Polymeerien yhtäaikainen multimateriaali 3D-tulostaminen

Abstract

Multimateriaali 3D-tulostaminen on yksi 3D-tulostustekniikan kehityssuunta, joka mahdollistaa yhden tai useamman materiaalin samanaikaista tulostamista. Työn tarkoitus on perehdyttää lukija polymeerien multimateriaali 3D-tulostuksen nykyiseen tilanteeseen. Kirjallisuustutkimusta suoritettiin seuraavilla kysymyksillä: Millaisia tekniikoita on kehitetty polymeerien multimateriaali 3D-tulostamiseksi, mitä tekniikoita käytetään polymeerien multimateriaali 3D-tulostamisessa, mitä työkaluja tarvitaan multimateriaali 3D-tulostukseen sekä, millainen tulevaisuus multimateri-aali 3D-tulostamisella on. Työ on rajoitettu tulostusmenetelmiin, joilla voidaan tulostaa kahta tai useampaa materiaali samanaikaisesti. Tiedon suppeuden vuoksi, tietoa kerättiin tieteellisten artikkeleiden lisäksi valmistajien nettisivuilta. Kirjallisuusselvityksen lisäksi haastateltiin Tampereen Ammattikorkeakoulun multimateriaali 3D-tulostimesta vastaa laboratorioinsinööriä. 3D-tulostamisen (engl. Additive Manufacturing) perusajatus on kappaleiden luominen sitten, että materiaalia lisätään kerros kerrallaan, kunnes kappale on valmis. Polymeerien multimateriaali 3D-tulostamistekniikat voidaan luokitella kahteen menetelmään: materiaalin pursotus sekä materiaalin ruiskutus. Materiaalia pursottavissa menetelmissä kiinteää kuitumaista termoplastista materiaalia lämmitetään sulaksi ja puristetaan suuttimen läpi. Multimateriaalisuus saavutetaan tässä tekniikassa usean suuttimen käytöllä, jolloin voidaan tulostaa samanaikaisesti kahta tai useampaa materiaalia, riippuen ainoastaan suuttimien määrästä. Materiaalia ruiskuttavissa menetelmissä nestemäistä fotopolymeeriä ruiskutetaan ohut kerros, minkä jälkeen kerros kovetetaan UV valolla. Useat suuttimet ovat ominaista tekniikalle, joten multimateriaalisuus saavutetaan jo lisäämällä säiliöihin useampaa materiaalia. Ohjelmistopuolella huomattiin, että useaa materiaalia sisältävien 3D-kappaleiden mallintamisessa syntyi ongelmia tiedoston tallentamisessa, sillä STL-tiedostoformaatilla voidaan tallentaa kappaleeseen vain yhtä materiaalia. Tämä on johtanut kahden kilpailevan standardin syntyyn: AMF sekä 3MF. Molemmissa voidaan määritellä useampaa materiaalia kappaleeseen. Toista ratkaisua on haettu Slicer-ohjelmista, joiden tarkoitus on muuttaa 3D-kappale G-koodiksi. Slicer-ohjelmiin on lisätty toiminnallisuuksia, joilla voidaan määrittää kappaleeseen useampaa materiaalia ennen sen siirtämistä 3D-tulostimeen. Työssä myös perehdyttiin seitsemään tapaukseen, joissa multimateriaali 3D-tulostusta käytettiin. Tapauksista huomattiin, että multimateriaali 3D-tulostimia käytetään lähtökohtaisesti lää-ketieteessä sekä yritysten tuotekehityksessä. Näistä tapauksista tehtiin päätelmä, että multimateriaali 3D-tulostaminen on vielä hyvin varhaisessa vaiheessa kehityksessä, minkä takia kaikki eivät vielä tiedä, mihin tätä tekniikkaa edes voisi käyttää. Tämän lisäksi huomattiin, että multimateriaali hyödyt piilevät usein sen mahdollisuudessa tulostaa veteen liukenevia tukirakenteita, mikä mahdollistaa kompleksienkin kappaleiden kehittämisen.