3d-tulostus

Mitä on 3d-tulostus?

3D-tulostus tai materiaalien lisäävä valmistus on teknologia, joka mahdollistaa kolmiulotteisen esineen tulostamisen tietokoneen ohjelmiston avulla. Se käyttää erilaisia materiaaleja, kuten plastiikkaa, metallia tai keramiikkaa, luoden kolmiulotteisia esineitä, kuten prototyyppejä, osia tai koruja. 3D-tulostus on käytössä monilla aloilla, kuten teollisuudessa, arkkitehtuurissa, lääketieteessä ja harrastajien keskuudessa.

3d-tulostuksen historia

3D-tulostuksen historia juontaa juurensa 1980-luvulle. Alla on yhteenveto tärkeimmistä tapahtumista ja virstanpylväistä tämän teknologian kehityksessä:

1980-luku:

– Vuonna 1983 Charles Hull keksi stereolitografiamenetelmän (SLA) ja perusti yrityksen nimeltä 3D Systems, joka tuli olemaan yksi alan johtavista yrityksistä. Professori Jouni Partanen oli mukana 3D Systemsin perustamisessa ja oli yksi yrityksen alkuperäisistä sijoittajista. Jouni Partanen, suomalainen liikemies ja yrittäjä, oli merkittävässä roolissa 3D-tulostuksen kehittämisessä ja levittämisessä maailmanlaajuisesti. Hän oli myös mukana perustamassa 3D Systemsin tytäryhtiötä, 3D Systems Skandinaviaa, joka keskittyi 3D-tulostuksen edistämiseen Skandinavian markkinoilla.

1990-luku:

– Vuonna 1992 Carl Deckard kehitti Selective Laser Sintering (SLS) -menetelmän, joka mahdollisti metallien ja polymeerien 3D-tulostuksen. – Vuonna 1993 Massachusetts Institute of Technology (MIT) perusti Media Labin, jossa tutkittiin ja kehitettiin 3D-tulostuksen teknologioita.

2000-luku:

  • 2000-luvulla 3D-tulostus alkoi saada enemmän huomiota ja käytännön sovelluksia.
  • Vuonna 2005 Fused Deposition Modeling (FDM) -menetelmän patentti vanheni, mikä mahdollisti muiden yritysten kehittää ja valmistaa FDM-tulostimia.
  • Vuonna 2009 Mark Forged toi markkinoille ensimmäisen kuluttajille tarkoitetun FDM-metallitulostimen.
  • Vuonna 2010s 3D-tulostuksen käyttö laajeni eri teollisuudenaloille, kuten lääketieteeseen, autoteollisuuteen, lentokoneteollisuuteen ja muotoiluun.
  • Vuonna 2013 Formlabs toi markkinoille edullisen ja korkealaatuisen SLA-tulostimen Form 1.
  • Vuonna 2015 Stratasys julkaisi ensimmäisen monimateriaalitulostimen, joka mahdollisti tulostuksen useista materiaaleista samanaikaisesti.

2020-luku:

  • 3D-tulostuksen käyttö jatkaa kasvuaan eri teollisuudenaloilla, ja uusia innovaatioita ja kehityksiä tapahtuu jatkuvasti.
  • Tulostusnopeus, materiaalivalikoima ja tulostustarkkuus ovat kehittyneet huomattavasti.
  • Kehitetään uusia menetelmiä ja materiaaleja, kuten biotulostus ja elinten tulostus, ruokatulostus ja rakentamisen 3D-tulostus.

Lista erilaisista 3D-tulostusmenetelmistä:

