BIOMATERIAALIEN OMINAISUUDET JA SOVELLUSKOHTEET 3D-TULOSTUKSESSA
Kandidaatintyö Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta Tarkastaja: Pauli Mustalahti Huhtikuu 2020
TIIVISTELMÄ
Matias Äijälä: Biomateriaalien ominaisuudet ja sovelluskohteet 3D-tulostuksessa Kandidaatintyö
Tampereen yliopisto
Teknisten tieteiden TkK-tutkinto-ohjelma Huhtikuu 2020
Tässä työssä tutkitaan kirjallisuuden avulla biomateriaalien käyttöä suurten kappaleiden 3D- tulostuksessa eri tulostusmenetelmien sekä materiaalin ominaisuuksien näkökulmasta. 3D-tulos- tusprosessiin vaikuttaa keskeisesti tulostusmateriaalin ominaisuudet. Työn ensimmäisenä tar- koituksena on selvittää, mitkä ovat biokomposiittien keskeiset ominaisuudet sekä millaisia bio- komposiittimateriaaleja markkinoilla on saatavilla. Toisena tavoitteena on tutkia, miten eri 3D- tulostusmenetelmät soveltuvat suurten kappaleiden tulostamiseen biokomposiiteilla, ja selvittää millaisia sovelluskohteita ja haasteita suurten kappaleiden tulostukseen liittyy. Viimeisenä tavoit- teena on tutkia markkinoilta löytyvien biomateriaalien tulostamiseen soveltuvia, suurten kappalei- den tulostamiseen tarkoitettuja, tulostinkomponentteja.
Biokomposiitit koostuvat yleisimmin selluloosakuiduista, joita sekoitetaan PLA-muovin jouk- koon. Materiaalin tulostuksen kannalta keskeisimmät ominaisuudet ovat lämpötila herkkyys sekä materiaalin lujuus ja elastisuus, jotka tutkimusten mukaan kasvavat, kun selluloosakuitupitoisuutta kasvatetaan. Markkinoilta löytyi biokomposiitteja valmistajilta, kuten UMP ja Stora Enso.
Mahdollisina 3D-tulostumenetelminä tarkasteltiin stereolintografiaa, Fused filament fabricatio- nia sekä Fused granular fabricationia. Näistä menetelmistä parhaiten suurten kappaleiden tulos- tukseen osoittautui soveltuvan Fused granular fabrication, sillä markkinoilta löytyy runsaasti me- netelmään perustuvia suuren kokoluokan tulostinkomponentteja, ja pellettimateriaalia on helppo käsitellä suurina määrinä. Suurten kappaleiden tulostuksella on myös sovelluskohteita useilla eri teollisuuden aloilla, niistä kuitenkin merkittävimpänä rakennusteollisuus, jossa tulostetaan koko- naisia taloja. Haasteina näissä sovelluksissa on menetelmien hitaus sekä tulostettavien materi- aalien kalliit hinnat. Materiaalien kallis hinta kuitenkin kompensoituu vähenevinä työvoimakustan- nuksina.
Suurten kappaleiden tulostuksessa keskeisimpiä komponentteja ovat tulostuspää, materiaa- linsyöttöjärjestelmä sekä mekanismi, jolla liikuttaa tulostuspäätä. Yleisimmin suurtenkappaleiden tulostuksessa tulostuspäätä ohjataan robotilla. Markkinoilta löytyi useita erilaisia suurten kappa- leiden tulostamiseen soveltuvia tulostuspäitä sekä kokonaisratkaisuja. Valittaessa näistä kompo- nenteista biokomposiiteille sopivia tulee ottaa huomioon biokomposiittimateriaalin asettamat vaa- timuksen esimerkiksi tarkasti hallittavan lämpötilan suhteen. Sovelluskohtaisia komponentteja va- litessa kannattaa ottaa myös huomioon esimerkiksi miten suurta tulostuskykyä halutaan tai halu- taanko suoraan valmis kokonaisratkaisu.
Avainsanat: 3D-tulostus, Biomateriaali, Biokomposiitti, Suurten kappaleiden tulostus Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck -ohjelmalla.
