s. 4)
DFAM eli 3D-tulostus ystävällinen suunnittelu ei sulje pois valmistusystävällistä suunnittelua, vaan valmistusystävällisen suunnittelun määritelmät ovat suoraan sovellettavissa ainetta lisäävään valmistukseen. 3D-tulostus kuitenkin poikkeaa perinteisistä valmistusmenetelmistä siksi DFAM eroaa DFMA:sta. Esimerkiksi 3D-tulostuksella on mahdollista valmistaa muotoja, jotka ovat perinteisillä valmistusmenetelmillä lähes mahdottomia, ja lisäksi eri 3D-tulostustekniikat asettavat perinteisistä valmistusmenetelmistä poikkeavia rajoitteita. Siksi DFAM vaatii joukon prosessikohtaisia suunnittelusääntöjä ja -työkaluja. (Thompson et al. 2016, s. 4)
3D-tulostuksen erityispiirteitä ovat:
• Muodon kompleksisuus: 3D-tulostuksella on mahdollista valmistaa lähes mikä tahansa muoto.
• Hierarkinen komplesisuus: 3D-tulostettavan kappaleen ominaisuuksia voidaan suunnitella materiaalin mikrorakennetasolta ylöspäin.
• Toiminnallinen kompleksisuus: 3D-tulostamalla on mahdollista valmistaa toimivia
mekanismeja, jotka eivät vaadi asennusta.
• Materiaalinen kompleksisuus: 3D-tulostamalla on mahdollista saada eri kohtiin tuotetta erilaisia materiaaliominaisuuksia, koska materiaalia käsitellään kerros kerrokselta ja piste pisteeltä. (Gibson et al. 2015, s. 404 - 410)
3D-tulostettavan tuotteen suunnittelussa mielessä pidettävät suunnitteluohjesäännöt ovat Gibson et. al. (2015) mukaan:
• 3D-tulostus mahdollistaa monimutkaisten geometrioiden käytön ilman ajallista tai kustannuksellista tappiota, verrattuna yksinkertaisen geometrian käyttöön.
• 3D-tulostus mahdollistaa muotojen, ominaisuuksien sekä osien yhdistämisen monimutkaisemmaksi osaksi, täten poistaen tarvetta kokoonpanolle.
• 3D-tulostus mahdollistaa yksilöllisten muotojen ja osien valmistuksen suoraan 3D-kuvasta.
• Yleistyvät monimateriaalitulostimet mahdollistavat monimutkaisemmat tuotteet, joissa on mahdollista yhdistää eri materiaalien ominaisuuksia.
• Perinteisten valmistusmenetelmien rajoitteet voidaan unohtaa, mutta 3D-tulostusspesifit rajoitteet on huomioitava.
3.2 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelun yleiset ominaisuudet
3D-tulostettavan kappaleen suunnittelussa on yleisesti huomioitava kerrospaksuus, kutistuminen ja vetely, tukirakenteet, sekä pyöristykset. Eri 3D-tulostustekniikoita koskien on tulostustekniikkakohtaisia ohjeita, mutta tässä kappaleessa käydään edellämainitut ominaisuudet läpi yleisesti.
Koska lisäävä valmistus on kerroksiin perustuva valmistustekniikka, on käytetty kerrospaksuus suoraan tuotteen ominaisuuksiin vaikuttava tekijä. (Redwood et. al. 2017, s. 148-149) Taulukkoon 2 koottu eri 3D-tulostintyyppien yleisiä kerrospaksuuksia.
Kerrospaksuus on suora vaikutus valmistusaikaan, kaksinkertaistamalla kerrospaksuuden valmistusaika puolittuu. Lisäämällä kerrospaksuutta tulee kerroksista myös näkyvämpiä lopullisessa tulosteessa. (Redwood et. al. 2017, s. 148-149) Pienempi kerrospaksuus tulee valita, jos kappaleessa on kaarevia pintoja tai reikiä, visuaalinen ilme tai käyttö vaatii tarkkuutta tai tulostetta ei jälkikäsitellä (3DHubs 2018f). Kuvassa 9 esitetty FDM-tulosteessa kerrospaksuuden vaikutusta kappaleen ulkonäköön.