  1. Fused Deposition Modeling (FDM)
  2. Stereolithography (SLA)
  3. Selective Laser Sintering (SLS)
  4. Digital Light Processing (DLP)
  5. Electron Beam Melting (EBM)
  6. Direct Metal Laser Sintering (DMLS)
  7. Selective Laser Melting (SLM)
  8. Binder Jetting
  9. Material Jetting
  10. Laminated Object Manufacturing (LOM)
  11. Continuous Liquid Interface Production (CLIP)
  12. Inkjet 3D Printing
  13. Digital Beam Melting (DBM)
  14. Powder Bed Fusion (PBF)
  15. Multi Jet Fusion (MJF)
  16. Sheet Lamination
  17. Direct Energy Deposition (DED)
  18. Laser Metal Deposition (LMD)
  19. Digital Light Synthesis (DLS)
  20. Ultrasonic Consolidation (UC)
  21. Hybrid Additive Manufacturing (HAM)
  1. Fused Deposition Modeling (FDM): FDM on yksi yleisimmistä ja edullisimmista 3D-tulostusmenetelmistä. Se käyttää sulaa muovifilamenttia, joka kerrostetaan hitaasti ja jäähtyy nopeasti luoden halutun muodon.
  2. Stereolithography (SLA): SLA käyttää UV-valon avulla kovetettavaa nestemäistä hartsiä. UV-laseria käytetään kovettamaan hartsia kerros kerrokselta, mikä mahdollistaa korkean tarkkuuden tulostuksen.
  3. Selective Laser Sintering (SLS): SLS käyttää laseria sulattamaan jauhemaisia materiaaleja, kuten muovia tai metallia. Sulatettu jauhe kiinnittyy edelliseen kerrokseen ja prosessi toistuu kerros kerrokselta, mikä mahdollistaa monimutkaisten ja kestävien esineiden tulostuksen.
  4. Digital Light Processing (DLP): DLP käyttää UV-valoa ja digitaalista projektiota tulostuksen ohjaamiseksi. Nestemäinen hartsikerros altistetaan UV-valolle, joka kovettaa sen halutuissa kohdissa. Tämä menetelmä on nopeampi kuin SLA.
  5. Electron Beam Melting (EBM): EBM käyttää elektronisädettä sulattamaan metallijauheen kerros kerrokselta. Menetelmä soveltuu erityisesti metalliesineiden tulostukseen korkean lämpötilan ja kestävyyden vaatimuksissa.
  6. Direct Metal Laser Sintering (DMLS): DMLS käyttää laseria sulattamaan metallijauheen kerros kerrokselta. Se mahdollistaa korkealaatuisen metalliesineiden tulostuksen monimutkaisilla geometrioilla ja tarkkuudella.
  7. Selective Laser Melting (SLM): SLM on samanlainen kuin DMLS, mutta käyttää hienojakoisempaa metallijauhetta ja tarkempaa laserin ohjausta. Tuloksena saadaan erittäin korkealaatuisia ja tiiviitä metalliesineitä.
  8. Binder Jetting: Binder Jettingissa nestemäinen sideaine ruiskutetaan jauhemaisen materiaalin päälle kerros kerrokselta. Tämä menetelmä on nopea, mutta lopullinen tuote vaatii usein jälkikäsittelyä.
  9. Material Jetting: Material Jetting käyttää suuttimia ruiskuttamaan nestemäisiä materiaaleja, kuten polymeerit tai vahat, kerros kerrokselta. Menetelmä mahdollistaa monimateriaalitulostuksen ja tarkkojen yksityiskohtien tulostuksen.
  10. Laminated Object Manufacturing (LOM): LOMissa kerroksittain leikatut paperi- tai muovikalvot liimataan yhteen ja leikataan lopulliseen muotoonsa. Menetelmä on edullinen ja soveltuu erityisesti suurikokoisten esineiden tulostukseen.
  11. Continuous Liquid Interface Production (CLIP): CLIP käyttää UV-valoa ja hartsin pinnan paksuutta säätävää kalvoa. Hartsin pinta altistuu UV-valolle, mikä mahdollistaa nopean ja tarkan tulostuksen.
  12. Inkjet 3D Printing: Inkjet 3D-tulostuksessa tulostuspää ruiskuttaa nestemäistä materiaalia ohuina kerroksina. Menetelmä on nopea ja mahdollistaa monimateriaalitulostuksen.
  13. Digital Beam Melting (DBM): DBM käyttää elektronisädettä tai laseria sulattamaan metallijauhetta kerros kerrokselta. Menetelmä soveltuu metalliesineiden tulostukseen korkeilla lämpötiloilla ja kestävyydellä.
  14. Powder Bed Fusion (PBF): PBF yhdistää SLS- ja SLM-tekniikat. Laser tai elektronisäde sulattaa jauhemaisen materiaalin kerros kerrokselta, mutta käyttää hienompaa jauhetta kuin SLS.
  15. Multi Jet Fusion (MJF): MJF käyttää useita suuttimia ruiskuttamaan hartsia tai jauhetta ja samanaikaisesti levittää energiaa, joka kovettaa materiaalin kerros kerrokselta. Menetelmä mahdollistaa nopean ja tarkan tulostuksen.
  16. Sheet Lamination: Sheet Laminationissa tulostusmateriaalina käytetään paperia, muovikalvoja tai metallikalvoja, jotka leikataan ja liimataan yhteen muodostaen lopullisen kappaleen kerros kerrokselta.
  17. Direct Energy Deposition (DED): DED käyttää suutinta, joka ruiskuttaa metallijauhetta tai langan materiaalia samalla kun sulattaa sen lasersäteellä. Menetelmä soveltuu suurikokoisten esineiden korjaamiseen ja kerrokselliseen lisäämiseen.
  18. Laser Metal Deposition (LMD): LMD käyttää suutinta, joka ruiskuttaa metallijauhetta tai langan materiaalia ja sulattaa sen lasersäteellä kerros kerrokselta. Menetelmä soveltuu metalliosien valmistukseen ja korjaamiseen.
  19. Digital Light Synthesis (DLS): DLS käyttää valon ja hartsin yhdistelmää tulostuksen ohjaamiseksi. Nestemäinen hartsi kovettuu valon avulla kerros kerrokselta. Menetelmä mahdollistaa nopean ja tarkan tulostuksen.
  20. Ultrasonic Consolidation (UC): UC käyttää ultraäänivärähtelyä sulattamaan ja liimaamaan metallipulveria tai nauhaa yhteen kerros kerrokselta. Menetelmä soveltuu metallien liittämiseen ja korjaamiseen.
  21. Hybrid Additive Manufacturing (HAM): HAM yhdistää useita 3D-tulostusmenetelmiä yhden prosessin aikana. Esimerkiksi yhdistämällä tulostuksen ja CNC-jyrsinnän saadaan monimateriaalitulostus ja korkeampi tarkkuus.