SISÄLLYSLUETTELO
1 Johdanto . . . 1
2 Biokomposiitit . . . 3
2.1 Selluloosakuiduilla vahvistettu PLA . . . 3
2.2 Biokomposiittien keskeiset ominaisuudet . . . 4
2.3 Markkinoilla olevat biokomposiitit . . . 5
2.3.1 UPM Formi 3D . . . 5
2.3.2 Stora Enso DuraSense . . . 6
3 3D-tulostusmenetelmät ja sovelluskohteet . . . 7
3.1 Tulostustekniikat . . . 7
3.1.1 Stereolintografia . . . 7
3.1.2 Fused filament fabrication . . . 9
3.1.3 Fused granular fabrication . . . 10
3.2 Suurten kappaleiden tulostus . . . 11
3.2.1 Sovelluskohteet suurten kappaleiden tulostuksessa . . . 11
3.2.2 Haasteet . . . 12
4 Komponentit suurten kappaleiden tulostuksessa . . . 14
4.1 Vaadittavia komponentteja . . . 14
4.2 Vaatimukset komponenteille . . . 15
4.3 Kaupalliset komponentit . . . 15
5 Yhteenveto . . . 19
Lähteet . . . 21
LYHENTEET JA MERKINNÄT
3D Kolmiuloitteinen
ABS Akryylinitriilibutadieenistyreeni, 3D tulosteuksessa käytetty muovi BC Bakteeriselluloosa
CAD Tietokoneavusteinen suunnittelu CNC Selluloosananokide
CNF Selluloosananofibrilli
ESA European Space Agency, Euroopan avaruusjärjestö FDM Fused deposition modeling
FFF Fused filament fabrication FGF Fused granular fabrication MCC Mikrokiteinen selluloosa
PLA Polylaktidi, 3D tulostuksessa käytetty muovi SLA Stereolintografia
1 JOHDANTO
Kolmiulotteisessa (3D) tulostuksessa eli ainetta lisäävässä valmistuksessa perusperiaat- teena on valmistaa fyysisiä osia kerros kerrallaan CAD-mallin pohjalta. 3D-tulostuksessa CAD-malli viipaloidaan pinoksi kaksiulotteisia kerroksia, minkä jälkeen 3D-tulostin tulos- taa suunnitellun osan kerros kerrallaan kaksiulotteisen viipaletiedon perusteella. Tulos- tettaessa mitä ohuempi kukin kerros on, sitä lähempänä tulostettu osa on alkuperäistä mallia. [1]
3D-tulostuksessa käytettäviä materiaaleja löytyy useaan eri tarkoitukseen. Kuitenkin ylei- simpiä tulostusmateriaaleja ovat polymeerit, komposiitit, metallit, keraamit sekä hiekka ja vaha [2]. Materiaalit siis vaihtelevat tulostettavan osan käyttökohteen ja kokoluokan mu- kaan. Pienissä kevyen rasituksen osissa käytetään yleisesti muovia, kun puolestaan suu- rempaa rasitusta vaativissa sovelluskohteissa, kuten esimerkiksi talon rakentamisessa, käytetään betonia. Kuluttajamarkkinoilla käytettävissä tulostimissa suosituimpia tulostus- materiaaleja ovat erilaiset muovit kuten polylaktidi (PLA), akryylinitriilibutadieenistyreeni (ABS) ja nylon [2]. Näiden materiaalien kuitenkin on havaittu olevan mahdollisesti haitalli- sia ihmiselle ja ympäristölle tulostettaessa haihtuvien orgaanisten yhdisteiden ja aeroso- lien myrkyllisyyden vuoksi.
Edellä mainittujen haitallisten ominaisuuksien seurauksena tutkijat ovat alkaneet kehittää biopohjaisia materiaaleja, jotka olisivat uusiutuvia sekä biohajoavia. Mahdollisia materi- aaleja voisi olla selluloosa pohjaiset materiaalit, joita saataisiin edullisesti sekä uusiutu- vista lähteistä. Tällaisia olemassa olevia materiaaleja ovat esimerkiksi mikrokristallisellu- loosa (MCC), selluloosananofibrillit (CNF), selluloosananokristallit (CNC) ja bakteerisel- luloosa (BC) [2].
Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on tarkastella näiden biomateriaalien ominaisuuk- sia ja soveltuvuutta 3D-tulostukseen. Tavoitteena on tehdä myös selvitys olemassa ole- vista tulostusmenetelmistä. Lopulta materiaalien soveltuvuuden ja ominaisuuksien perus- teella on tarkoitus tarkastella näiden materiaalien tulostamiseen soveltuvia tulostinkom- ponentteja.
Toisessa luvussa käsitellään 3D-tulostuksessa käytettäviä biokomposiitteja ja tutustutaan erityisesti selluloosalla vahvistettuihin PLA -materiaaleihin. Lisäksi luvussa käydään läpi 3D-tulostuksen kannalta keskeisimmät selluloosalla vahvistetun biokomposiitin ominai- suudet.
Kolmannessa luvussa on tarkoituksena esitellä muutamia yleisesti käytettyjä 3D-tulostus-
menetelmiä, kuten stereolintografia, Fused filament fabrication sekä Fused granular fa- brication. Luvussa käsitellään lisäksi suurten biokomposiitti kappaleiden tulostuksessa käytettävää tekniikkaa sekä niihin liittyviä haasteita.
Neljännessä luvussa tutustutaan suurten kappaleiden tulostamisessa käytettäviin kom- ponentteihin, tarkastelemalla millaisia komponentteja vaaditaan sekä onko valmiita kau- pallisia komponentteja saatavilla. Luvussa komponentteja tarkastellaan biokomposiittien asettamien vaatimusten näkökulmasta.
2 BIOKOMPOSIITIT
3D-tulostuksessa käytettävien biomateriaalien keskeinen komponentti on selluloosa. Se ei kuitenkaan sovellu pelkästään ja muokkaamattomana 3D-tulostukseen, vaan selluloo- sakuidut sekoitetaan muovin joukkoon biokomposiitiksi. Yleinen sekoituskohde on PLA, johon voidaan yhdistää esimerkiksi mikrokristalliselluloosaa (MCC), selluloosananofibril- lejä (CNF), selluloosananokristalleja (CNC) tai bakteeriselluloosaa (BC).
