”Hyvä Tietää Muovista” on MuoviPlast-lehdessä jo vuodesta 2012 lähtien ilmestynyt artikkeleiden sarja, joissa esitellään perustietoa tavallisimmista muoveista.

Teksti Ulf Bruder / Brucon Ab, käännös Erik Lähteenmäki / Polymerik Oy.
  • Vasemmalla erittäin kehittynyt gyro-stabilisoitu elektro-optinen järjestelmä DST Controlilta Linköpingistä. Tällaista varustusta käytetään mm. miehittämättömissä lentokoneissa ja helikoptereissa. Kamerajärjestelmässä käytetään ABS muovista valmistettuja komponentteja jotka on valmistettu erittäin suurella tarkkuudella FDM-menetelmällä.
  • FDM-menetelmällä valmistettu auton takavalo kirkkaasta ABS muovista. N.k. ”On demand”-valmistusta esiintyy yhä useammin kun kyseessä ovat varaosat veteraaniautoihin ja moottoripyöriin. Myös piensarjoja luksusautoihin on tehty.
  • Kuvassa hääkakun koriste. Tämä on yksittäiskappaletuotantoa ja valmistettu kipsistä neliväri 3DP-tekniikkaa käyttäen. Sekä morsiamesta että sulhasesta otetaan neljä valokuvaa joista tietokoneohjelmalla luodaan 3D-malli. Noin kahden tunnin kuluttua puhdistuksen ja kirkaslakkaan upottamisen jälkeen on tuote valmiina hintaan 250 Euroa.
  • PolyJet-menetelmällä valmistettuja napsautuslukkojen prototyyppejä. Lukot on valmistettu suhteessa 1 : 1 ja niiden valmistaminen kestää noin puoli tuntia. Mikäli koko levy täytetään tai valmistetaan ainoastaan yksi kappale kuluu aikaa kuitenkin suunnilleen yhtä paljon. Raaka-aine kestää napsautustoiminnon testaamisen muutamia kertoja, mutta ei kestä vetokuormitusta.
  • FDM-menetelmässä on mahdollista käyttää metalli-inserttejä, jotka sitten kiinnittyvät paikalleen sulan muovin keskelle.
  • Kuvassa 3DP -menetelmällä kipsistä valmistettu ”toimiva” kuulalaakeri.
  • Kuvassa SLS-malli polypropeenista, jossa voidaan testata sekä saranan että napsautus-liitoksen toimintaa.
  • Kun SLA-kappale on jälkikovetettu uunissa, suoritetaan sille usein vielä manuaalinen puhdistus. Tämä jälkityövaihe vaikuttaa tuntuvasti SLA-menetelmällä valmistetun tuotteen hintaan.
  • Kuvassa ylhäällä vasemmalla läpinäkyvä kappale mikrorakenteisilla tukijaloilla heti jälkikovetuksen jälkeen. Oikealla puhdistuksen jälkeen ja alimpana kirkaslakkauksen jälkeen. Kappaleet ovat alussa lasinkirkkaita, mutta ajan myötä (n. 2 vuotta) ne kellastuvat, koska materiaalin UV-valon kesto ei ole niin hyvä.
  • Ylimpänä kuvassa epoksista SLA -tekniikalla valmistettu etupaneeli. SLA-paneelin alla SLA-paneelia mallina käyttäen valmistettu silikonimuotin alempi muottipuolisko. Silikonimuotin alla polyuretaanista (kestomuovi) silikonimuottiin valettu prototyyppi ja kaikkein alimpana ABS kestomuovista ruiskuvalettu paneeli.
  • Kuvan tumma alue on SLA-koneen nestesäiliö jossa perforoitu alusta näkyy lähellä pintaa. Pulssimuotoinen lasersäde pyyhkii fotopolymeerin yli ja piirtää kuviota, josta muodostuu valmistettavan kappaleen yksi raaka-ainekerros.
  • Kuvassa SLS-malli usealla kerroksella rakennetusta elastisesta palkeesta.