Taulukko 2. Tyypillisiä kerrospaksuuksia eri 3D-tulostusmenetelmillä. (Redwood et. al. 2017, s. 149)
Tyypillinen kerrospaksuus FDM 50 - 400µm (yleensä: 200 µm) SLA/DLP 25 - 100µm (yleensä: 50 µm) SLS 80 - 120µm (yleensä: 100 µm) Materiaaliruiskutus 16 - 30 µm (yleensä: 16 µm) Sidosaineruiskutus 100 µm
DMLS/SLM 30 - 50µm
Kuva 9. Kerrospaksuuden vaikutus tulosteen ulkonäköön. Vasemmalta oikealle kerrospaksuus 50µm, 200µm ja 300µm. (3DHubs 2018f)
Kutistuminen ja vetely: Yleinen 3D-tulostukseen liittyvä ongelma on tulosteen kutistuminen ja vetely. (Redwood et. al. 2017, s. 149)
Kutistuminen ja vetely johtuu tyypillisesti joko epätasaisen jäähtymisen aiheuttamista jäännösjännityksistä tai käytetyn materiaalin kovettumisesta (Redwood et. al. 2017, s. 149).
Lämmön aiheuttama jäännösjännitys tulosteessa aiheuttaa kutistumista ja vetelyä.
Jäännösjännitys johtuu kappaleen epätasaisesta jäähtymisestä. Erityisesti korotettua työskentelylämpötilaa käyttävät tulostustekniikat, materiaalipursotus ja jauhepetimenetelmä, ovat alttiita lämmön aiheuttamalle vetelylle ja kutistumille. (Redwood et. al. 2017, s. 149)
Fotopolymeerejä käyttävät 3D-tulostustekniikat eivät vaadi korotettua lämpötilaa, mutta tulosteessa voi esiintyä kutistumista ja vetelyä kovettumisen seurauksena. Käsitelty kerros kutistuu kovettuessaan ja voi aiheuttaa jäännösjännitystä rakenteeseen. (Redwood et. al. 2017, s. 149)
Vetelyä ja kutistumista voidaan pyrkiä hallitsemaan suunnittelulla. Tärkein suunnittelussa huomioitava seikka on yhtenäinen seinämävahvuus. Epätasaiselle jäähtymiselle alttiita ovat erityisesti kohteet, joissa suurella seinämävahvuudella oleva alue kiinnittyy hoikkaan rakenteeseen. (Redwood et. al. 2017, s. 149-150)
Suuret tasaiset pinnat ovat herkkiä vetelylle ja niitä tulisi välttää kaikessa 3D-tulostuksessa. Jos tuote vaatii suurta tasaista pintaa, olisi syytä miettiä useammasta osasta koottavaa kappaletta.
(Redwood et. al. 2017, s. 150)
Tukirakenteiden käytöllä niitä vaativissa 3D-tulostustekniikoissa voidaan estää tulosteen vetelyä. Erityisen tärkeää tukien käytön huomioiminen on SLA/DLP ja SLM -menetelmissä.
(Redwood et. al. 2017, s. 150)
3D-tulostustekniikat vaativat tulostettavalle kappaleelle tukirakenteen. Tässä työssä esitellyistä tekniikoista SLS ja LOM -tekniikat eivät vaadi tukirakennetta.
3D-tulostettavan kappaleen onnistunut tulostaminen vaatii, että jokainen kerros saadaan rakennettua onnistuneesti. Jotkut tulostustekniikat vaativat, että kerrokselle on alusta jonka päälle kerros voidaan tulostaa ja näin ollen vaativat tukirakenteiden käyttöä.
(Redwood et. al. 2017, s. 150) Kuvassa 10 on SLA -tuloste, jossa tulostuksen aikainen tukirakenne on edelleen kiinni.
Tukirakenteen poistaminen voi jättää tulosteen pintaan jälkiä, siksi tukirakenteiden käyttö tulee suunnitella ja erityisesti tulosteen asettelulla voidaan vaikuttaa pinnanlaatuun. FDM ja materiaaliruiskutus -menetelmiä käytettäessä on mahdollista käyttää liukenevaa tukimateriaalia, jonka poistaminen on helpompaa. (Redwood et. al. 2017, s. 150)
Kuva 10. SLA -tuloste, jossa tukirakenne kiinni (3DHubs 2018g).
Pyöristykset ovat yleinen osa kappaleen suunnittelua. Pyöristyksillä voidaan vähentää jännityskeskittymiä nurkissa ja parantaa kappaleen tulostettavuutta. Pyöristykset ja viisteet voivat myös helpottaa tulosteen irrottamista tulostusalustasta.(Redwood et. al. 2017, s. 150) Useat 3D-tulostustekniikat tuottavat luonnollisen pyörityksen kaikkiin teräviin kulmiin.
Esimerkiksi materiaalipursotuksessa pyöritys on suuttimen halkaisija ja SLS:ssä noin 0,4 mm eli laserpisteen halkaisija.