2.1 Selluloosakuiduilla vahvistettu PLA
Biokomposiitteja valmistettaessa voidaan sekoittaa selluloosakuituja muoviin. Pohjamuo- viksi tässä tapauksessa sopii uusiutuvista lähteistä valmistettava PLA, jota voidaan val- mistaa esimerkiksi sokerijuurikkaasta tai maissista. PLA on myös hyvä synteettinen po- lymeeri sen lujuuden seurauksena. [3]
Ensimmäinen muoviin sekoitettava kuituvaihtoehto on CNF, joka on valmistettu mekaani- sesti rasittamalla sellumassassa olevia puukuituja. Tällä pyritään irrottamaan kasvin so- luseinät muodostavia mikrofibrillejä toisistaan. Prosessissa valmistuvien kuitujen leveys on luokkaa 20–40 nm ja pituus muutamia mikrometrejä. Fibrilloitumista voidaan helpottaa kemiallisella esikäsittelyllä. [4, s. 9–10]
Toisena sekoitettavana kuituvaihtoehtona on CNC, joka valmistetaan käsittelemällä puu- ja puuvillakuituja voimakkailla hapoilla, kuten rikkihapolla. Tämä aiheuttaa mikrofibrillien katkeamisen, jonka jälkeen saatu materiaali hajotetaan vielä mekaanisesti esimerkiksi ultraäänellä. Saatujen kiteiden leveys on 2–20 nm ja pituusjakauma on 100–600 nm, ja kuivuessaan ne aggregoituvat ja muodostavat MCC:aa. Nanokiteillä on myös laaja tutki- mushistoria, jonka vuoksi sitä on hyvä käyttää erilaisissa sovelluksissa, kuten sideainee- na elintarvike- ja lääketeollisuudessa. [4, s. 11–12]
Viimeinen kuitulaatu on BC, joka syntyy bakteereista biosynteesin seurauksena. Synty- nyt massa on geelimäistä ja se muodostaa fibrilleistä koostuvan verkkorakenteen. Bak- teeriselluloosa on myös mekaanisesti kestävää, jota pystytään muokkaamaan helposti.
Bakteeriperäisyytensä ansiosta materiaali on hyvin puhdasta ja bioyhteensopivaa, min- kä seurauksena se soveltuu hyvin esimerkiksi lääketieteellisiin implantteihin. BC:aa ei kuitenkaan kovin usein käytetä esimerkiksi kaupallisissa 3D-tulostusmateriaaleissa sen korkeiden tuotantokustannusten vuoksi. [4, s. 13–14]
Sekoittamalla edellä mainittuja kuituja PLA:n joukkoon saadaan kasvatettua tulostusma-
teriaalin kimmoisuutta ja lujuutta. Murphyn ja Collinsin [3] mukaan kasvatettaessa CNF:llä vahvistetun PLA:n CNF-pitoisuutta 10 %:sta 70 %:iin materiaalin elastisuus kaksinker- taistui ja lujuus kolminkertaistui. Heidän mukaansa edellä mainitut ominaisuudet kasva- vat lineaarisesti CNF-pitoisuuden funktiona.
2.2 Biokomposiittien keskeiset ominaisuudet
Kaikkiin biokomposiitteihin liittyy tiettyjä ominaisuuksia, jotka täytyy huomioida tulostus- materiaalia valitessa käyttökohteen mukaan. Näistä ominaisuuksista hyviä ovat aikaisem- min mainitut lujuus ja elastisuus, erityisesti pituussuunnassa. Håkansonin et al. [5] artik- kelissa tarkastellaan tulostusmateriaalin lujuutta suhteessa CNF -kuitujen suuntaukseen ja heidän mukaansa materiaalista saadaan huomattavasti lujempaa, mikäli nanofibrillit suunnataan samansuuntaisesti. Fibrillien samansuuntaisuutta havainnollistetaan kuvas- sa 2.1.
Kuva 2.1.Luonnos samansuuntaisesti järjestäytyneistä nanofibrilleistä tulostusmateriaa- lissa [5].
Selluloosapohjaisilta biokomposiiteilta löytyy myös tulostusta haittaavia ja vaikeuttavia ominaisuuksia. Tällaisia ominaisuuksia ovat esimerkiksi riittämätön adheesio hydrofiili- sen selluloosamolekyylin ja hydrofobisen polymeerin välillä, tulostettavien komponenttien muotopoikkeamat sekä materiaalin epämääräinen kutistuminen tai laajeneminen [2]. Näi- tä haittoja pystytään kuitenkin kompensoimaan. Wang et al. [2] esittävät artikkelissaan ratkaisuksi 3D-tulostusta, jossa nämä materiaalin ominaisuudet otettaisiin huomioon.
Ongelmia biokomposiiteille aiheuttaa myös laaja lasisiirtymäalue, joka kasvaa kasva- tettaessa selluloosapitoisuutta biokomposiitissa [3]. Lasisiirtymällä tarkoitetaan aineen
muuttumista kovasta ja hauraasta kumimaiseksi aineeksi lämpötilan vaikutuksesta. Tu- lostuslämpötilan tarkkuus on tärkeää, jotta kova biokomposiitti ei muuttuisi kiteisemmäksi ja menisi käyttökelvottomaksi [3].
2.3 Markkinoilla olevat biokomposiitit
Materiaalien ekologisuuden tärkeyden kasvaessa eri valmistajat ovat alkaneet tuotta- maan entistä enemmän biohajoavia materiaaleja. Biokomposiittien valmistamisen on aloit- tanut esimerkiksi pohjoismaiset metsäyhtiöt, kuten UPM ja Stora Enso. Lisäksi muita eu- rooppalaisia biokomposiittivalmistajia ovat esimerkiksi AMORIM, Beologic ja Advanced Compounding.
