Professori Antti Salminen kertoi 3D- tulostuksesta. 3D teknologia mullistaa valmistuksen. Energiaa ennakointiin seminaarin aineistoa 19.3.2015

2. 3D-tulostus mullistaa
valmistustekniikan
Antti Salminen
LUT School of Energy Systems
Konetekniikan osaamisalue

3. "3D printing is worth my time,
attention, money and effort"
Jeffrey Immelt CEO, GE
Lappeenranta 19.3.2015 3Tampere 24.10.2012
"3D printing has the potential to
revolutionize the way we make
almost everything”
Barak Obama, President of USA
Outotec, Lappeenranta, 24.4.2013Lappeenranta, 30.4.2013Imatra, 17.5.201327.2.2014

4. Lappeenranta 19.3.2015 4Messukeskus, Helsinki 4.9.2013Lappeenranta, 17.10.2013Tampere, 24.10.201327.2.2014

5. Tutkimus voimakkaassa nousussa
− “USA aikoo panostaa 30 miljoonaa dollaria yksistään
uuden 3D-tulostustutkimuskeskuksen perustamiseen
Youngstowniin Ohioon…”
− “Iso-Britanniana hallitus investoi 15 miljoonaa puntaa
3D-tulostusteollisuuteen ja alan tutkimukseen…”
Lappeenranta 19.3.2015 5
The Telegraph
smartplanet.com
Messukeskus, Helsinki 3.9.2013Messukeskus, Helsinki 4.9.2013Lappeenranta, 17.10.2013Tampere, 24.10.201327.2.2014

6. Tutkimus voimakkaassa nousussa
− “Singaporen hallitus on ilmoittanut investoivansa
seuraavan viiden vuoden aikana yli 500 miljoonaa
dollaria tulevaisuuden valmistustekniikoiden, kuten 3D-
tulostuksen, tutkimukseen säilyttääkseen kilpailukykynsä
Kaakkois-Aasiassa…”
− “…Kiina on ilmoittanut perustavansa kymmenen 3D-
tulostustutkimuskeskusta kymmeneen Kiinan
suurimpaan kaupunkiin…”
Lappeenranta 19.3.2015 6
3D Printing Industry Today
engineering.com
Messukeskus, Helsinki 3.9.2013Messukeskus, Helsinki 4.9.2013Lappeenranta, 17.10.2013Tampere, 24.10.201327.2.2014

7. 3D tulostuksen käyttö
Lappeenranta 19.3.2015 7
Kuluttajatuotteet/
Elektroniikka
20,3%
Moottoriajoneuvot
19,5%
Lääketiede/
Hammaslääketiede
15,1%
Ilmailu
12,1%
Teolliset koneet
ja laitteet
10,8%
Tutkimuslaitokset
8,0%
Valtio/ sotilas 6,0%
Arkkitehtuuri 3,0 % Muut
5,3%
Wohlers 2013

8. 3D tulostuksen sovellustavat
Lappeenranta 19.3.2015 8
Toiminnalliset
osat: 28,1%
Visuaaliset
apuvälineet:
10,40%
Muut:
1,3%
Esittelymallit:
9,50%
Sovite ja
kokoonpano:
17,5%
Työkaluvalmistuksen
prototyypit:11,3%
Valumuotit:
10,8%
Työkalut:
4,8%
Opetus ja tutkimus:
6,4%
Wohlers 2013

9. Jauhepetisulatus, laser
Lappeenranta 19.3.2015 9
Laser
Jauheenlevitin,
”kaapa”
Jauhevarasto
Rakennusalusta,
”platta”
Osa
Ylijäämäjauheen
varasto
Skanneri

10. AM: jauhepeti prosessit
Lappeenranta 19.3.2015 10
1. Jauheen levitys
2. Kerroksen sulatus
3. Rakennusalustan
laskeminen
4. Jauheen levitys
5. …
Rakennusalustan laskeminen
Kerroksen sulatus Jauheen levitys

11. Osan valmistus
Lappeenranta 19.3.2015 11
Osan irrotus
3D mallinnus
Mallin käsittely

12. Digitaalinen 3D malli
Lappeenranta 19.3.2015 12
Gibson et al., Additive Manufacturing Technologies

13. Tämän päivän haasteet
Lappeenranta 19.3.2015 13
Lajitelman laajuus
ja monimutkaisuus
Tuotteen
elinkaari
Raaka-aineiden
hinnat
Tuotekehitykseen
käytettävissä oleva
aika
Sarjakoko
Osan hinta
Perinteinen tuotanto

14. Sarjasuuruus
22.2.2015 14
Sarjasuuruus
Kustannukset
Perinteinen
tuotanto
3D tulostus ja Digitaalinen
tuotanto fotoneilla

15. Sarjasuuruus
22.2.2015 15
Kappaleen paino
Kustannukset
Perinteinen
tuotanto
3D tulostus ja Digitaalinen
tuotanto fotoneilla

16. Tuotteen monimutkaisuus
22.2.2015 16
Tuotteen monimutkaisuus
Kustannukset
Perinteinen
tuotanto
3D tulostus ja Digitaalinen
tuotanto fotoneilla

17. Rakenteen keventäminen
Painonsäästö
Perinteinen, Al7075 337,5 g
3D tuloste, TiAl6V4 250,0 g
Lappeenranta 19.3.2015 17
Vaatimukset
Rakenteen
optimointi
Tulosten tulkinta
Uudelleen
mallinnus
FE-analyysi
Lopullinen
design
26%
Bambun rakenne

