Jauhepetimenetelmä

Jauhepetimenetelmä on lisäävän valmistuksen prosessi, jossa jauhepedin alueita liitetään yhteen selektiivisesti lämpöenergialla.

Jauhepetimenetelmä on vanhin ja tällä hetkellä yleisin metallitulostusprosessi, menetelmää käytetään myös hyvin yleisesti muoviosien tulostuksessa. Ensimmäinen DMLS menetelmää koskeva patentti on rekisteröity 1971. Seuraava patentti tuli kuusi vuotta myöhemmin ja se on hyvin lähellä nykyään käytettäviä AM prosesseja. Useat nykyiset prosessit jakavat saman perustoiminnan ja monet eroavat toisistaan pelkästään prosessinimeltään, joka tekee erojen ymmärtämisestä haastavaa.

Yksi syy useille eri prosessinimityksille (kuten DMLS, SLM ja DMP) on että monet tahot ovat työskennelleet saman tai samankaltaisien prosessien kanssa ja välttävät käyttämästä samoja nimityksiä, koska osa niistä on yritysten lisensoimia tuotemerkkejä. Kaikki prosessit joissa käytetään jauhepetimenetelmää metallien tulostukseen käyttävät myös suljettua suojakaasulla täytettävää tulostuskammiota. Suojakaasuvaatimuksen vaihtelevat eri metallimateriaalien välillä, esimerkiksi titaanijauheen kanssa käytetään argonia, kun taas teräksen kanssa käytetään yleisesti typpeä. Tulostusprosessi jauhepetimenetelmissä on seuraavanlainen: Suunnittelija suunnittelee kappaleen. Osa tai osat sijoitetaan virtuaalisen tulostus volyymin sisään. Tulostusvolyymi siivutetaan kerroksiksi (kerrosmäärä riippuu kerroskorkeudesta/tarkkuudesta) Jauhekerros levitetään tulostusalueelle Jauhekerros sulatetaan tai sintrataan valikoivasti lasersäteellä. Osat muodostetaan kerros kerrokselta, kun osioita 4 ja 5 toistetaan, kunnes kaikki kerrokset ovat tulostettu. Tulostuskammio jäähdytetään. Ylimääräinen jauhe kierrätetään, suurin osa siitä voidaan käyttää uudelleen. Järjestelmään vaikuttavat monet tekijät, kuten lämmön johtuminen ja säteily, sulan koko, jne. Järjestelmää kontrolloidaan useita parametreja säätämällä, kuten laserin teho, partikkelikoko, kammion lämpötila, tuki ja lämpönielujen koko ja sijainti, sula alueiden etäisyys toisistaan, jne. Jotkut muuttujat ovat kriittisempiä kuin toiset, mutta kaikki vaikuttavat yhdessä lopullisen kappaleen laatuun ja onnistumiseen. Osa ja tukimateriaalin suunnittelu on kriittistä lämpökuorman ja jännityksien kannalta, jotka ovat tyypillisiä muuttujia metallimateriaaleilla.

Yksi suuri ero järjestelmien välillä on lämmöntuonnissa, järjestelmät voivat olla sintraavia tai sulattavia.
Materiaalia sintraavissa järjestelmissä jauhepartikkeleja lämmitetään kunnes ne tarttuvat toisiinsa molekyylitasolla. Jauhetta ei sulateta kokonaan, joka mahdollistaa huokoisuuden säätelemisen lopputuotteessa. Huokoisuus on tärkeä ominaisuus etenkin terveydenhuollon sovellutuksissa.

Sulattavat järjestelmät kykenevät suuremman lämmöntuotannon avulla sintraamisen lisäksi sulattamaan metallipartikkelit täysin, joka mahdollistaa 100 % kiinteiden kappaleiden luomisen.

DMLS termi on hyvin epäselvä, koska valmistajat käyttävät sitä kuvailemaan sekä sintraavia että sulattavia järjestelmiä.

Ennenkuin tulostettu osa voidaan ottaa pois tulostimesta, kammio on jäähdytettävä ja ylimääräinen jauhe kierrätettävä. Lisäksi osat täytyy irrottaa tulostusalustasta ja tuki ja lämpönielut poistettava kappaleista. Tämän jälkeen kappaleille voidaan tehdä jälkikäsittelyitä, joka voivat viedä paljon enemmän aikaa kuin itse tulostus.
Useat yritykset myyvät jauhepetimenetelmään perustuvia tulostimia. Joitakin tunnetuimpia järjestelmävalmistajia ovat: EOS, SLM, Concept Laser, 3DSystems, Renishaw, ReaLizer GmbH and Arcam.

LaserCusing® on Concept Laser- yrityksen käyttämä termi heidän jauhepetimenetelmästään, joka eroaa perus jauhepetimenetelmästä pääasiassa yrityksen kehittämän laser-algoritmin puolesta. Algoritmi perustuu satunnaisuuteen ja saareke-periaatteeseen. Yritys mainostaa että algoritmi mahdollistaa tarkemman kontrollin osien lämpö- ja jännitys muutoksiin.

DMLS, Direct Metal Laser Sintering

DMLS:n ensiaskeleet tapahtuivat jo 1970 luvulla ja vuonna 1984 3DSystems patentoi joitakin prosessin avaintoimintoja. 3DSystemsin lisäksi myös muut yritykset ovat tehneet tutkimusta aiheeseen liittyen, näistä esimerkkinä EOS, Fraunhofer ILT, Fraunhofer IPT, Fockele & Schwarze ja Trumpf. EOS valmisti ensimmäisen kaupallisesti saatavilla olevan DMLS laitteen vuonna 1994.