Prototyypit

Syy prototyypin tai mallin tekemiseen uuden tuotteen kehitystyön aikana on että prototyyppi tai malli:

  • Useimmiten lyhentää kehitystyöhön kuluvaa aikaa ja markkinointiprosessi voidaan aloittaa aiemmin
  • Helpottaa eri tahojen välistä kommunikointia kehitysvaiheen aikana
  • Antaa mahdollisuuden eri toimintojen testaamiselle ja yhteensopivuuden tarkistamiseksi muiden osien kanssa
  • Tuntumaltaan eivät ole korvattavissa virtuaalisilla malleilla

Mallien valmistamista ihmiset ovat tehneet ikiajoista saakka ja jo esikouluiässä useimmat lapset tänä päivänä ovat tekemisissä mallien valmistuksen kanssa käyttäessään muovailuvahaa tai rakentamalla malleja Lego-palikoista. Kehittynyt tietokoneavusteinen 3D-valmistustekniikka jota nykyään käytetään, alkoi kehittyä 1980-luvun loppupuolella ja on tullut nykytilaansa CAD/CAE/CAM/CNC menetelmien kautta.

Käytettävä tekniikka riippuu täysin siitä kuinka monimutkainen kappale on. Mikäli tuotteen geometria on yksinkertaisempi, on yleensä edullisempaa työstää kappale ainetta poistavalla menetelmällä, kuten jyrsimällä, laser- tai vesileikkaamalla. Mikäli tuotteen geometria on monimutkainen, saattaa ainetta lisäävä valmistusmenetelmä olla ainoa tai huomattavasti edullisempi vaihtoehto kuin materiaalia poistava menetelmä, vaikka raaka-aine olisi huomattavasti kalliimpaa (noin 10€/kg polyamidilevystä tai 500€/kg SLA-menetelmän fotopolymeeristä). On toki otettava huomioon, että jyrsittävien mallien valmistuksessa jopa 90 % raaka-aineesta mahdollisesti jyrsitään pois kun taas hävikki ainetta lisäävissä menetelmissä on liki olematon.

Ainetta lisäävä valmistus

tekstiin01

Työn kulku valmistettaessa prototyyppi ainetta lisäävällä tekniikalla.

Ainetta lisäävä valmistus on suhteellisen uusi käsite ja sillä on muutamia englannin kielisiä nimityksiä. Internet haussa voi käyttää seuraavia termejä: Rapid Prototyping (RP), Rapid Tooling (RT), Rapid Application Development (RAD), Additive Manufacturing (AM) tai 3D printing.

Seuraavilla sivuilla käsiteltävillä menetelmillä on myös seuraavat englanninkieliset nimitykset:

  1. SLA – Stereolithography (suomeksi stereolitografia)
  2. SLS – Selective Laser Sintering (suomeksi valikoiva lasersintraus)
  3. FDM – Fused Deposition Modeling
  4. 3DP – Three Dimensional Printing (suomeksi 3D-tulostus)
  5. PJet – PolyJet

Kaikki menetelmät perustuvat tietokonepohjaisen 3D-mallin (CAD) käyttämiselle, joka sitten muunnetaan STL-tiedostoksi (stereolitografia). Seuraavaksi tietokoneohjelma ”siivuttaa” mallin kerroksiksi joista ainetta lisäävä valmistuslaitteisto rakentaa prototyypin valmiiksi kerros kerrokselta. Katso alla olevat kaaviot. Valmisteleva työ CAD-mallista STL-tiedostoksi kestää keskimäärin vain muutamia minuutteja.

SLA – stereolitografia

tekstiin02

Kuvassa SLA-menetelmän toimintaperiaate, jossa lasersäde osuu nesteen pintaan ja kovettaa nestemäisen fotopolymeerin.

