150319 am esitelmä fv
TRANSCRIPT
3D-tulostus mullistaa valmistustekniikanAntti Salminen
LUT School of Energy SystemsKonetekniikan osaamisalue
"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
Lappeenranta 19.3.2015 4Messukeskus, Helsinki 4.9.2013Lappeenranta, 17.10.2013Tampere, 24.10.201327.2.2014
Tutkimus voimakkaassa nousussa
− “USA aikoo panostaa 30 miljoonaa dollaria yksistäänuuden 3D-tulostustutkimuskeskuksen perustamiseenYoungstowniin Ohioon…”
− “Iso-Britanniana hallitus investoi 15 miljoonaa puntaa3D-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
Tutkimus voimakkaassa nousussa
− “Singaporen hallitus on ilmoittanut investoivansaseuraavan viiden vuoden aikana yli 500 miljoonaadollaria tulevaisuuden valmistustekniikoiden, kuten 3D-tulostuksen, tutkimukseen säilyttääkseen kilpailukykynsäKaakkois-Aasiassa…”
− “…Kiina on ilmoittanut perustavansa kymmenen 3D-tulostustutkimuskeskusta kymmeneen Kiinansuurimpaan 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
3D tulostuksen käyttö
Lappeenranta 19.3.2015 7
Kuluttajatuotteet/Elektroniikka
20,3%
Moottoriajoneuvot19,5%
Lääketiede/Hammaslääketiede
15,1%
Ilmailu12,1%
Teolliset koneetja laitteet
10,8%
Tutkimuslaitokset8,0%
Valtio/ sotilas 6,0%Arkkitehtuuri 3,0 % Muut
5,3%
Wohlers 2013
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
Jauhepetisulatus, laser
Lappeenranta 19.3.2015 9
Laser
Jauheenlevitin,”kaapa”
Jauhevarasto
Rakennusalusta,”platta”
Osa
Ylijäämäjauheenvarasto
Skanneri
AM: jauhepeti prosessit
Lappeenranta 19.3.2015 10
1. Jauheen levitys2. Kerroksen sulatus3. Rakennusalustan
laskeminen4. Jauheen levitys5. …
Rakennusalustan laskeminen
Kerroksen sulatus Jauheen levitys
Osan valmistus
Lappeenranta 19.3.2015 11
Osan irrotus3D mallinnus
Mallin käsittely
Digitaalinen 3D malli
Lappeenranta 19.3.2015 12
Gibson et al., Additive Manufacturing Technologies
Tämän päivän haasteet
Lappeenranta 19.3.2015 13
Lajitelman laajuus ja monimutkaisuus
Tuotteen elinkaari
Raaka-aineidenhinnat
Tuotekehitykseenkäytettävissä oleva
aika
Sarjakoko
Osan hinta
Perinteinen tuotanto
Sarjasuuruus
22.2.2015 14
Sarjasuuruus
Kus
tann
ukse
t
Perinteinen tuotanto
3D tulostus ja Digitaalinen tuotanto fotoneilla
Sarjasuuruus
22.2.2015 15
Kappaleen paino
Kus
tann
ukse
t
Perinteinen tuotanto
3D tulostus ja Digitaalinen tuotanto fotoneilla
Tuotteen monimutkaisuus
22.2.2015 16
Tuotteen monimutkaisuus
Kus
tann
ukse
t Perinteinen tuotanto
3D tulostus ja Digitaalinen tuotanto fotoneilla
Rakenteen keventäminen
PainonsäästöPerinteinen, Al7075 337,5 g3D tuloste, TiAl6V4 250,0 g
Lappeenranta 19.3.2015 17
Vaatimukset
Rakenteen optimointi
Tulosten tulkinta
Uudelleen mallinnus
FE-analyysi
Lopullinen design
26%
Bambun rakenne
3D tulostus sallii monimutkaisuuden
Lappeenranta 19.3.2015 18
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
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
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
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
Golfpallon muotti
− Räätälöity jäähdytys Jäähdytyskanavat
noudattavat muotin geometriaa tehostettu jäähdytys
− Tuottavuuden nousu 20 %
Lappeenranta 19.3.2015 23
Jakotukki
− Yhdistää kaksi tulokanavaa yhdeksi lähtökanavaksi
− Alkuperäinen rakenne: Umpiaine neljällä poratulla
reiällä
Lappeenranta 19.3.2015 24
Edestä Päältä
Ristikkorakenteinen jakotukki
− AM rakenne: Ristikkorakenne FEM optimoitu rakenne kannattaa optimoituja virtauskanavia
Lappeenranta 19.3.2015 25
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
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
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
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
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
Kuulolaitteiden markkinan kehitys
Lappeenranta 19.3.2015 31
Laitt
eita
kpl
/kk
kokonaismyynti
3D-tulostus
3D-tulostuksen osuus kokonaismyynnistä
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%20%
10%
0%
Jan Eite Bullema, TNO
Airbus: Print me an airplane
Lappeenranta 19.3.2015 32