Taulukko 2.1.Vertailu biokomposiittien ominaisuuksista. [6, 7, 8]
Valmiste Tiheys Sellu pitoisuus Vetolujuus Kimmokerroin
(g cm−3) (%) (MPa) (MPa)
UPM Formi 3D 1,2 20–40 28–48 2600–5400
Stora Enso DuraSense Plus
1,06 30–40 28–42 2100–4100
Advanced Compounding Polywood
1,08 30–70 23–47 3000–6900
Tässä luvussa esitellään tarkemmin kaksi valmistetta, UPM Formi 3D ja Stora Enso Du- raSense Plus. Valmisteet ovat fyysisiltä ominaisuuksiltaan ja koostumukseltaan melko samanlaiset, sillä molempien sellupitoisuus on samaa suuruusluokkaa 20–40 prosentin välillä. Lisäksi lujuus ominaisuudet, kuten kimmokerroin ja vetolujuus ovat molemmissa samaa luokkaa. Tiheyttä verrattaessa DuraSense Plus on hieman kevyempi 1,06 g cm−3. Ominaisuudet on esitelty taulukossa 2.1.
2.3.1 UPM Formi 3D
Markkinoilla oleva UPM:n tuottama Formi 3D on selluloosakuidun ja PLA-muovin yhdis- telmä. Formi 3D:n kuitupitoisuus vaihtelee 20:stä 40:een massaprosenttiin riippuen tar- kemmasta tuotteesta, ja se on täysin kierrätettävää tai se voidaan polttaa energian saa- miseksi [6]. Materiaalin ekologisuutta tukee myös sille myönnetty PEFC-sertifikaatti [9], joka takaa tuotteen raaka-aineena käytetyn metsän kestävän hoidon [10].
UPM markkinoi tuotetta ensisijaisesti pelletteinä, mutta valmistajan mukaan se soveltuu myös filamenttilangan valmistamiseen [6]. Tällöin se sopii käytettäväksi Fused filament fabrication -tekniikan kanssa. Filamenttilangalla tarkoitetaan kelalta tulostimeen syötettä- vää pyöreää muovilankaa. Kyseinen menetelmä on esitelty alaluvussa 3.1.2. Formi 3D soveltuu suuren kokoluokan tulostamiseen, koska sitä voidaan käyttää suuremman koko- luokan suuttimissa [9].
2.3.2 Stora Enso DuraSense
Stora Enson markkinoima DuraSense-tuoteperhe tarjoaa useita biokomposiittimateriaa- leja useisiin eri käyttötarkoituksiin. Saatavilla on tuotteita, jotka ovat tarkoitettuja erilaisil- le valmistusmenetelmille, kuten ruiskuvalamiseen ja 3D-tulostukseen esimerkiksi Fused granular fabrication -menetelmällä. 3D-tulostukseen tarkoitettujen biokomposiittien sellu- loosakuitupitoisuus vaihtelee 30:stä 60:een massaprosenttiin tuotteesta riippuen. Dura- Sense -materiaalit ovat myös täysin kierrätettäviä. [11]
DuraSense -tuotteet soveltuvat myös useisiin käyttökohteisiin, kuten huonekaluvalmis- tukseen, pakkausmateriaaleiksi sekä lelujen valmistamiseen [11]. Tuoteperheen tarjoa- mien 3D-tulostusmateriaalit ovat myös turvallisia joutuessaan kontaktiin ruuan kanssa, mikä kasvattaa materiaalin käyttökohteiden määrää laajasti. Tulostusmateriaali on myös joustavaa ja iskunkestävää. [12]
3 3D-TULOSTUSMENETELMÄT JA SOVELLUSKOHTEET
3D-tulostus perustuu kappaleen valmistamiseen lisäämällä tulostusmateriaalia kerroksit- tain valmistettavaan kappaleeseen. Tämä voidaan toteuttaa useilla erilaisilla menetelmil- lä, joista tässä kappaleessa esitellään yleisesti stereolintografia (SLA), Fused filament facrication (FFF) ja Fused granular fabrication (FGF). Muita tulostusmenetelmiä ovat esimerkiksi multijet printing (MJP), selective laser sintering (SLS), direct metal printing (DMP) sekä concrete deposition (CD). Tässä luvussa tarkastellaan erityisesti tulostus- menetelmien soveltuvuutta suurten kappaleiden tulostukseen.
3.1 Tulostustekniikat
Tulostustekniikoita on olemassa eri tarkoituksiin ja eri materiaaleille. Menetelmien mah- dolliset tulostusnopeudet sekä mahdolliset resoluutiot vaihtelevat myös menetelmän mu- kaan. Näiden menetelmien ominaisuuksia on vertailtu taulukossa 3.1. Seuraavaksi esi- tellään menetelmät, jotka soveltuvat suurten kappaleiden tulostamiseen.
Taulukko 3.1.Vertailu tulostusmenetelmien ominaisuuksista [13].
Menetelmä Resoluutio Tulostusnopeus Max. Tulostustilavuus
(mm) (L h−1) (L)
SLA 0,030 0,011 618,78
FFF ja FGF 0,254 0,044 509,70
MJP 0,025 0,224 59,21
SLS 0,150 0,949 226,88
DMP 0,030 0,0015 31,76
CD - 547 2438400
3.1.1 Stereolintografia
Stereolintografia (SLA) käyttää hyödykseen valopolymerointia eli prosessissa neste ko- vetetaan kiinteäksi muoviksi valon tai muun säteilyn avulla. Pääasiassa käytettävä valon aallonpituus on ultravioletti alueella, mutta näkyvänkin valon joitakin aallonpituuksia saa- tetaan käyttää [1]. SLA -tulostuksessa käytetty tekniikka on kehitetty 1960-luvulla, jolloin kehitettiin ensimmäiset valoon reagoivat polymeerit. 80-luvun puolivälissä Charles Hull
[1] kokeili kovettaa polymeerejä kerros kerrokselta ja onnistui siten tuottamaan kiinteän kolmiulotteisen kappaleen. SLA -tulostin siis kovettaa kappaleen kerros kerrallaan.
