Mitä materiaaleja voidaan käyttää teollisuuden 3D-tulostuksessa?

Teollisuuden 3D-tulostuksessa voidaan käyttää laajaa valikoimaa materiaaleja, kuten metalleja (alumiini, titaani, ruostumaton teräs), muoveja (nylon, ABS, PLA), keraamisia aineita ja komposiittimateriaaleja. Materiaalivalinta riippuu lopputuotteen käyttökohteesta, mekaanisista vaatimuksista ja tuotantomenetelmästä. Eri materiaalit tarjoavat erilaisia ominaisuuksia kuten lämmönkestävyyttä, kemiallista vastustuskykyä ja mekaanista lujuutta, mikä mahdollistaa 3D-tulostuksen soveltamisen moniin teollisuuden tarpeisiin.

Mitä materiaaleja voidaan käyttää teollisuuden 3D-tulostuksessa?

Teollisuuden 3D-tulostuksessa käytetään pääasiassa neljää materiaaliryhmää: metalleja, muoveja, keraamisia materiaaleja ja komposiitteja. Jokainen materiaaliryhmä soveltuu erilaisiin käyttökohteisiin ja tarjoaa ainutlaatuisia ominaisuuksia tuotteen suorituskyvyn, kestävyyden ja toiminnallisuuden kannalta.

Metallimateriaalit ovat yleisimpiä teollisuuskäytössä ja niihin kuuluvat titaani ja titaaniseokset, alumiini, ruostumaton teräs, koboltti-kromi, nikkeliseokset ja työkaluteräkset. Metalleja käytetään erityisesti ilmailu-, auto- ja lääketieteellisessä teollisuudessa, kun tarvitaan korkeaa lujuutta ja lämmönkestävyyttä. Esimerkiksi titaaniseokset ovat suosittuja lentokoneiden osissa ja lääketieteellisissä implanteissa niiden erinomaisen lujuus-paino-suhteen vuoksi.

Muovimateriaaleja, kuten nylonia, ABS:ää, polykarbenaattia ja PEEK:iä käytetään prototyyppien, toiminnallisten osien ja kevyiden komponenttien valmistuksessa. PEEK (polyeetterieetteriketoni) on erityisen arvokas teollisuudessa, koska se yhdistää korkean lämpötilaresistanssin (jopa 260°C) erinomaiseen kemialliseen kestävyyteen ja mekaaniseen lujuuteen.

Keraamiset materiaalit, kuten alumiinioksidi, zirkoniumoksidi ja piikarbidi, tarjoavat poikkeuksellista kuumuuden- ja kulutuksenkestävyyttä. Niitä käytetään erityisesti työkaluissa, muoteissa ja osissa, jotka altistuvat korkeille lämpötiloille tai kemiallisesti aggressiivisille ympäristöille.

Komposiittimateriaalit yhdistävät eri materiaalien parhaat ominaisuudet. Yleisiä ovat hiilikuitu-nylon-komposiitit, jotka tarjoavat erinomaisen lujuus-paino-suhteen, sekä metalli-keraamiseokset, joissa yhdistyvät metallien sitkeys ja keraamien lämmönkestävyys. Näitä käytetään mm. autoteollisuudessa ja urheiluvälineissä.

Miten metallien 3D-tulostus eroaa perinteisistä valmistusmenetelmistä?

Metallien 3D-tulostus eroaa perinteisistä valmistusmenetelmistä materiaalin lisäävällä rakentamisella poistavan työstön sijaan. Perinteisissä menetelmissä, kuten jyrsinnässä ja sorvauksessa, materiaalia poistetaan kiinteästä aihiosta, kun taas 3D-tulostuksessa rakennetaan kappale kerros kerrokselta metallipulverista, tyypillisesti lasersäteen sulattamana.

Monimutkaiset geometriat ovat 3D-tulostuksen merkittävä etu. Tällä tekniikalla voidaan luoda sisäisiä kanavia, kennorakenteita ja muotoja, joita olisi mahdotonta tai erittäin kallista valmistaa perinteisillä menetelmillä. Tämä mahdollistaa kevyempien, toiminnallisempien ja optimoitujen osien valmistamisen, mikä on erityisen arvokasta ilmailuteollisuudessa ja lääketieteellisissä sovelluksissa.

Tuotantoaika ja kustannustehokkuus eroavat merkittävästi. Pienten ja keskisuurten sarjojen tuotannossa 3D-tulostus on usein nopeampaa ja edullisempaa, koska erillisiä työkaluja tai muotteja ei tarvita. Perinteiset menetelmät ovat kuitenkin edelleen tehokkaampia suurten sarjojen tuotannossa, kun alkuinvestoinnit työkaluihin jakautuvat suuren tuotantomäärän kesken.

Materiaalihukka on selvästi pienempi 3D-tulostuksessa. Käyttämätön metallipulveri voidaan kierrättää uudelleen käytettäväksi, kun taas perinteisissä menetelmissä merkittävä osa materiaalista päätyy lastuihin. Tämä tekee 3D-tulostuksesta ympäristöystävällisemmän ja resurssitehokkaamman vaihtoehdon.