FDM-tulostuksessa käytetyimmät materiaalit

PLA (Polyactic Acid): PLA on biohajoava ja helposti saatavilla oleva polymeeri, joka on suosittu valinta FDM-tulostuksessa. Se on helppo tulostaa ja tuottaa hyvän pinnanlaadun. PLA-materiaalilla on myös vähäinen haju ja se on ympäristöystävällinen vaihtoehto.

ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene): ABS on kestävä ja iskunkestävä polymeeri, joka soveltuu hyvin funktionaalisiin prototyyppeihin ja osiin. ABS-materiaalilla tulostetut osat ovat kestäviä ja niillä on hyvä mekaaninen lujuus.

PETG (Polyethylene Terephthalate Glycol): PETG on monipuolinen materiaali, joka tarjoaa hyvän tasapainon lujuuden, joustavuuden ja läpinäkyvyyden välillä. Se on kestävä ja iskunkestävä, ja se soveltuu hyvin esimerkiksi suojakoteloihin ja mekanismeihin.

Nylon: Nylon on vahva ja kestävä materiaali, joka tarjoaa hyvän mekaanisen suorituskyvyn. Se on joustava ja kestää hyvin rasitusta, mikä tekee siitä sopivan valinnan esimerkiksi mekaanisiin osiin ja välineisiin.

TPU (Thermoplastic Polyurethane): TPU on joustava ja elastinen materiaali, joka tarjoaa hyvän iskunvaimennuksen ja vetolujuuden. Se sopii hyvin joustaviin ja joustaviin osiin, kuten kumitiivisteisiin ja kengänpohjiin.

SLA-tulostuksessa käytetyimmät materiaalit

Standardiresiinit: Näitä ovat yleensä akryyli- tai epoksipohjaiset nesteet, jotka polymeroituvat UV-valolla. Ne tarjoavat hyvän tarkkuuden ja yksityiskohtien toiston sekä sileän pinnanlaadun. Standardiresiinit ovat yleensä läpinäkyviä tai hieman sameita.