Kuva 3.1.Periaatekuva eri SLA -tulostusmenetelmistä. a) Vektoriskannaus, b) Projektio ja c) Kahden fotonin menetelmä. [1]
Kovettaakseen uuden kerroksen halutun muotoiseksi SLA -tulostin käyttää kolmea me- netelmää, jotka on esitelty kuvassa 3.1. Ensimmäinen menetelmä on vektoriskannaus eli laser liikkuu pisteestä pisteeseen menetelmällä piirtäen aina uuden kerroksen. Tätä menetelmää käytetään suuressa osassa kaupallisista SLA -tulostimista. Toisessa mene- telmässä voidaan projisoida koko kerros kerrallaan kappaleen pintaan. Viimeinen me- netelmä on kahden fotonin menetelmä, jossa kaksi laseria piirtää kerroksen pisteestä pisteeseen periaatteella. Tämä takaa myös korkeamman tulostusresoluution. [1]
Kovetettaessa uutta kerrosta täytyy tulostuspinnalle ensin saada aina uusi kerros kovetet- tavaa nestettä. Tämä voidaan toteuttaa laskemalla tulostustasoa ja kastamalla kappale nestealtaaseen sekä nostamalla tämä takaisin ylös, jonka jälkeen uusi kerros voidaan kovettaa [1]. Tulostusalusta on kuvattuna kuvassa 3.1, kun kappale tulostetaan alhaal- ta ylös. Toinen tapa on kostuttaa pinta pyyhkäisemällä sen yli terällä, mutta terä saattaa aiheuttaa vahingossa edellisen kerroksen irtoamisen, ja siten tulostettavan kappaleen vaurioitumisen [1].
SLA soveltuu pääsääntöisesti pienten kappaleiden tulostamiseen sen tulostustarkkuuden
vuoksi. SLA -tulostinten tulostuspinnankarheus vaihtelee mikrometristä 100 mikrometriin [1]. Pinnankarheus vaikuttaa kappaleen ulkonäköön, kulumiseen sekä kitkaan. Suurten kappaleiden kohdalla SLA muuttuu kuitenkin hankalaksi käyttää, sillä nestemäistä poly- meeriä vaadittaisiin todella suuri määrä. Vaikka suuri nesteallas olisikin saatavilla, niin kovetettavan kerroksen ohuuden vuoksi tulostamisesta tulisi hidasta ja hankalaa.
3.1.2 Fused filament fabrication
Fused filament fabrication (FFF) toiselta nimeltään Fused deposition modelling (FDM) on ekstruusioon eli suulakepuristukseen perustuva tulostusmenetelmä, jossa tulostetta- va materiaali on lähtötilanteessa filamenttilankana. Ekstruusioon perustuvista 3D tulos- timista FFF -tulostimet ovat kaikkein käytetyimpiä ja niitä löytyy laaja valikoima halvasta kalliiseen sekä pienestä mittakaavasta suurempiin ja taipuvaisempiin laitteisiin [1].
Kuva 3.2.Periaatekuva FFF tulostimesta [1].
FFF -menetelmän toimintaa havainnollistetaan kuvassa 3.2. Menetelmässä filamenttilan- kaa syötetään jatkuvasti tulostimen sulatuskammioon (Liquifier chamber) langan ympä- rille puristuvien rullien (Pinch roller feed system) avulla. Tämän seurauksena saadaan luotua sulatuskammioon paine, joka työntää sulan materiaalin lopulta ulos tulostuspään suuttimesta (Nozzle tip). Materiaalia pursotetaan kerros kerrokselta ja suuttimen muoto määrittää lopulta pursotetun materiaalin koon sekä muodon. Liian suuri suutin saattaa aiheuttaa tulostuksessa epätarkkuutta. [1]
Materiaalin sulatus sulatuskammiossa tapahtuu yleensä sen ympärillä olevien lämmitys- vastusten avulla ja sulan materiaalin lämpötila pyritään pitämään mahdollisimman vakio- na ja alhaisena [1]. Liian korkeasta lämpötilasta saattaa aiheutua joidenkin polymeerien hajoaminen, esimerkiksi lasisiirtymän seurauksena. Lämpötilan tarkkuus korostuu myös pursotettaessa sillä tulostettavan kerroksen pitää sulaa lujasti yhteen edellisen kerroksen
materiaalin kanssa [1].
FFF soveltuu hyvin erikokoisten kappaleiden tulostamiseen ja edullisuutensa vuoksi saa- tavilla on paljon aloittelijatason ratkaisuja. Korkeaa tulostustarkkuutta vaativissa tulostus- töissä FFF:n esteeksi kuitenkin tulee kalliidenkin laitteiden vain 0,078 mm:n kerrospak- suus sekä pyöreä suutin, joka estää terävien kulmamuotojen tulostamisen suurella tark- kuudella [1]. Suurten kappaleiden tulostuksessa ekstruusiomenetelmät ovat hyviä, mutta FFF:n suhteen ohut tulostuslanka asettaa suurimmat rajoitteet rajoittaessaan materiaalin saatavilla olevaa massavirtaa.