Jälkikäsittelyn tarve on kuitenkin 3D-tulostetuilla metalliosilla usein suurempi. Tulostusprosessin jälkeen osat saattavat vaatia lämpökäsittelyä jännitysten poistamiseksi, pinnan viimeistelyä karheuden vähentämiseksi sekä tukimateriaalien poistoa, mikä lisää kokonaistuotantoaikaa.

Mitkä ovat teollisuuden 3D-tulostusmateriaalien valintakriteerit?

Teollisuuden 3D-tulostusmateriaalien valintakriteerit perustuvat ensisijaisesti lopputuotteen käyttötarkoitukseen ja toimintaympäristöön. Tärkeimmät huomioitavat tekijät ovat mekaaniset ominaisuudet, lämpöominaisuudet, kemiallinen kestävyys, tulostettavuus ja kokonaiskustannukset, jotka kaikki vaikuttavat materiaalin soveltuvuuteen.

Mekaaniset ominaisuudet kuten vetolujuus, sitkeys, kovuus ja väsymiskestävyys määrittävät materiaalin soveltuvuuden rakenteellisiin ja toiminnallisiin vaatimuksiin. Esimerkiksi lentokoneteollisuudessa tarvitaan korkean lujuus-paino-suhteen materiaaleja, kun taas lääketieteellisissä implanteissa bioyhteensopivuus ja elastisuus voivat olla tärkeämpiä.

Lämpöominaisuudet ovat kriittisiä monissa teollisuussovelluksissa. Materiaalin lämmönkestävyys (korkeimmat käyttölämpötilat), lämpölaajeneminen ja lämmönjohtavuus vaikuttavat merkittävästi kappaleen toimintaan korkeissa lämpötiloissa tai lämpötilavaihteluissa. Esimerkiksi moottorikomponenteissa tarvitaan materiaaleja, jotka säilyttävät lujuutensa korkeissakin lämpötiloissa.

Kemiallinen kestävyys on erityisen tärkeää ympäristöissä, joissa kappale altistuu hapoille, emäksille, liuottimille tai muille kemikaaleille. Kemianteollisuuden sovelluksissa tai meriolosuhteissa materiaalin korroosionkestävyys on usein määräävä valintakriteeri.

Tulostettavuus vaikuttaa suoraan valmistusprosessin onnistumiseen ja lopputuotteen laatuun. Tähän sisältyvät materiaalin käyttäytyminen tulostusprosessissa, jäähtymisominaisuudet, kerrospaksuus, tukimateriaalien tarve ja tulostusprosessin parametrien hallinta. Huonosti tulostettava materiaali voi johtaa huokoisuuteen, halkeamiin tai heikkoon kerrosten väliseen sidokseen.

Kokonaiskustannusten arviointi kattaa materiaalin hinnan lisäksi tulostusajan, jälkikäsittelytarpeet ja laadunvarmistuksen. Joskus kalliimpi materiaali voi olla kokonaistaloudellisesti edullisempi, jos se vähentää jälkikäsittelyn tarvetta tai parantaa tuotteen elinkaarta.

Miten 3D-tulostusmateriaalit vaikuttavat lopputuotteen laatuun?

3D-tulostusmateriaalit vaikuttavat suoraan lopputuotteen mekaanisiin ominaisuuksiin, mittatarkkuuteen, pintakäsittelyyn ja käyttöikään. Materiaalivalinta määrittää pitkälti, miten kappale kestää kuormitusta, kulutusta ja ympäristön vaikutuksia todellisissa käyttöolosuhteissa.

Mekaaniset ominaisuudet määräytyvät pääosin valitun materiaalin ja tulostusprosessin yhteisvaikutuksesta. Esimerkiksi metallijauheesta laser-sulattamalla tulostetut kappaleet voivat saavuttaa jopa parempia lujuusarvoja kuin perinteisillä menetelmillä valmistetut vastineensa optimoidun mikrorakenteen ansiosta. Toisaalta tulostussuunta vaikuttaa merkittävästi kappaleen anisotropiaan – lujuus voi vaihdella eri suunnissa.

Mittatarkkuus ja toleranssit riippuvat sekä materiaalista että tulostusprosessista. Metallimateriaalit tarjoavat yleensä paremman mittatarkkuuden (±0,05-0,2 mm) kuin muovit, joilla esiintyy enemmän kutistumista ja vääntymistä. Materiaalin lämpölaajenemiskerroin ja jäännösjännitykset vaikuttavat suoraan siihen, kuinka tarkasti suunnitellut mitat säilyvät tulostuksen jälkeen.

Pintalaatu vaihtelee huomattavasti materiaalien välillä. Metallitulosteissa tyypillinen pinnankarheus on 5-15 μm Ra ilman jälkikäsittelyä, kun taas muovimateriaaleilla se voi olla 8-25 μm Ra. Materiaalivalinta vaikuttaa myös siihen, millaisia jälkikäsittelymenetelmiä voidaan käyttää pinnanlaadun parantamiseksi – esimerkiksi kemiallinen kiillotus sopii tietyille muoveille mutta ei useimmille metalleille.

