Hydraulisylinterikomponenttien 3D-tulostamisen taloudellisuus

Abstract

3D-tulostus (lisäävä valmistus) on metallisten hydraulisylinterikomponenttien kohdalla suhteellisen uusi ja vähän käytetty valmistusmenetelmä. Menetelmää on toistaiseksi hyödynnetty lähinnä auto- ja ilmailuteollisuuden sekä lääketieteen käytössä, joiden sovelluksissa komponenteilta edellytetään erittäin suurta kulutuskestävyyttä. 3D-tulostuksen suosio on kuitenkin jatkuvassa kasvussa myös muilla aloilla, sillä menetelmä vaatii vähemmän työvoimaa kuin monet muut valmistusmenetelmät. 3D-tulostuksessa komponenttien valmistuskustannukset eivät riipu valmistettujen komponenttien määristä samaan tapaan kuin perinteisissä valmistusmenetelmissä. Lisäksi markkinoilla tarjolla olevien tulostusmateriaalien (eri metallijauheet) valikoima kasvaa jatkuvasti ja myös tulostuspalveluita tarjoavien yritysten määrä on kasvussa niin Suomessa kuin ulkomailla. 3D-valmistuksen kustannuksiin vaikuttavat useat eri tekijät, kuten tulostusmateriaali, tuotettavien kappaleiden määrä sekä tulostettujen kappaleiden tukirakenteiden poistotarve ja kappaleiden jälkityöstön tarve.

Käytettävissä olevat tulostuslaitteet asettavat kappaleille eräitä geometrisia rajoitteita, jotka tietyiltä osin vaikuttavat tulostettavien kappaleiden muuten varsin vapaaseen suunnitteluun. Rajoitteet liittyvät lähinnä kappaleiden kokoon, muttei niiden monimutkaisuuteen, mikä ei myöskään juuri vaikuta komponenttien valmistuskuluihin, koska menetelmässä kappaleet valmistuvat kaikilta osin kerros kerrokselta, eikä kappaleeseen ole tarvetta kohdistaa haastavia ylimääräisen materiaalin poistomenetelmiä.

Tässä kandidaatintyössä selvitetään metallin 3D-tulostuksessa syntyviä kuluja, kuinka niihin voidaan vaikuttaa ja milloin tulostaminen on taloudellisesti kannattavaa perinteisiin valmistusmenetelmiin verrattuna. Työn aikana havaittiin, että huolellisen suunnittelun ja onnistuneen topologisen optimoinnin avulla on mahdollista saavuttaa merkittäviä kustannussäästöjä sekä parantaa kappaleen teknisiä ominaisuuksia ja vähentää komponentin painoa.

Kulutarkastelu tehdään kahdelle erilaiselle kappaleelle; pitkän ja johdonmukaisen suunnittelutyön pohjalta syntyneelle digiventtiililohkolle, joka voidaan integroida osaksi hydraulisylinteriä, sekä korva- ja pohjakappaleesta koostuvalle hydraulisylinterin niveltakapäälle. Näiden kahden kappaleen kohdalla saatujen tulosten sekä saatavilla olevan materiaalin pohjalta voidaan todeta, että 3D-tulostaminen on taloudellisesti kannattavinta silloin, kun kyseessä on pieni kappale, joka teknisiltä ominaisuuksiltaan tai topologialtaan on sellainen, että sen valmistaminen on haastavaa perinteisin menetelmin. 3D-tulostuksen sarjatuotanto on järkevintä piensarjatuotannossa (alle 100 kappaleen sarjat), kun taas sitä suuremmissa sarjoissa monet perinteiset menetelmät tulevat edullisemmiksi.

Kirjoittajan oma ennuste tämän kandidaatintyön pohjalta on, että metallin 3D-tulostus tulee kasvamaan tulevaisuudessa eksponentiaalisesti tietoisuuden ja kannattavuuden kasvaessa. Ekologisuusnäkökulma sekä suunnitteluaspekti tarjoavat parempia mahdollisuuksia suhteessa perinteisiin menetelmiin monella eri tieteenalalla.