3.1.3 Fused granular fabrication
Fused granular Fabrication (FGF) on toinen ekstruusioon perustuva tulostusmenetelmä, jossa materiaali syötetään tulostimeen pelletteinä. Toisin kuin FFF -menetelmä loi tu- lostukseen vaadittavan paineen työntämällä filamenttilankaa, niin FGF hyödyntää ma- teriaalin pursottamiseen vaadittavan paineen tuottamiseen pyörivää ruuvia [14]. FGF - tulostimen rakenne on kuvattu kuvassa 3.3.
Kuva 3.3.Periaatekuva FGF tulostimesta [14]. 1) Materiaalin syöttösuppilo, 2) Ruuvi, 3) Lämmityselementit, 4) Suutin, 5) Tulostusalusta, 6) Tulosteen tukirakenne
FGF:ssä kiinteät pelletit syötetään pyörivälle ekstruusio ruuville, jonka ympärillä olevat vastukset sulattavat materiaalin ja ruuvi työntää sulan massan eteenpäin. Lopulta ruuvi työntää massan tulostuspäähän ja ulos suuttimesta. FGF:ssä tulostettava kappale muo- dostuu samaan tapaan pursottamalla kerros kerrokselta kuin FFF:ssä, liikuttaen joko tu- lostuspäätä tai tulostusalustaa ja seuraamalla tulostettavan kappaleen muotoa. [14]
Materiaalin sulatuksessa tulisi pitää materiaalin lämpötila mahdollisimman alhaisena sa- moin kuin FFF -tulostuksessa, jotta vältetään mahdollinen materiaalin hajoaminen. Kui-
tenkin on huolehdittava kerrosten riittävästä kiinnittymisestä. FGF:n tulostustarkkuus on myös kiinni suuttimen koosta samoin kuin FFF:ssä. [1]
Pienten kappaleiden tulostuksessa tarkkuus on samaa luokkaa kuin FFF:n. Suurten kap- paleiden tulostukseen menetelmä sopii tässä työssä esitellyistä parhaiten. Suuri määrä materiaalia on helppo syöttää tulostuspäälle esimerkiksi putkea pitkin. Markkinoilta löytyy myös pellettimateriaalin tulostukseen valmiita tulostuspäitä.
3.2 Suurten kappaleiden tulostus
3D-tulostus mahdollistaa lähes minkä tahansa geometrisen muodon valmistamisen, min- kä vuoksi kiinnostus soveltaa 3D-tulostusta suuriin kappaleisiin kasvaa jatkuvasti. Tämän seurauksena myös uusia sovelluskohteita ja menetelmiä kehitetään. Suuria kappaleita tulostettaessa voidaan tulostuspäätä liikuttaa tavanomaisten kiskojen sijaan esimerkiksi kiinnittämällä se robottiin tai ohjaamalla sitä vaijereiden varassa sovelluskohteen mukaan [15, 16].
Suurten kappaleiden tulostus luo uudenlaisia mahdollisuuksia tavaroiden ja osien valmis- tukseen, mutta se asettaa myös haasteita. Useimmat näistä haasteista liittyvät tulostet- tavan materiaalin ominaisuuksiin sekä ajallisiin tai rahallisiin kustannuksiin.
3.2.1 Sovelluskohteet suurten kappaleiden tulostuksessa
Sovelluskohteita suurten kappaleiden tulostukselle löytyy useille eri teollisuudenaloille sekä materiaaleille ja siksi useat eri alojen yritykset kehittävätkin suurten kappaleiden tulostimia. Kaikkein suurimmat tulostimet sijoittuvatkin rakennusteollisuuteen, jossa pyri- tään tulostamaan kokonaisia taloja. Tästä esimerkkinä kiinalainen Winsun, joka on ke- hittänyt betonitulostimen, jolla yritys onnistui tulostamaan kokonaisen viisi kerroksisen asuintalon [13]. Toisena esimerkkinä rakennusten tulostamisesta toimii maailman suurin 3D-tulostettu talo Dubaissa, joka on pinta-alaltaan 641 m2ja korkeudeltaan 9,5 m. Talo tu- lostettiin useassa osassa siirtämällä tulostinta nosturilla, sillä toistaiseksi ei ole olemassa tulostinta, joka tulostaisi näin laajalla alueella. [17]
Kokonaista taloa kuitenkin tulostettaessa haasteen asettaa tulostuspään liikuttaminen laajalla alueella. Tähän ratkaisuksi Izardin et al. [16] ovat esittäneet ratkaisuksi tulos- tuspäätä, joka ripustetaan vähintään kuudella vinssiin kiinnitetyllä vaijerilla ympäröivään kehikkoon ja alustaan. Tällöin tulostuspäätä saadaan ohjattua vaijereiden avulla. Raken- nusten tulostuksessa materiaalina toimii yleensä betoni sen edullisuuden vuoksi. Raken- nusteollisuudessa biokomposiitit voisivat olla hyödyksi tulostettaessa joustavuutta vaati- via rakenteita, sillä materiaalina biokomposiitit ovat elastisia. Toinen hyödyksi käytettävä ominaisuus voisi olla myös biokomposiittien puupintaa muistuttava ulkonäkö, jolloin niitä voitaisiin käyttää täysin esteettisiin tarkoituksiin.