Tämä on ensimmäinen menetelmä ja se tuli markkinoille 1980-luvun lopulla. Menetelmän periaatteena on säiliöön sijoitetun valosta kovettuvan nestemäisen fotopolymeerin kovettaminen. Tietokoneohjatun peilin avulla ohjataan UV-lasersädettä, joka liikkuu fotopolymeerikerroksen pinnalla. Lasersäteen vaikutuksesta fotopolymeeri kovettuu ja muodostaa noin 0,1 mm paksun kerroksen, joka kiinnittyy alla olevaan kerrokseen.

Tässä menetelmässä valmistettava kappale on liikkuvan alustan päällä ja jokaista kerrosta kohden alustaa lasketaan 0,1 mm alaspäin ja tehdään uusi laserkovetus. SLA-mallin valmistus etenee noin 1 senttimetrin tunnissa. Kappaleen valmistumisen jälkeen se jälkikovetetaan vielä lämpökäsittelyllä uunissa.

SLA-menetelmän etuja ovat:

  • Nopea menetelmä. 3D-mallista valmiiksi kappaleeksi useimmiten muutamassa tunnissa
  • Kappaleiden pinnan laatu parempi muihin menetelmiin verrattuna
  • Läpinäkyvät kappaleet mahdollisia
  • +/- 0,1 mm:n mittatarkkuus mahdollinen
  • Kappaleissa ei käytännössä ole kieroutumista
  • Minimi seinämäpaksuus 0,35 mm saavutettavissa
  • Tuotteet soveltuvat käytettäväksi tyhjömuovauksen silikonimuotteina
  • Valmistuksessa syntyy vain olematon määrä hukkamateriaalia
  • Keraamia muistuttavaa materiaalia (BlueStone) saatavilla

SLA-menetelmän rajoituksia ovat:

  • Ainoastaan parikymmentä kovettuvaa epoksilajiketta käytettävissä
  • Tuotteet eivät useinkaan sovellu käyttötesteihin (haurausongelma)
  • Yleensä pinta on puhdistettava valmistuksen jälkeen
  • Kappale vaatii joskus tukipilareita
  • Jotkut SLA-materiaalit ovat herkkiä kosteudelle
  • Useimmat SLA-materiaalit eivät kestä yli 50°C käyttölämpötiloja (170°C on maksimilämpötila, mutta mitä korkeampi lämpötila, sitä hauraampi kappale)

SLS–valikoiva lasersintraus

tekstiin03

Tummat seinämät vaaleassa pulverissa ovat sintrattua yhteen sulatettua ainetta. Kun viimeinen kerros on sintrattu, puhdistetaan irtonainen pulveri pois kappaleista.

Tämä menetelmä yleistyi hieman SLA menetelmää myöhemmin. Sen suurimpana erona SLA menetelmään on, että siinä käytetään CO2-laseria, joka sulattaa ja sintraa yhteen pulverimaisen osakiteisen muoviraaka-aineen. Alussa liikkeen suuntaa vastaan pyörivä rulla levittää ohuen kerroksen pulveria liikkuvalle alustalle. Seuraavaksi raaka-aine lämmitetään lähelle sulamispistettään. Sen jälkeen lasersädettä ohjataan tietokoneohjatulla peilillä pulverikerrosta pitkin. Valoa syötetään pulssimaisesti ja siellä mihin lasersäde osuu sulaa polymeeri ja muodostaa noin 0,1 mm paksun kerroksen, joka sulaa kiinni alla olevaan kerrokseen. Jokaisen valmiin kerroksen jälkeen alustaa lasketaan 0,1 mm alaspäin ja annetaan pyörivän rullan levittää uusi kerros pulveria.