Pyöristyksiä tulisi käyttää aina kuin mahdollista. Vähintään 2 mm pyöristyssäde on hyvä lähtökohta. Tulostustekniikoilla joissa tuloste kiinnittyy tulostusalustaan tulostusalustaa vasten olevien ulkoreunojen viistäminen 45◦ kulmassa helpottaa tulosteen irrottamista.
(Redwood et. al. 2017, s. 150)
3.3 3D-tulostettavan kappaleen piirteet
3D-tulostettavilla kappaleilla on joukko erityisiä geometrisia ja toiminnallisia piirteitä, jotka on otettava huomioon kappaletta suunniteltaessa. Tässä kappaleessa käydään läpi nämä piirteet. On myös huomioitava, että seuraavaksi listatuista piirteitä kaikki eivät välttämättä koske kaikkia tulostustekniikoita, esimerkiksi materiaalipursotus ei vaadi jauheenpoistoreikää.
(Redwood et. al. 2017, s. 153) 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelussa huomioitavat piirteet esitetty kuvassa 11.
Kuva 11. 3D-tulostettavan kappaleen suunnittelussa huomioitavat piirteet. Muokattu (3DHubs 2018g).
Kuvan 11 mukaiset suunnittelussa huomioitavat piirteet ovat:
a) Tuetut seinämät: Vähintään kahdelta sivulta rakenteeseen yhdistyvän seinämän minimipaksuus, jolla rakenne säilyttää muotonsa.
b) Tukemattomat seinämät: Yhdeltä sivulta rakenteeseen kiinnittyvän seinämän minimipaksuus, jolla rakenne ei irtoa ja säilyttää muotonsa.
c) Overhangs: Minimi kulma, jossa suhteessa horisontaaliseen tasoon voidaan tulostaa seinämä ilman tukirakennetta.
d) Kohokuviot ja kaiverrukset: Kohokuvion tai kaiverruksen minimi syvyys/korkeus, jolla piirteen tulostaminen onnistuu ilman sen sulautumista rakenteeseen.
e) Horisontaaliset sillat: Suurin horisontaalisen sillan pituus, jonka tulostaminen onnistuu ilman tukirakennetta.
f) Reiät: Pienin halkaisija, jolla reiän tulostaminen onnistuu.
g) Liittyvät ja liikkuvat osat: Liittyvien tai liikkuvien osien minimitoleranssi.
h) Poistoreiät: Pienin reikä, joka mahdollistaa jauheenpoiston onton rakenteen sisältä.
i) Minimi piirteen koko: Piirteen pienin koko, jolla sen tulostaminen onnistuu.
j) Minimi tapin halkaisija: Pienin halkaisija, jolla tapin tulostaminen onnistuu.
k) Tukemattomat ulokkeet: Tukemattoman ulokkeen suurin ulkonema.
l) Korkeus - poikkipinta-ala -suhde: Tulosteen poikkipinta-alan ja korkeuden suurin suhde, jolla tuloste säilyy stabiilina tulostusalustassa. (Redwood et. al. 2017, s. 154-155)
4 KOEKAPPALEIDEN TULOSTUSLAITTEISTO JA SUUNNITTELUSÄÄNNÖT
Tässä kappaleessa esitellään koekappaleen valmistuksessa käytettävä laitteisto ja käydään läpi kyseisellä tulostusmenetelmällä valmistettavan kappaleen suunnittelusäännöt ja -ohjeet. Koekappaleen suunnittelussa pyritään yhdistämään koekappaleen vaatimukset ja tulostuslaitteiston asettamat suunnittelusäännöt ja -rajoitteet.
4.1 Käytettävä laitteisto
Koekappaleen valmistukseen käytetään miniFactory Innovator - M -tulostinta. Innovator on FDM -teknologiaan, eli materiaalipursotukseen, perustuva Suomessa valmistettu 3D-tulostin.
Kuvassa 12 miniFactory Innovator - M -tulostin.
Kuva 12. miniFactory Innovator - M -FDM -tulostin(miniFactory 2018).