Biokomposiittien käyttöä rakennusteollisuudessa on tutkittu Tampereen yliopiston toimes- ta BioÄly hankkeessa. Hankkeessa on tutkittu muun muassa yhteistyössä Lundell Oy:n
kanssa mahdollisuutta integroida yrityksen tuottamiin oviin biopohjaisesta materiaalista tehty lämmityselementti. Sovelluksessa käytettävät lämmityselementit integroidaan oves- sa oleviin peileihin. Hankkeessa tutkitaan myös biomateriaalien käyttöä esimerkiksi elekt- roniikassa sekä biolääketieteen sovelluksissa. [18]
Suurten kappaleiden tulostuskohteet eivät rajoitu pelkästään maapallolle, sillä yhtenä so- velluskohteena Euroopan avaruusjärjestöllä (ESA) on ollut jo vuonna 2014 suunnitteilla avaruudessa toimiva 3D-tulostin. ESA:n kehittämällä tulostimella tavoitteena olisi pystyä tulostamaan jo valmiiksi kuusta tai planeetoilta löytyvien materiaalien avulla vartioasemia.
Avaruudessa tätä suunnittelua vaikeuttaa avaruudessa vallitsevat olot kuten painovoiman vähyys tai kuussa tapahtuvat järistykset. [19]
Suurten kappaleiden tulostukseen löytyy myös sovelluskohteita, joissa voidaan hyödyn- tää biokomposiitteja. Tällaisia sovelluskohteita on esimerkiksi huonekalujen tuotanto, jota esimerkiksi UPM on testannut yhteistyössä Lahden Ammattikorkeakoulun kanssa. Huo- nekalujen tuotannossa 3D-tulostus helpottaa tuotteiden räätälöintiä ja muuttamista sekä monien vaikeiden muotojen valmistaminen on halvempaa kuin perinteisillä menetelmillä.
[20]
Biokomposiitteja voidaan sovelluskohteena käyttää myös muihin suuriin rakenteisiin, ku- ten kevyisiin siltoihin. Tästä esimerkkinä onkin UPM:n ja Tampereen ammattikorkeakou- lun sekä muiden kumppaneiden yhdessä toteuttama sillan tulostus. Projektissa tulostet- tiin kasvin lehden muotoinen silta rakenteineen käyttäen tulostamiseen ABB:n hitsausro- bottia, jossa tulostuspää oli kiinnitettynä [21]. Mahdollisia sovelluskohteita suurtenkappa- leiden tulostuksella on useita.
3.2.2 Haasteet
Vaikka sovelluskohteita ja mahdollisuuksia suurten kappaleiden tulostukselle on monia, niin tulee sen mukana myös haasteita. Nämä haasteet liittyvät sekä käytettävien tulosti- mien tekniikkaan että materiaaleihin. Ensimmäisenä materiaalin aiheuttamana haastee- na on tulostetun kappaleen lujuus ja kestävyys, sillä esimerkiksi osa muovimateriaaleista ovat melko heikkoja. Tämän vuoksi suuria kappaleita tulostettaessa rakenteiden mallin- taminen ennen tulostusta on hyvin tärkeää. [13]
Toinen materiaalien aiheuttama haaste on useiden materiaalien kallis hinta tulostettaes- sa tilavuudeltaan suuria kappaleita. Esimerkiksi SLA -menetelmän vaatiman nesteen jo- pa yli 2000 euron litrahinta, ja jopa ekstruusio menetelmissä käytetyn ABS muovin hinta voi kohota useisiin satoihin euroihin per litra. Halpoja materiaaleja tulostaa on betoni, sillä tulostettavan betonin hinta putoaa alle euroon litra [13]. Tämän vuoksi se soveltuu- kin hyvin talojen tulostamiseen. Eri tulostusmenetelmiin sopivien materiaalien hintoja on vertailtu lisää taulukossa 3.2.
Suuria kappaleita tulostettaessa suuria haasteita aiheuttaa myös tulostimen rakenne. En- simmäinen haaste tulee vastaan tulostusajassa, joka on jo pienillä kappaleilla useita tun-
teja ja suurten kappaleiden tulostus kestäisi siten päiviä. Tähän ehkä suurin ja haastavin rajoittava tekijä on suuttimen koko, koska tulostettavien yksityiskohtien tarkkuus halutaan säilyttää, vaaditaan pieni suutin [13]. Tämän ongelman ratkaisemista rajoittaa myös tu- lostinvalmistajien kehitys. Silverin et al. [13] mukaan tulostinvalmistajat keskittyvätkin pa- rantamaan tulostinten tarkkuutta ja resoluutiota sen sijaan että yrittäisivät tulostaa suuria kappaleita vähemmillä yksityiskohdilla.
Taulukko 3.2.Vertailu tulostusmateriaalien hinnoista [13].
Menetelmä Materiaali Hinta
(Hinta/L)
SLA Hartsi $2496
MJP ABS $543
Polykarbonaatti $543
Elastomeeri $515
SLS Nylon $113
DMP Kobolltti-Kromi seos $4953 Ruostumaton teräs $1395
CD Betoni $0,35
Harkittaessa suurten kappaleiden tulostusta eivät pitkä tulostusaika sekä kallis tulostus- materiaali ole yksiselitteisiä. Hintaan talojen tulostuksessa kannattaakin ottaa huomioon säästyvät henkilöstökulut, vaikka rakennuksen valmistumisaika vähän pitenisi. Esimer- kiksi Dubaissa tulostetun suurimman rakennuksen kohdalla työvoiman tarve putosi 70%
ja kulut laskivat jopa 90% [17]. Tällöin vapautunut henkilöstö voitaisiin sijoittaa muille työ- maille, jolloin kokonaistuotantokyky nousisi. Kustannuksia huomioidessa kannattaa ottaa kuitenkin huomioon vahva tapauskohtaisuus.