Kehittyneet resiinit: SLA-tulostuksessa on saatavilla myös erilaisia kehittyneitä resiinejä, jotka tarjoavat lisää ominaisuuksia ja mahdollisuuksia. Esimerkkejä ovat keraamiset resiinit, joiden avulla voidaan tulostaa keraamisia osia, ja joustavat resiinit, jotka mahdollistavat joustavien osien tulostamisen.

Materiaalien yhdistelmät: SLA-tulostuksessa voidaan myös käyttää materiaalien yhdistelmiä, kuten komposiitteja tai sekoituksia, jotka tarjoavat erilaisia ominaisuuksia ja mahdollisuuksia. Tällaisia materiaaleja voivat olla esimerkiksi metallikomposiitit tai keraamikomposiitit.

SLS-tulostuksessa käytetyimmät materiaalit

Polyamidi (PA): Polyamidit, kuten nylon, ovat yleisimpiä SLS-tulostusmateriaaleja. Ne tarjoavat hyvän lujuuden, joustavuuden ja kestävyyden, mikä tekee niistä sopivia useisiin sovelluksiin. PA-materiaaleja on saatavilla eri viskositeetilla ja ominaisuuksilla, kuten läpinäkyvyys tai joustavuus.

TPU (Thermoplastic Polyurethane): Joustavuutta vaativissa sovelluksissa käytetään usein TPU-materiaaleja SLS-tulostuksessa. TPU tarjoaa hyvän iskunvaimennuksen, vetolujuuden ja joustavuuden, mikä sopii esimerkiksi joustavien osien, kumitiivisteiden ja kengänpohjien valmistukseen.

Keraamiset materiaalit: SLS-tulostuksessa voidaan käyttää myös keraamisia jauheita, kuten alumiinioksidia (Al2O3) tai lasia. Keraamiset materiaalit tarjoavat hyvän lämmönkestävyyden, kemiallisen kestävyyden ja mekaanisen lujuuden, mikä tekee niistä sopivia esimerkiksi korkean lämpötilan sovelluksiin tai lääketieteellisiin implantteihin.

Metallijauheet: Lisäksi SLS-tulostuksessa voidaan käyttää metallijauheita, kuten alumiinia, titaania tai terästä. Metallijauheet mahdollistavat suoran metallin 3D-tulostuksen ja tarjoavat erinomaisen mekaanisen lujuuden ja kestävyyden. Metallijauheiden SLS-tulostus soveltuu erityisesti toiminnallisten metalliosien valmistukseen.

Lasersulatuksessa käytetyimmät metallijauheet:

Ruostumaton teräs: DMLS-tulostuksessa ruostumattomasta teräksestä tulostetut osat tarjoavat erinomaisen mekaanisen lujuuden, korroosionkestävyyden ja lämmönkestävyyden. Ne soveltuvat moniin eri sovelluksiin, kuten koneenosien valmistukseen.

Titaani (Ti-6Al-4V): Titaani on kevyt, kestävä ja korroosionkestävä materiaali, jota käytetään laajasti DMLS-tulostuksessa. Ti-6Al-4V-titaaniyhdiste on yleisin DMLS-tulostukseen käytetty titaani muoto, ja se soveltuu hyvin lentokone- ja avaruussovelluksiin sekä lääketieteellisiin implantteihin.

Alumiini: Alumiini on kevyt, luja ja hyvin lämmönjohtava metalli, jota käytetään DMLS-tulostuksessa. Alumiinista valmistetut osat ovat suosittuja erilaisissa sovelluksissa, kuten autoteollisuudessa ja ilmailussa.

Nikkeli (Inconel): Nikkelipohjaiset materiaalit, kuten Inconel, tarjoavat erinomaisen lämmönkestävyyden, korroosionkestävyyden ja mekaanisen lujuuden. Niitä käytetään erityisesti korkean lämpötilan sovelluksissa, kuten lentokoneiden moottorikomponenteissa.

Koboltti-kromi (CoCr): Koboltti-kromi -seokset ovat yleisiä lääketieteellisessä DMLS-tulostuksessa. Ne tarjoavat biokompatibiliteetin ja hyvän korroosionkestävyyden, mikä tekee niistä sopivia esimerkiksi hammasimplantteihin ja muuhun lääketieteelliseen käyttöön.