miniFactory Innovator - M -tulostimen ominaisuuksia:
• Laitteen koko: 53 x 56 x 67 cm, paino 45 kg
• Tulostuspäiden lukumäärä: 2
• Tulostettavat materiaalit: PLA, ABS, HIPS, PA, PC ja PEEK -valmius
• Tulostusalueen koko: Kahdella tulostuspäällä 220 x 200 x 200 mm
• Resoluutio: 0,02 - 0,4 mm
• Seinämäpaksuus: vähintään 0,4 mm, 1,2 mm optimi
• Suuttimen koko: 0,4 mm
• Langan halkaisija: 1,75 mm
• Asemointitarkkuus (X/Y): 0,01 mm
• Asemointitarkkuus (Z): 0,02 mm
• Tulostustarkkuus: +/- 0,2 mm
• Tulostusnopeus: 60 mm/s
• Suuttimen lämpötila: max 390◦C
• Tulostusalustan lämpötila: 125◦C
• Lämmitetty tulostuskammio: Kyllä, passiivinen, max 55◦C
• Poistoilman suodatus: Aktiivihiili + HEPA. (miniFactory 2018) 4.2 FDM -tulostettavan kappaleen suunnittelu
Materiaalipursotusta kutsutaan yleisesti yksinkertaisimmaksi 3D-tulostusteknologiaksi, mutta on tällä tulostusteknologialla valmistettavan kappaleen suunnittelussa useita huomiotavia kohteita. Suurin osa suunnittelussa huomioitavista ominaisuuksista liittyy FDM-tulosteen anisotrooppisiin materiaaliominaisuuksiin ja tukien käytön tarpeeseen. (Redwood et. al. 2017, s. 157)
4.2.1 Tuet ja tulostussuunta
FDM-tulostuksessa vaakatasosta alle 45◦ kulman overhang -piirteet tarvitsevat aina tukirakenteen. Vaakatason suuntaiset sillat, joiden pituus tukipisteiden välillä on yli 10 mm tarvitsevat myös tukirakenteen. Yli 5mm pituisissa tukemattomissa silloissa esiintyy yleensä myös roikkumista. Tukirakenteet lisätään 3D-tulostettavaan kappaleeseen mallin pilkkomisen yhteydessä. (Redwood et. al. 2017, s. 158-165) (3DHubs 2018h)
Tulosteessa esiintyvät reiät voivat vaakatasossa ollessaan luoda edellä mainitun sillan, joka tarvitsee tukirakenteen. Tukirakenteen poisto reiästä voi olla hankalaa ja reiän muoto- ja
mittatarkkuus voi olla heikko.
Reiän kääntäminen pystysuuntaan poistaa tarpeen tukirakenteelle ja muototarkkuus paranee, mutta reiän halkaisija on yleensä pienempi kuin CAD-mallissa. Jos vaatimuksena on mittatarkka reikä, kannattaa reikä porata valmiiseen tulosteeseen. (Redwood et. al. 2017, s. 169-170) (3DHubs 2018h)
4.2.2 Anisotropia
FDM-tulostuksen kerrosten kiinnittymisestä johtuen, tulosteella on eri suunnissa erilaiset mekaaniset ominaisuudet. Kerroksia vasten kohtisuorassa tuloste kestää parhaiten taivutusta ja huonoiten vetoa. Kerroksien suuntaisesti tuloste taas kestää parhaiten vetoa ja heikoiten taivutusta. (3DHubs 2018h) Tulostussuunnan vaikutusta kappaleen kuormitettavuuteen esitetty kuvassa 13.
Kuva 13. Tulostussuunnan vaikutus kappaleen kuormitettavuuteen, muokattu (3DHubs 2018h).
Tulosteen anisotrooppiset ominaisuudet tulee ottaa huomioon suunnittelussa ja valmistusvaiheessa tulosteen asettelussa eli tulostussuuntaa määritellessä.
4.2.3 Täytöt ja kuoret
FDM-tulosteita ei yleensä tulosteta täysin umpinaisiksi, vaan pintakerrokset tulostetaan täyteen ja sisäosiin tulostetaan täyttö. Näin voidaan lyhentää tulostusaikaa ja säästää kustannuksissa.
Täytöt ja kuoret määritellään 3D-mallin viipaloimisen yhteydessä viipalointiohjelmistossa.
(Redwood et. al. 2017, s. 167-169)
Kuvassa 14 esitetty tulosteen rakennetta. Tuloste koostuu kuorista ja täytöstä. Kuorien paksuus kannattaa mitoittaa suuttimenhalkaisijan monikerraksi, näin vältetään onkaloiden syntyminen.
(3DHubs 2018i)
Kuva 14. Kuoret ja täyttö FDM-tulosteessa, muokattu (3DHubs 2018i).
Täytön määrä riippuu tulostettavan kappaleen käyttökohteesta. Yleensä 20% täyttö, mikä on useissa viipalointiohjelmistoissa oletus, on riittävä. Pelkän muodon testaamiseksi jopa 10%
täyttö voi olla riittävä, mutta jos kappaleeseen kohdistuu kuormitusta voi olla tarpeen tulostaa jopa 100% täyttö. Täytön lisääminen 25%:sta 50%:n kasvattaa lujuutta noin 25%, mutta täytön lisääminen 50%:sta 70%:n ei kasvata lujuutta kuin noin 10%. Täyttöasteen kasvattaminen vaikuttaa tulostusaikaan ja -kustannuksiin. (Redwood et. al. 2017, s. 167-168) (3DHubs 2018i) Kuvassa 15 esitetty eri täyttöasteita.