SLS-menetelmän etuja ovat:

  • Käytössä on huomattavasti enemmän polymeerejä, esim. polyamidi lasikuiduilla tai ilman, PP, PEEK ja kestomuovi-elastomeerejä.
  • Mahdollisuus valmistaa monimutkaisia kappaleita ilman muuta tukea kuin ympäröivä pulveri
  • +/- 0,2 mm:n mittatarkkuus mahdollinen
  • Minimi seinämäpaksuus 0,5 mm saavutettavissa
  • Hyvä kappaleiden lämmönkesto mahdollista
  • SLS soveltuu parhaiten tuotteiden toimintojen testaamiseen
  • SLS soveltuu piensarjatuotantoon

SLS-menetelmän rajoituksia ovat:

  • Huonompi pinnan laatu kuin SLA-menetelmässä (kappaleilla ”hiekkapaperipinta”)
  • Sisäiset jännitykset (mahdollisesti kierot kappaleet)
  • Prototyypit on yleensä puhdistettava ennen maalausta

FDM – menetelmä

tekstiin04

FDM-menetelmän periaate jossa sulatetulla kestomuovilla rakennetaan kerros kerrokselta.

FDM on lyhenne englanninkielisistä sanoista Fused Deposit Modeling. Mitään suomenkielistä nimitystä ei ole käytössä.

Menetelmässä käytetään kestomuovista tehtyä halkaisijaltaan 1 mm:n filamenttia (lankaa) joka toimitetaan rullalla. Filamentti lämmitetään sulaan muotoon suuttimessa sijaitsevassa kammiossa. Suutinta ohjataan tietokoneella ja se rakentaa jokaisen kerroksen 2-akselilla (vaakatasossa). Sen jälkeen tehdään kerroksen paksuinen siirtyminen pystysuunnassa ja aloitetaan seuraavan kerroksen tulostaminen. Jokainen kerros sulaa kiinni alla olevaan kerrokseen. Kappaleen mahdollinen romahtaminen omasta painostaan estetään käyttämällä joissain tapauksissa toista suutinta rakentamaan tukikerrosta, joka ei sula kiinni kestomuovin kanssa. Tukirakenne rakennetaan samanaikaisesti kestomuovin kanssa ja poistetaan kun muovikappale on valmis. Tyypillisiä suutinhalkaisijoita ovat 0.127, 0.178, 0.254 ja 0.330 mm, mitkä myöskin ovat käytettävät kerrospaksuudet. Normaalisti käytetään ”tavallisia” amorfidia kestomuoveja kuten ABS, PC, PC/ABS, PEI, PLA ja PPSU.

FDM-menetelmän etuja ovat:

  • Laaja valikoima amorfisia kestomuoveja joilla on korkea lujuus ja hyvät pikäaikaisominaisuudet
  • Korkean lämmön kestäviä muoveja, FDA-. ISO 10993-1 ja V-0 hyväksyttyjä löytyy myös
  • Ohutseinämäisiä kappaleita hyvin monimutkaisilla muodoilla mahdollisuus valmistaa mittatarkasti ilman jännityksiä
  • Mittatarkkuus 0,127 mm:iin asti
  • Seinämäpaksuus 0,25 mm:iin asti
  • Hyvä toistettavuus, minkä takia FDM soveltuu sarjatuotantoon

FDM-menetelmän rajoituksia ovat:

  • Huonompi pinnan laatu kuin SLA-menetelmässä (jää rasteripinta ja on yleensä puhdistettava)
  • Pienemmät yksityiskohdat kuin SLA-menetelmässä

3D-tulostus

Markkinoilla on useampia eri 3D-menetelmiä. Monista löytyy videoita ja kuvauksia Youtubessa. Haku internetistä: YouTube Rapid prototyping.

Jotkut valmistajat käyttävät raaka-aineena kipsiä kun taas toisilla on käytössä jäykkiä tai pehmeitä polymeerejä. Z-Corporationin 3DP-menetelmässä käytetään kipsipulveria ja erityistä mustesuihkukirjoitinta 4-väripäällä. Muste sisältää liimaa muistuttavaa sidosainetta ja sillä voidaan tuilostaa samoilla väreillä kuin CAD-mallissa. Kerros toisensa jälkeen, paksuudella 0,08 tai 0,15 mm, tuote rakennetaan suunnilleen samalla tavalla kuin SLS-menetelmässä kuvattiin.