4 KOMPONENTIT SUURTEN KAPPALEIDEN TULOSTUKSESSA
3D-tulostimessa vaaditaan erilaisia komponentteja, joille tulostettava materiaali asettaa omia vaatimuksiaan. Nämä vaatimukset korostuvat entisestään siirryttäessä suurten kap- paleiden tulostukseen. Biokomposiittien yleistyessä on sen asettamat vaatimukset myös otettava huomioon ja siksi tässä luvussa keskitytäänkin biokomposiiteille soveltuviin suu- ren kokoluokan komponentteihin.
4.1 Vaadittavia komponentteja
Suunniteltaessa suurten kappaleiden tulostinta biokomposiiteille on suunniteltavalla tu- lostimella tiettyjä vaadittuja komponentteja. Tulostamisen kannalta mahdollisesti oleellisin osa on tulostuspää, joka pitää huolen tulostettavan biokomposiitin pursottamisesta. Toi- nen oleellinen komponentti on suutin, joka määrää tulostuksen laadun. Monesti valmiin tulostuspään mukana tulee asiakkaan kuvaamaan käyttötarkoitukseen sopivat suuttimet.
Kuva 4.1.Havainnekuvat robottiin kytketystä [15] ja vaijereihin ripustetusta [16] tulostus- päästä.
Pelkkä tulostuspää ei kuitenkaan riitä suurten kappaleiden tulostamiseen vaan vaaditaan myös mekanismi, jonka avulla voidaan liikuttaa ja ohjata tulostuspäätä tulostettavan ker- roksen mukaisesti. Tähän tehtävään onkin olemassa useita ratkaisuja. Tulostuspää voi- daankin kiinnittää esimerkiksi yhteen tai useampaan robottiin, joka liikuttaa tulostuspäätä [15] tai sitä voidaan liikuttaa ripustamalla se vinsseihin kiinnitettyihin vaijereihin [16]. Näitä menetelmiä on havainnollistettu kuvassa 4.1, joista yleisempi on robottiin kiinnittäminen.
Robottimekanismia voidaan hyödyntää tulostettaessa esimerkiksi huonekalujen kokoisia
kappaleita, kun taas vaijeri kiinnitys sopii hyvin, jopa talojen tulostamiseen. Tulostuspäätä on myös mahdollista liikuttaa kiskoja pitkin kuten pienemmissä tulostimissa.
Viimeisenä tarvitaan jokin tapa syöttää materiaalia tulostuspäälle, jotta suurta materiaa- li säiliötä ei tarvitsisi liikutella tulostuspään mukana. Materiaali voidaan tulostuspäästä riippuen syöttää esimerkiksi filamenttilankana, pelletteinä tai valmiina sulana massana.
Pelletit tai sula massa voidaan syöttää pumppaamalla materiaali putkea pitkin. Sulan massan pumppaamista hankaloittaa kuitenkin mahdollinen lämmittämisen tarve putkes- sa, jotta massa ei kovetu ennen aikojaan. Pellettien syöttäminen on puolestaan helpom- paa ja markkinoilla myytäviin suuriin FGF -tulostuspäihin markkinoidaan suoraan valmiita syöttöjärjestelmiä.
4.2 Vaatimukset komponenteille
Biokomposiittimateriaali asettaa tulostuskomponenteille myös omat vaatimuksensa. En- simmäinen biokomposiitin asettama vaatimus on tarkasti hallittavissa oleva lämpötila, jo- ka toteutetaan yleensä FGF:ssa ruuvin ympärille tai FFF:ssa sulatuskammion ympärille kiedotuilla lämmitysvastuksilla. Kuten luvussa 2.2 aikaisemmin mainittiin saattaa materi- aalin liika lämmittäminen aiheuttaa biokomposiittimateriaalin heikentymisen. Esimerkiksi UPM varoittaa [6] lämmittämästä biokomposiittia yli 200◦C:een lämpötilaan materiaalin hajoamisvaaran vuoksi.
Tulostuspään lämpötilan ja tulostuspaineen tarkka hallittavuus on tärkeää myös virtaavan sulan materiaalin viskositeetin kannalta. Muuttuva sulatuslämpötila ja tulostuspaine saat- tavatkin aiheuttaa ulosvirtauksen viskositeetin muutoksen ja aiheuttaa siten ongelmia ku- ten muotovirheitä [22]. Ohjattaessa näitä parametreja tarkasti kyetään säilyttämään ulos virtaavan materiaalin virtausnopeus, jolloin liiallisesta tai vähäisestä materiaalista ei syn- ny muotovirheitä.
Vaatimuksia komponenteille asettaa myös biokomposiittien kosteus, sillä biokomposiitit imevät ilmasta itseensä helposti kosteutta, selluloosan hydrofiilisen luonteen seuraukse- na [3]. Tämän vuoksi esimerkiksi UPM suosittelee [6] pellettimateriaalia kuivattavan 3 tuntia 80◦C:ssa. Tämä asettaa mahdollisesti vaatimuksia materiaalin syöttöjärjestelmäl- le, jos kuivaus suoritetaan esimerkiksi syöttösäiliössä eikä erikseen ennen tulostimeen syöttämistä. Tällöin syöttösäiliössä saatetaan tarvita esimerkiksi vastukset materiaalin kuivatukseen. Materiaalin kuivaaminen tasaisesti suuressa säiliössä saattaa kuitenkin ol- la haastavaa.
4.3 Kaupalliset komponentit
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 materiaalin 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 tulostuspäähän 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 tar- 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 sen kalliin hinnan seurauksena.
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 vahvistajana.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).