Kuva 15. Eri täyttöasteita, vasemmalta oikealle; 20%, 50% ja 75% (3DHubs 2018i).
Kuvassa 16 esitetty eri täyttögeometrioita, alkaen vasemmalta ylhäältä; nelikulmio, kolmiomainen, sahakuvio ja hunajakenno. Nelikulmainen täyttögeometria on yleensä oletusgeometria ja tarjoaa hyvin jäykkyyttä kaikkiin suuntiin ja on suhteellisen nopea tulostaa. Kolmiomainen täyttögeometria tarjoaa lisäjäykkyyttää seinämien suunnassa, mutta on hitaampi tulostaa. Sahakuvio sopii joustavien materiaalien tulostuksen täytöksi, mahdollistaa puristumista, kiertymistä ja painumista. Hunajakennotäyttö on suosittu ja tarjoaa hyvin jäykkyyttä kaikissa suunnissa. (Redwood et. al. 2017, s. 168)
Kuva 16. Eri täyttögeometrioita, muokattu (3DHubs 2018i).
4.2.4 FDM -suunnittelutaulukko
FDM-tulostettavan kappaleen suunnittelussa huomioitavat piirteet ovat: seinämäpaksuus, overhang, koho- tai kaiverretut piirteet, horisontaaliset sillat, reiät, välykset, piirteen koko, tapit ja tukemattomat ulokkeet. Taulukossa 3 esitetty suunnitteluohjeet näiden piirteiden suunnittelua koskien. (Redwood et. al. 2017, s. 174-175)
Taulukko 3. FDM-tulostettavan kappaleen piirteiden suunnittelusääntöjä (Redwood et. al. 2017, s. 174-175)
Piirre Suunnittelusääntö Seinämäpaksuus 0,8 mm
Pienin seinämäpaksuus on 0,8 mm, seinämäpaksuus kannattaa suunnitella
suuttimen halkaisijan monikertoina, jos tunnettu. Suuttimen halkaisija yleensä 0,4 mm.
Overhang 45◦
Vaakatasosta alle 45◦kulmassa olevat piirteet tarvitsevat tukimateriaalia tulostuksen onnistumiseksi.
Kohokuviot
ja kaiverrukset 0,6 mm x 2 mm
Koho-/kaiverruskuvioinnin paksuus tulee olla 0,6 mm ja korkeus/syvyys 2 mm.
Horisontaaliset
sillat 10 mm
Tukemattoman horisontaalisen sillan suurin pituus 10 mm.
Reiät 2 mm.
Alle 2mm halkaisijaltaan olevia reikiä tulee välttää. Reiät tulostuvat yleensä pienempinä kuin mallissa, tarkkojen reikien poraamista valmiiseen tulosteeseen suositellaan.
Välykset 0,5 mm
Liittyvien osien välykseksi suositellaan 0,5 mm, liitoksen tyypistä riippuen tätä voidaan muuttaa.
Piirteen koko 2,0 mm
Alle 2 mm kokoisen piirteen tulostaminen ei suositeltavaa.
Tapin koko 3.0 mm
Pystyasennossa olevan tapin halkaisija ei saa olla alle 3 mm.
Tukemattomat
ulokkeet 3 mm
Tukemattoman ulokkeen ulkonema ei tulisi olla yli 3 mm.
Edellä esitettyjä laitteiston ja tuotteen suunnittelua koskevia sääntöjä ja reunaehtoja sovelletaan tässä tutkimuksessa käytettävän koekappaleen geometrian suunnittelussa.
5 KOEKAPPALE
Koekappaleella testataan onnistuuko aiemmin esitettyjen suunnitteluohjeiden mukaan suunnitellun kappaleen valmistaminen käytettävissä olevalla 3D-tulostuslaitteistolla.
Koekappale koostuu kahdesta liittyvästä osasta, jotka lukittuvat toisiinsa snap-fit -liitoksella.
Koekappaleeseen valitut geometriset ja toiminnalliset piirteet:
• Tukematon uloke: Suurin ulkonema 3 mm.
• Overhang: 45◦overhang-muoto.
• Reikä: Suunniteltua tulostussuuntaa kohtisuorassa oleva reikä,10 mm
• Snap-fit -liitos.