3DP-menetelmän etuja ovat:

  • Alhainen kappalehinta
  • Nopea menetelmä hyvällä erottelukyvyllä
  • Hyvä visuaalisiin tarkoituksiin

3DP-menetelmän rajoituksia ovat:

  • Huono pinnan laatu (yleensä puhdistettava)
  • Ei sovellu mekaanisiin testeihin

3d Printing

Viime vuosina markkinoille on tullut pienempiä 3D-tulostimia. Niitä on hintaluokasta alle 1 000 Euroa aina yli 20 000 euroon saakka jo pelkästään ABS muovin tulostukseen. Halvimmista ja yksinkertaisimmista malleista puuttuu lämmityskammio ja suutin tukimateriaalille.

Tämän kaltaisen laitteiston etuja ovat:

  • Alhainen kappalehinta
  • Tilaa säästävä ratkaisu (mahtuu työpöydälle)

Tämän kaltaisen laitteiston heikkouksia ovat:

  • Toimii ainoastaan ABS muovilla
  • Alhaisempi nopeus suurempiin tulostimiin verrattuna
  • Huonompi tarkkuus ja erottelukyky
  • Sisäisten jännitysten mahdollisuus koska lämmityskammio puuttuu

PolyJet

PolyJet menetelmän kehitti 2000-luvun alussa israelilainen Objet Inc. Menetelmä muistuttaa mustesuihkukirjoitinta, jossa muste on vaihdettu nestemäiseen akryylipohjaiseen fotopolymeeriin. Tulostusblokin (johon tulostuspäät on kiinnitetty) sivulle on kiinnitetty UV-lamppuja jotka kovettavat fotopolymeeripisarat heti alla olevan kerroksen päälle. Menetelmä on nykypäivänä (2012) tunnetuista ainetta lisäävistä menetelmistä kaikkein nopein ja kerroksen korkeus on alimmillaan 0,016 mm. Tuloksena hienoja ”designprototyyppejä” korkealla erottelukyvyllä. Kuten FMD-menetelmässä, tässä käytetään geelimäistä vesiliukoista tukimateriaalia joka pestään pois valmistuksen jälkeen. Tukimateriaali tulostetaan fotopolymeerin kanssa samanaikaisesti. Jälkeenpäin tapahtuvaa kovetusta, puhdistusta tai kiillotusta ei tarvita.

PolyJet -menetelmän etuja ovat:

  • Korkea nopeus ja hyvä erottelukyky
  • Seinämäpaksuus alimmillaan 0,3 mm
  • Puhdas toimistoympäristöön sopiva tekniikka
  • Kahta eriväristä tai erikovuista materiaalia voidaan käyttää samanaikaisesti ja yhdistää noin 30 eri vaihtoehdolla

PolyJet – menetelmän heikkouksia ovat:

  • Materiaalirajoitus (ainoastaan akryyli)
  • Ei niin sovelias toimintomalleille
  • Raaka-aine viruu kuormituksen alaisena
  • Raaka-aineella ei tietoja pitkäaikaiskestosta

Ainetta lisäävä valmistus

Eri ainetta lisääviä menetelmiä ei käytetä ainoastaan prototyyppien ja mallien tekemiseen vaan myös yksittäiskappaleiden ja piensarjojen valmistukseen. Englannin kielessä on useita nimityksiä ja lyhenteitä tämän tapaiselle valmistukselle. Rapid manufacturing (RM), direct digital manufacturing (DDM), additive manufacturing (AM) ovat joitakin useimmiten käytetyistyä nimityksistä. Riippumatta siitä mitä ainetta lisäävää menetelmää käytetään, ovat lähtökohtana 3D-tiedot joiden avulla tuote valmistetaan jotain aikaisemmin kuvattua menetelmää käyttäen.

Valmistus voidaan jakaa neljään eri ryhmään:

  • Periaatemallit
  • Toiminnalliset mallit
  • Jigit ja tarttujat
  • Tuotteet ja loppukäyttö
Sami Keskiaho Tietoa muovista