EOS osti kaikki oikeudet lasersintrausta koskeviin patentteihin 3DSystemsiltä ja muilta aiheeseen liittyen tutkimusta tehneiltä yrityksiltä vuonna 1997. Näin EOS sai haltuunsa kaikki metallin jauhepetimenetelmää koskevat patentit, lukuunottamatta Trumpf:ia, jolla oli patentteja DMLS metallin sulatukseen liittyen. Trumpf käyttää jauhepetimenetelmästään nimitystä ”Laser metal fusion” ja siitä lyhennettä LMF.

DMLS:n voidaan sanoa olevan lähtökohta kaikille metallin jauhepetimenetelmille, johon kaikki variaatiot perustuvat jollaintavalla. EOS on DMLS-laitteistovalmistajista vanhin ja suurin.

Periaatteessa prosessia voidaan käyttää mille tahansa metalliseokselle. Yleisimmät DMLS-laitteissa käytettävät materiaalit ovat ruostumaton teräs (17-4, 15-5), maraging-teräs, cobaltti-kromi, inconel 625 & 718 ja titaani (Ti6Al4V).

SLM, Selective Laser Melting

SLM on Fraunhofer instituution kehittämä ja patentoima menetelmä saksassa 1995 ja DMLS menetelmään tehtyyn tutkimukseen perustuen. Vuodesta 2011 lähtien SLM menetelmään perustuvia laitteita on valmistanut ja myynyt SLM Solution GmbH.

Termi ”Selective Laser Melting (SLM)” tarkoittaa materiaalin sulatusta kuitulaserilla. Termiä käyttävät SLM Solution GmbH ja joskus myös muut valmistajat kuvaamaan sitä että laite sulattaa materiaalin täysin.
Menetelmä perustuu perinteisen jauhepetimenetelmän prosessiin. 3D malli siivutetaan 20-200 μm 2D kerroksiksi, jotka ladataan laitteen ohjausohjelmistolle. Ohjelmistoa käytetään laitteen parametrimäärityksille sekä kappaleiden tukimateriaalien luomiseen.

Suurimmat myydyt SLM-laitteet nykyään ovat 500 x 500 mm työalueella ja ne käyttävät 200-1000 W kuitulaseria lämmönlähteenään. Yleisimmät materiaalit ovat ruostumaton teräs, työkaluteräs, kobaltti-kromi, titaani sekä alumiini.

DMP, Direct Metal Printing

3DSystems käyttää termiä ”Direct Metal Printing (DMP)” yrityksen omista metallitulostimista. Prosessi on periaatteessa DMLS prosessi, jossa materiaali sulatetaan täysin kiinteiden kappaleiden luomiseksi. 3DSystemsin mukaan laitteiden tarkkuus on noin 20 μm kaikissa kolmessa akselisuunnassa. Suurimmilla DMP laitteilla työalue on 250 x 250 x 300 mm ja yli 15 saatavilla olevaa eri materiaalia.

EBM, Electron Beam Melting

”Electron Beam Melting (EBM)” in Ruotsalaisen Arcamin kehittämä prosessi, jossa lämpö tuotetaan elektronisäteellä tyhjiössä, suojakaasussa käytettävän laserin sijasta. Lämpötilat ovat huomattavasti suurempia kuin laseria käyttävissä järjestelmissä. Toinen ero laser sädettä käyttäviin järjestelmiin on että, ennen kappaleen geometrian sulatusta, koko jauhekerros lämmitetään optimilämpötilaan materiaalista riippuen. Esilämmitys takaa sen että lopputuote on kohtuullisen vapaa jäännösjännityksistä ja martensiittisista mikrorakenteista. EBM teknologiaan perustuvat laitteet eivät ole yhtä tarkkoja kuin DMLS-laitteet, mutta toisaalta ne ovat huomattavasti nopeampia. EBM-laitteiden tarkkuus on luokkaa 100-200 μm. Titaania tulostettaessa jauhepeti toimii tukirakenteena kappaleelle. Titaani laajenee arviolta yhden prosentin sulattamisen aikana, joka aiheuttaa sen, että jäähdytysvaiheessa kappale irtoaa teräsalustasta itsestään, materiaalien erilaisista lämpölaajenemisista johtuen. Tämä tekee kokonaisprosessista huomattavasti nopeamman, koska kappaleen jälkikäsittely on nopeampi tai sitä ei tarvita ollenkaan. EBM prosessi ja laitteet ovat äärimmäisen kustomoituja muutamalle tietylle teollosuudelle. Saatavilla olevat materiaalit on suunniteltu avaruus-, lento- ja lääketeollisuuden tarpeisiin. Indikaattorina EBM menetelmän laajasta käytöstä terveyspuolella voidaan pitää sitä , että monet Arcamin EBM laitteella valmistetut implantit ja nivelet ovat saaneet hyväksyntöjä eri maiden terveysviranomaisilta.

Arcam tarjoaa järjestelmiinsä pääasiassa titaani, kobaltti-kromi ja inconel materiaaleja, tosin menetelmän periaate ei rajoita käytettäviä materiaaleja näihin. Huomionarvoista on se, etät Arcamin tarjoamat materiaalit, varsinkin titaanin osalta ovat halvempia kuin muilla DMLS-menetelmää käyttävillä laitevalmistajilla.