• Liittyvä kappale: Liittyvien kappaleiden välys 0,5 mm.
Koekappaleen valmistuspiirustukset ovat liitteessä II. Kuvassa 17 on koekappaleen 3D-malli.
Liitteessä III on esitetty kuvat koekappaleen 3D-malleista ennen lopullista geometriaa.
Kuva 17. Koekappaleen 3D-malli.
Koekappaleen suunnittelussa käytetään SolidWorks -suunnitteluohjelmistoa. Tulostimelle vietäessä käytetään Repetier-Host ohjelmistoa, viipalointiin ja G-koodin tekoon käytetään CuraEngineä. Repetier ohjelman tulostinasetukset asetetaan miniFactoryn asennusohjeen mukaan, CuraEnginessä käytetään miniFactory toimittaman asennuspaketin mukana tulevia asetustiedostoja. Tulostin ja CuraEngine asetukset on esitetty liitteessä IV.
5.1 Liittyvän osan ja snap fit -liitoksen suunnittelu
Koekappaleeseen valittiin toiminnalliseksi piirteeksi liittyvä osa ja snap fit -liitos. Liittyvän osan välyksen ohjearvoksi annettiin 0,5 mm. Kuvissa 18 ja 19 on esitetty sisäkkäin menevien osien korkeus- ja leveysmitat. Korkeussuunnassa välykseksi asetettiin tukemattoman ulokkeen mahdollisen roikkumisen kompensoimiseksi kuitenkin 0,75 mm ja leveyssuunnassa ohjeenmukainen 0,5 mm.
Kuva 18. Liittyvien osien korkeudet.
Kuva 19. Liittyvien osien leveydet.
Snap fit -liitoksen osalta päädyttiin muutaman ideointikierroksen jälkeen muotoon, jossa kynnet
ovat pyöreät kiinnittämisen ja irrottamisen helpottamiseksi. Kynsien suunta valittiin siten, että kappaleella on mahdollisimman suuri tasainen pinta joka voidaan asettaa tulostusalustaa vasten. Lisäksi kynnet asetettiin tulostussuuntaa vasten siten ettei kerrosten väliin kohdistu leikkausvoimia osien kiinnityksessä tai irrotuksessa.
Mitoituksen osalta tarkemmat mitat löytyvät liitteessä II esitetyistä valmistuspiirustuksista.
Kynnen tyven ja vastinkappaleen ulkopinnan väliin jätettiin molemmin puolin 0,5 mm välys (kuva 20).
Kuva 20. Vastinkappaleen ulkopinnan ja kynnen tyven mitat.
Kynsien vastinkolon ja kynsien mittojen välykseksi jäi 0,43 mm, kun kynsiä taivutettiin tyvestä sisäänpäin 2◦(kuva 21).
Kuva 21. Kynsien vastinkolon ja kynsien väliset mitat.
5.2 Materiaalit
Koekappaleen valmistukseen käytetään PLA- ja ABS-filamenttia. ABS eli akryylinitriilibutadieenistyreeni on edullinen ja kestävä muovi (Simplify3D 2018a). PLA eli polylaktidi on helposti tulostettava biohajoava muovi (Simplify3D 2018b). Taulukossa 4 vertailtu käytettäviä tulostusmateriaaleja. Lisäksi käytettävissä on PolySupport(TM) -tukifilamentti, jota voidaan käyttää helposti poistettavien tukirakenteiden tulostamiseen.
Taulukko 4. ABS- ja PLA-muovien vertailu (Simplify3D 2018c).
ABS PLA
Lämmitys vaaditaan 45 - 60
Lämmitys ei pakollinen
6 TULOKSET
Seuraavissa kappaleissa on kuvattu koetulosteissa käytetyt tulostusparametrit ja käytetty materiaali. Tulostusalustassa käytettiin kappaleen kiinnitykseen PLA-muovilla miniFactoryn toimittamaa tarttuma-ainetta, ABS-muovilla käytettiin samaa alustaa kuin PLA-muovilla tai Kapton teippiä. Tulostusalusta kalibroitiin alustan vaihdon yhteydessä.
Koetulosteita ei jälkikäsitelty tulostuksen jälkeen, ainoastaan mahdollinen tuki irrotettiin.
6.1 Koetuloste 1
Ensimmäinen koetuloste tulostettiin PLA -muovista käyttäen oletusasetuksia. Tukimateriaalia ei käytetty, tulostusalustaan oli levitetty tartunta-aine valmiiksi ja tulostusalustan kalibrointia ei suoritettu ennen ensimmäisen tulostuksen aloittamista.