18. 3D tulostus sallii monimutkaisuuden
Lappeenranta 19.3.2015 18

19. Toimielimen palkki
 Koneistettu perinteinen rakenne
• Mistä voidaan poistaa materiaalia
• Tehdään koneistuksen ”ehdoilla”
 Valettu
• Selvästi jouheampi rakenne
• Tehdään valun ”ehdoilla”
 3D tulostettu rakenne
• Jouheva
• Kevyt
• Tehty sovelluksen ”ehdoilla”
Lappeenranta 19.3.2015 19
Source: Michael Mues Diploma Thesis, FH Aachen

20. Tämän hetkellä ajatellaan, että tuote valmistetaan
materiaalia poistamalla tai liittämällään osia toisiinsa.
Ajattelu pitäisi muuttaa niin että valmistus tapahtuu
lisäämällä materiaalia, ominaisuuksia,…
Lappeenranta 19.3.2015 20

21. Pakosarja
− Formula Studentin pakosarja
 Monimutkainen ja iso geometria
 Yksi osa
 Ohutseinäinen rakenne
 Vaikea valmistaa
− Materiaali
 EOS Nikkeliseos IN625 Sopii
suurille kuormille ja korkeille
lämpötiloille
 Rakennusaika: 35 h
Lappeenranta 19.3.2015 21

22. Lämmönvaihdin konsepti
Lappeenranta 19.3.2015 22
− Optimoitu lämmönvaihdin:
 Laite, jossa toistetaan elementtejä
voidaan muotoilla vapaasti
 Itsekantava, integroidut jäähdytin-
rivat ulkopinoissa
 Pisaranmuotoisen itsekantavat
putket
 Turbulenssi generaattori jäähdytin-
putkien sisällä häiritsevät virtausta ja
lämmönsiirron maksimoimiseksi
 Materiaali: EOS Alumiini AlSi10Mg
 Laite: EOSINT M 270
 Rakennusaika: n. 85 h

23. Golfpallon muotti
− Räätälöity jäähdytys
 Jäähdytyskanavat
noudattavat muotin
geometriaa  tehostettu
jäähdytys
− Tuottavuuden nousu 20 %
Lappeenranta 19.3.2015 23

24. Jakotukki
− Yhdistää kaksi tulokanavaa
yhdeksi lähtökanavaksi
− Alkuperäinen rakenne:
 Umpiaine neljällä poratulla
reiällä
Lappeenranta 19.3.2015 24
Edestä Päältä

25. Ristikkorakenteinen jakotukki
− AM rakenne:
 Ristikkorakenne
 FEM optimoitu rakenne kannattaa optimoituja virtauskanavia
Lappeenranta 19.3.2015 25

26. Turvavyön solki, 1
− Perinteinen terässolki painaa 155 g
− Uuden soljen suunnittelussa säilytetään
rakenne niin, että tulokset ovat
vertailukelpoisia
− Tavoite oli kehittää solki jos kestää
minimimassalla kohtuulliset
kuormitushuiput
− Uusi solki optimoitiin AM:lle
− Osa aseteltiin niin, että tukirakenteiden
määrä minimoitui
− Solki ja vastakappale tehtiin samalla kertaa
Lappeenranta 19.3.2015 26

27. Turvavyön solki, 2
− Uusi titaanisolki painaa 70 g, eli 85 g
(55%) vähemmän kuin alkuperäinen
− Airbus A380, 853 istuinta:
painonsäästö 72,5 kg
− Lentokoneen elinikänä säästyy 3,3
miljoonaa litraa polttoainetta
− Solkien valmistus maksaa n. £165
000 ja säästää yli £2 M
Lappeenranta 19.3.2015 27

28. Polttoainesuutin
− DMLS Swirler Suutin:
 Erittäin monimutkainen rakenne
yhdellä osalla.
 Alun perin juotettu 21 eri osasta
 Valmistusajan lyheneminen 6 viikosta 2
viikkoon
 Kustannussäästö 50 %
 Painonsäästö 40 %
 Robustimpi rakenne
 Ei juotosliitoksia
 Materiaali: EOS Kobolttikromi MP1
Lappeenranta 19.3.2015 28

29. Kuulolaitteet
− Audiologi mittaa korvakäytävän geometrian 3D skannerilla. Mallin ja
korvan tarkastuksen jälkeen tuote voidaan valmistaa.
− Printteri tekee “adapterin” korvan ja kuulokojeen välille, eli
elektroniikka sovitetaan osan sisälle.
− Prosessi tehdään päivässä eli nopeammin ja laadukkaammin kuin
perinteisesti
− Mikrometrin tarkkuus tuottaa paremman sovitteen.
− Tällä hetkellä AM tuotteilla on n. 100% markkinaosuus ja niitä on
tehty yli 10 miljoonaa.
− Seuraavaksi ennustetaan, että kuulokkeiden valmistuksessa
siirrytään tähän teknologiaan, joka on jo valmis.
Lappeenranta 19.3.2015 29

30. Kuulolaite
− Käytössä on yli 10 000 000 3D tulostettua kuulolaitteen osaa.
− 3D tulostus on käytetyin tekniikka.
− Käyttäjäkohtainen laite on mukavampi ja syrjäyttää massatuotetut
kilpailijat.
− Koko teollisuudenala on muuttunut 3D tulostuksen ansiosta.
Lappeenranta 19.3.2015 30

31. Kuulolaitteiden markkinan kehitys
Lappeenranta 19.3.2015 31
Laitteitakpl/kk
kokonaismyynti
3D-tulostus
3D-tulostuksen osuus
kokonaismyynnistä
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Jan Eite Bullema, TNO

32. Airbus: Print me an airplane
Lappeenranta 19.3.2015 32