Käyttöikä ja kestävyys määräytyvät materiaalin kulumis-, korroosio- ja väsymiskestävyyden perusteella. Esimerkiksi teollisuudessa käytettävät korkeatasoiset PEEK-muovit tarjoavat erinomaisen kemiallisen kestävyyden ja kulumisominaisuudet, kun taas titaaniseokset kestävät erinomaisesti väsyttävää kuormitusta. Oikean materiaalin valinta käyttöympäristön vaatimusten mukaan voi moninkertaistaa komponentin käyttöiän.

Tulostuslaatu ja -tarkkuus vaihtelevat myös materiaalin prosessoitavuuden mukaan. Jotkin materiaalit, kuten alumiiniseokset, ovat haastavampia tulostaa niiden korkean lämmönjohtavuuden ja heijastuvuuden vuoksi, mikä voi johtaa epätasaiseen sulamiseen ja huokoisuuteen. Toiset materiaalit, kuten titaani ja ruostumaton teräs, ovat yleisesti helpommin prosessoitavia 3D-tulostuksessa.

Mitä uusia 3D-tulostusmateriaaleja on kehitteillä teollisuuskäyttöön?

Teollisuuden 3D-tulostukseen kehitetään jatkuvasti uusia innovatiivisia materiaaleja, jotka laajentavat teknologian sovellusalueita. Uudet metalliseokset, erikoispolymeerit ja kehittyneet komposiitit ovat aktiivisen tutkimuksen kohteina, pyrkien vastaamaan entistä vaativampiin teollisuussovelluksiin.

Kehittyneet metalliseokset edustavat merkittävää innovaatioaluetta. Erityisen kiinnostavia ovat korkean entropian seokset (High Entropy Alloys, HEA), joissa viisi tai useampia metalleja yhdistetään lähes tasaisissa suhteissa. Nämä seokset tarjoavat poikkeuksellista lujuutta, sitkeyttä ja korroosionkestävyyttä. Alumiini-magnesium-skandium -seokset ovat toinen lupaava kehityssuunta, tarjoten erinomaisen lujuus-paino-suhteen ja hitsattavuuden erityisesti ilmailuteollisuuden sovelluksiin.

Korkean suorituskyvyn polymeerit kehittyvät nopeasti. PEKK (polyeetteeriketoniketoni) ja PEI (polyeetteri-imidi) ovat uuden sukupolven muoveja, jotka kestävät korkeita lämpötiloja (jopa 250-300°C) ja tarjoavat erinomaisen kemiallisen kestävyyden. Näitä materiaaleja kehitetään erityisesti vaativiin teollisuussovelluksiin, kuten öljy- ja kaasuteollisuuteen sekä autoteollisuuteen.

Keraamisten materiaalien 3D-tulostus on kehittymässä nopeasti. Piikarbidi, alumiinioksidi ja zirkoniumoksidi ovat materiaaleja, joiden tulostettavuutta parannetaan jatkuvasti. Näiden materiaalien sovellusalueita ovat esimerkiksi korkeita lämpötiloja kestävät komponentit, kuten turbiinien osat ja erilaiset teollisuuden suodattimet.

Toiminnalliset komposiitit edustavat erityisen kiinnostavaa kehityssuuntaa. Metalli-keraamihybridit yhdistävät metallien muovattavuuden ja keraamien lämmönkestävyyden. Sähköä johtavat polymeerit, joihin on lisätty hiilipohjaisia materiaaleja kuten grafeenia, mahdollistavat elektronisten komponenttien tulostamisen. Näitä materiaaleja kehitetään erityisesti anturisovelluksiin ja älykkäisiin rakenteisiin.

Biohajoavat ja ympäristöystävälliset materiaalit saavat kasvavaa huomiota teollisuudessa. PHA (polyhydroksialkanoaatti) ja selluloosapohjaiset materiaalit tarjoavat kestävämpiä vaihtoehtoja. Näiden materiaalien kehityksessä keskitytään parantamaan mekaanisia ominaisuuksia ja prosessoitavuutta, jotta ne vastaisivat teollisuuden vaatimuksia.

Me Apriconilla seuraamme tiiviisti näitä materiaalikehityksen trendejä ja tuomme jatkuvasti uusimpia 3D-tulostusmateriaaleja asiakkaidemme käyttöön. TRUMPF:n kanssa yhteistyössä tarjoamme kattavan valikoiman edistyksellisiä materiaaleja, jotka mahdollistavat innovatiivisten ratkaisujen kehittämisen eri teollisuudenaloille.

Kehittyvät materiaalit ja teknologiat avaavat uusia mahdollisuuksia teollisuuden 3D-tulostukselle. Räätälöidyt materiaaliratkaisut, jotka on optimoitu tiettyihin sovelluksiin, tulevat olemaan avainasemassa teknologian laajemmassa käyttöönotossa. Tarkasti määriteltyjen ominaisuuksien materiaalit vastaavat yhä paremmin teollisuuden erityisvaatimuksiin ja auttavat hyödyntämään 3D-tulostuksen täyden potentiaalin tuotannossa.