Koetulosteen 1 tulostus:
• Materiaali: PLA
• Kerrospaksuus: 0,2 mm
• Kerrosmäärä: 125
• Kuljetusnopeus: 35 mm/s, kuori 30 mm/s, täyttö 37 mm/s
• Suuttimen lämpötila: 205◦C
• Tulostusalustan lämpötila: 60◦C
• Täyttöaste: 20 %
• Tukimateriaali: Ei
• Tulostusaika: 1h 41min
Liitos toimii. Pinnanlaatu varsinkin vinoilla pinnoilla karkea. Reikä ei ole pyöreä, ylälaita roikkuu. Overhangin jatkeena oleva tukematon uloke roikkuu. Pienemmän kappaleen kapeilla pinnoilla ylä- ja alakerroksen täytössä reikiä.
Kuva 22. Koetuloste 1.
6.2 Koetuloste 2
Toinen koetuloste tulostettiin PLA -muovista käyttäen tukimateriaalia ja 0,1 mm kerrospaksuutta, muutoin asetuksia ei muutettu oletusarvoista. Tulostusalustaan ei tehty muutoksia ensimmäisen ja toisen tulosteen välissä, eli alustaa ei kalibroitu eikä siihen levitetty uutta tarttuma-ainetta.
Koetulosteen 2 tulostus:
• Materiaali: PLA
• Kerrospaksuus: 0,1 mm
• Kerrosmäärä: 249
• Kuljetusnopeus: 35 mm/s, kuori 30 mm/s, täyttö 37 mm/s
• Suuttimen lämpötila: 205◦C
• Tulostusalustan lämpötila: 60◦C
• Täyttöaste: 20 %
• Tukimateriaali: Kyllä, vain alustasta, PolySupport
• Tulostusaika: 5h 15min
Koetulosteen 2 tulostaminen keskeytyi filamentin oltua solmussa kelalla. Tulosteen korkeus noin 2 mm suurempi kuin ensimmäisen tulosteen. 2. suuttimesta roikkuva tukifilamentti tarttuu tulosteeseen ja aiheuttaa jälkikäsittelyä vaativia kosmeettisia haittoja. Liitos toimii. Reikä
ei tulostunut kokonaan ja overhang -muodon yläpäässä oleva tukematon uloke jäi kokonaan tulostumatta.
Kuva 23. Koetuloste 2.
6.3 Koetuloste 3
Kolmas koetuloste tulostettiin PLA -muovista kerrospaksuudella 0,3 mm ja tukea käyttäen.
Kappaleita käännettiin 90◦Z-akselin suhteen tavoitteena näin välttää 2. suuttimen kosketuksen aiheuttamaa tulostuslaadun heikkenemistä vinolla pinnalla. Tulostusalustaan ei tehty muutoksia.
Koetulosteen 3 tulostus:
• Materiaali: PLA
• Kerrospaksuus: 0,3 mm
• Kerrosmäärä: 83
• Kuljetusnopeus: 30 mm/s, kuori 27 mm/s, täyttö 32 mm/s
• Suuttimen lämpötila: 205◦C
• Tulostusalustan lämpötila: 60◦C
• Täyttöaste: 20 %
• Tukimateriaali: Kyllä, vain alustasta, PolySupport
• Tulostusaika: 1h 52min
Liitos toimii ja käy ristiin ensimmäisen tulosteen kanssa. Tulosteen korkeus selvästi lähempänä ensimmäisen kuin toisen tulosteen korkeutta.
Kuva 24. Koetuloste 3.
6.4 Koetuloste 4
Neljäs koetuloste tulostettiin ABS-muovista kerrospaksuudella 0,2 mm tukimateriaalia käyttäen.
Tulostusalustaan ei tehty muutoksia, eli käytettiin samaa kiinnikeainetta kuin PLA-muovilla.
Koetulosteen 4 tulostus:
• Materiaali: ABS
• Kerrospaksuus: 0,2 mm
• Kerrosmäärä: 125
• Kuljetusnopeus: 30 mm/s, kuori 27 mm/s, täyttö 32 mm/s
• Suuttimen lämpötila: 255◦C
• Tulostusalustan lämpötila: 125◦C
• Täyttöaste: 20 %
• Tukimateriaali: Kyllä, vain alustasta, PolySupport
• Tulostusaika: 2h 57min
Tuloste ei kiinnittynyt kunnolla alustaan, vetelyä paljon, liittyvät osat eivät liity. Kerrosten välissä tukimateriaalipisaroita.
Kuva 25. Koetuloste 4.
6.5 Koetuloste 5
Viides koetuloste tulostettiin samalla G-koodilla ja tulostimen asetuksilla kuin koetuloste 4.
