Biomateriaalien ominaisuudet ja sovelluskohteet 3D-tulostuksessa

Abstract

Tässä työssä tutkitaan kirjallisuuden avulla biomateriaalien käyttöä suurten kappaleiden 3D-tulostuksessa eri tulostusmenetelmien sekä materiaalin ominaisuuksien näkökulmasta. 3D-tulostusprosessiin vaikuttaa keskeisesti tulostusmateriaalin ominaisuudet. Työn ensimmäisenä tarkoituksena on selvittää, mitkä ovat biokomposiittien keskeiset ominaisuudet sekä millaisia biokomposiittimateriaaleja markkinoilla on saatavilla. Toisena tavoitteena on tutkia, miten eri 3D-tulostusmenetelmät soveltuvat suurten kappaleiden tulostamiseen biokomposiiteilla, ja selvittää millaisia sovelluskohteita ja haasteita suurten kappaleiden tulostukseen liittyy. Viimeisenä tavoitteena on tutkia markkinoilta löytyvien biomateriaalien tulostamiseen soveltuvia, suurten kappaleiden tulostamiseen tarkoitettuja, tulostinkomponentteja.

Biokomposiitit koostuvat yleisimmin selluloosakuiduista, joita sekoitetaan PLA-muovin joukkoon. Materiaalin tulostuksen kannalta keskeisimmät ominaisuudet ovat lämpötila herkkyys sekä materiaalin lujuus ja elastisuus, jotka tutkimusten mukaan kasvavat, kun selluloosakuitupitoisuutta kasvatetaan. Markkinoilta löytyi biokomposiitteja valmistajilta, kuten UMP ja Stora Enso.

Mahdollisina 3D-tulostumenetelminä tarkasteltiin stereolintografaa, Fused flament fabricationia sekä Fused granular fabricationia. Näistä menetelmistä parhaiten suurten kappaleiden tulostukseen osoittautui soveltuvan Fused granular fabrication, sillä markkinoilta löytyy runsaasti menetelmään perustuvia suuren kokoluokan tulostinkomponentteja, ja pellettimateriaalia on helppo käsitellä suurina määrinä. Suurten kappaleiden tulostuksella on myös sovelluskohteita useilla eri teollisuuden aloilla, niistä kuitenkin merkittävimpänä rakennusteollisuus, jossa tulostetaan kokonaisia taloja. Haasteina näissä sovelluksissa on menetelmien hitaus sekä tulostettavien materiaalien kalliit hinnat. Materiaalien kallis hinta kuitenkin kompensoituu vähenevinä työvoimakustannuksina.

Suurten kappaleiden tulostuksessa keskeisimpiä komponentteja ovat tulostuspää, materiaalinsyöttöjärjestelmä sekä mekanismi, jolla liikuttaa tulostuspäätä. Yleisimmin suurtenkappaleiden tulostuksessa tulostuspäätä ohjataan robotilla. Markkinoilta löytyi useita erilaisia suurten kappaleiden tulostamiseen soveltuvia tulostuspäitä sekä kokonaisratkaisuja. Valittaessa näistä komponenteista biokomposiiteille sopivia tulee ottaa huomioon biokomposiittimateriaalin asettamat vaatimuksen esimerkiksi tarkasti hallittavan lämpötilan suhteen. Sovelluskohtaisia komponentteja valitessa kannattaa ottaa myös huomioon esimerkiksi miten suurta tulostuskykyä halutaan tai halutaanko suoraan valmis kokonaisratkaisu.