Mikrotason 3D-tulostaminen: menetelmät, laitteet ja sovellukset
Koiso-Kanttila, Lari-Petteri (2023)
Koiso-Kanttila, Lari-Petteri
2023
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-05-03
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202305024999
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202305024999
Tiivistelmä
3D-tulostaminen on materiaalia lisäävä valmistusmenetelmä, jossa kappale luodaan tietokonemallin pohjalta tulostusalustalle tai -altaaseen esimerkiksi pursottamalla tai valokovettamalla. Tässä työssä tarkastellaan mikro- ja nanotason ilmiöitä 3D-tulostamisessa, eli mittaväliä 0,1–1000 µm. Osa 3D-tulostamiseen liittyvistä ilmiöistä toistuu samanlaisena niin makro- kuin mikrotasoillakin, osa on tyypillisiä vain toiselle.
Tämän tutkielman tavoite on selvittää mitä menetelmiä käytetään mikrotason 3D-tulostamiseen, mitkä ovat näiden menetelmien erikoispiirteet ja käyttökohteet, sekä miten ne vertautuvat toisiinsa. Työ voidaan jakaa neljään osaan: Aluksi käydään läpi menetelmien toimintaperiaatteet ja seuraavaksi niiden käyttämät materiaalit ja käyttökohteet. Sitten käsitellään menetelmiin liittyviä ongelmia ja vahvuuksia. Lopuksi käsitellään ja vertaillaan näitä menetelmiä hyödyntäviä kaupallisia laitteistoja lyhyesti. Viimeisenä on yhteenvetokappale, jossa kiteytetään yhteen tutkielmassa käsitellyt asiat.
Tutkielmassa huomataan, että yleisesti on käytössä seitsemän tulostusmenetelmää, joista viisi voidaan jakaa vielä kahteen tai useampaan alamenetelmään. Nämä menetelmät ovat: mustesuihkutus, sideaineen suihkutus, mikrostereolitografia, kaksifotonipolymerisaatio, jauhepetimenetelmät sekä laminointi ja pursotus. Kaksi ensimmäistä ovat suihkutusmenetelmiä ja kaksi seuraavaa valokovetusmenetelmiä. Vaikkei laminointia tai pursotusta enää juuri käytetä mikrotasolla, on ne esitelty tässä tutkielmassa lyhyesti. Esiteltäviä menetelmiä voidaan käyttää lähes kaikkeen mikrotason valmistukseen, mutta erityisesti tässä tutkielmassa käyttökohteina korostuvat sähköteollisuus sekä bio- ja hammaslääketieteet.
Eri menetelmien resoluutioita vertailtaessa havaitaan, että kaksifotonipolymerisaatio on ylivoimaisesti paras mikrotason tulostamiseen. Menetelmällä voidaan saavuttaa jopa 0,1 µm:n resoluutio, mikä on kymmenen kertaa parempi kuin seuraavaksi parhaalla menetelmällä, mikrostereolitografialla. Suihkutusmenetelmillä päästään noin 20 µm:n resoluutioon, jauhepetimenetelmillä hieman tätä parempaan. Laminoinnilla ja pursotuksella saavutettavat resoluutiot ovat jo paljon näitä huonompia.
Työ on toteutettu kirjallisuuskatsauksena, jossa käsiteltävät lähteet ovat englanninkielisiä. Käsiteltävät kirjalähteet ovat mahdollisimman uusia ja vertaisarvioituja. Työssä käytetään lähteenä myös alan yritysten internetsivuja.
Tämän tutkielman tavoite on selvittää mitä menetelmiä käytetään mikrotason 3D-tulostamiseen, mitkä ovat näiden menetelmien erikoispiirteet ja käyttökohteet, sekä miten ne vertautuvat toisiinsa. Työ voidaan jakaa neljään osaan: Aluksi käydään läpi menetelmien toimintaperiaatteet ja seuraavaksi niiden käyttämät materiaalit ja käyttökohteet. Sitten käsitellään menetelmiin liittyviä ongelmia ja vahvuuksia. Lopuksi käsitellään ja vertaillaan näitä menetelmiä hyödyntäviä kaupallisia laitteistoja lyhyesti. Viimeisenä on yhteenvetokappale, jossa kiteytetään yhteen tutkielmassa käsitellyt asiat.
Tutkielmassa huomataan, että yleisesti on käytössä seitsemän tulostusmenetelmää, joista viisi voidaan jakaa vielä kahteen tai useampaan alamenetelmään. Nämä menetelmät ovat: mustesuihkutus, sideaineen suihkutus, mikrostereolitografia, kaksifotonipolymerisaatio, jauhepetimenetelmät sekä laminointi ja pursotus. Kaksi ensimmäistä ovat suihkutusmenetelmiä ja kaksi seuraavaa valokovetusmenetelmiä. Vaikkei laminointia tai pursotusta enää juuri käytetä mikrotasolla, on ne esitelty tässä tutkielmassa lyhyesti. Esiteltäviä menetelmiä voidaan käyttää lähes kaikkeen mikrotason valmistukseen, mutta erityisesti tässä tutkielmassa käyttökohteina korostuvat sähköteollisuus sekä bio- ja hammaslääketieteet.
Eri menetelmien resoluutioita vertailtaessa havaitaan, että kaksifotonipolymerisaatio on ylivoimaisesti paras mikrotason tulostamiseen. Menetelmällä voidaan saavuttaa jopa 0,1 µm:n resoluutio, mikä on kymmenen kertaa parempi kuin seuraavaksi parhaalla menetelmällä, mikrostereolitografialla. Suihkutusmenetelmillä päästään noin 20 µm:n resoluutioon, jauhepetimenetelmillä hieman tätä parempaan. Laminoinnilla ja pursotuksella saavutettavat resoluutiot ovat jo paljon näitä huonompia.
Työ on toteutettu kirjallisuuskatsauksena, jossa käsiteltävät lähteet ovat englanninkielisiä. Käsiteltävät kirjalähteet ovat mahdollisimman uusia ja vertaisarvioituja. Työssä käytetään lähteenä myös alan yritysten internetsivuja.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8354]