Tulostusalustaan asennettiin Kapton teippi ja tulostusalusta kalibroitiin.
Koetulosteen 5 tulostus:
• Materiaali: ABS
• Kerrospaksuus: 0,2 mm
• Kerrosmäärä: 125
• Kuljetusnopeus: 30 mm/s, kuori 27 mm/s, täyttö 32 mm/s
• Suuttimen lämpötila: 255◦C
• Tulostusalustan lämpötila: 125◦C
• Täyttöaste: 20 %
• Tukimateriaali: Kyllä, vain alustasta, PolySupport
• Tulostusaika: 2h 57min
Tarttuminen alustaan parempi kuin tulosteessa 4. Liittyvät osat liittyvät ja toimivat ristiin ensimmäisen ja kolmannen tulosteen kanssa.
Kuva 26. Koetuloste 5.
6.6 Koetuloste 6
Koetuloste 6 tulostettiin ABS-muovista 0,1 mm kerrospaksuudella ilman tukea. Tulostusalustaan ei tehty muutoksia, eli alustana toimi Kapton teippi.
• Materiaali: ABS
• Kerrospaksuus: 0,1 mm
• Kerrosmäärä: 259
• Kuljetusnopeus: 30 mm/s, kuori 27 mm/s, täyttö 32 mm/s
• Suuttimen lämpötila: 255◦C
• Tulostusalustan lämpötila: 125◦C
• Täyttöaste: 20 %
• Tukimateriaali: Ei
• Tulostusaika: 3h 51min
Koetuloste vääntyi hieman tulostusalustasta irrotuksen yhteydessä. Irrotus tehtiin liian pian tulostuksen jälkeen, eikä tuloste ollut ehtinyt jäähtyä riittävästi.
Kuva 27. Koetuloste 6.
7 TULOSTEN ANALYSOINTI
Tässä kappaleessa arvioidaan koetulosteista saatuja tuloksia. Arvioidaan geometristen ja toiminnallisten piirteiden tulostuksen onnistuminen ja lopuksi käydään läpi koetulosteiden tulostuksen aikana ilmenneitä häiriöitä tulostuksessa.
7.1 Snap-fit -liitos ja osien liittyminen
Koekappaleeseen suunniteltu snap-fit -liitos onnistui ja liitos toimi kaikissa muissa paitsi neljännessä koetulostuksessa, joka irtosi tulostusalustasta ja vetelyn aiheuttamat muodonmuutokset olivat liian suuria. Kuvassa 28 on nähtävissä koetulosteen 4 muodonmuutoksia.
Kuva 28. Koetulosteen 4 deformaatio.
Liittyvät osat liittyivät myös suurimmalta osin ristiin tulosteiden kesken. Kuvassa 29 nähtävissä koetulosteen 6 kanssa ilmentynyttä vajaata asettumissyvyyttä, tätä ja muodonmuutoksista kärsinyttä 4 tulostetta lukuun ottamatta osat kävivät ristiin. Kuvassa 30 on esitetty osien liittyminen keskenään ristiin. Liittyvien osien geometria selvästi salli heittoa mittatarkkuudessa, mikä huomattiin joidenkin osien tiukempana liittymisenä. Koekappaleen välykset 0,5 mm leveydessä ja 0,75 mm korkeudessa tuottivat toimivia liittyviä osia.
Kuva 29. Koetulosteen 6 vajaa liittymissyvyys.
Kuva 30. Osien liittyminen keskenään.
7.2 Overhang ja tukematon uloke
Overhang -muodon ja tukemattoman ulokkeen tulostaminen onnistui sekä tuen kanssa, että ilman. Kuvissa 31 ja 32 nähtävissä ABS ja PLA -tulosteita tulostettuna tuen kanssa ja ilman.
Kuvista nähtävissä ilman tukimateriaalia tulostetun tukemattoman ulokkeen roikkumista, samaa roikkumista nähtävissä myös reiän ylälaidassa erityisesti PLA-tulosteessa.
Kuva 31. ABS-tulosteita. Vasemmalla tulostettu tuen kanssa, oikealla ilman.
Kuva 32. PLA-tulosteita. Vasemmalla tulostettu ilman tukea, oikealla tuen kanssa.
Liittyvän osan liukupintana toimivan tukemattoman ulokkeen tulostuksessa ei käytetty tukea.
Tässä piirteessä ei kuitenkaan ilmennyt roikkumista ainakaan siinä määrin, että se olisi haitannut
Tässä piirteessä ei kuitenkaan ilmennyt roikkumista ainakaan siinä määrin, että se olisi haitannut