Valmistusajan lyhentäminen 3D-tulostuksen pursotusmenetelmissä

Abstract

Valmistusajat ovat 3D-tulostamalla valmistettaessa hitaampia kuin perinteisillä menetelmillä valmistettaessa, mikä on yksi ainetta lisäävien menetelmien laajemman käyttöönoton esteistä. Toisaalta 3D-tulostimilla saadaan muodostettua rakenteita, joita perinteisillä menetelmillä ei pystytä tuottamaan. Kuitenkin pursottavilla 3D-tulostimilla on omat rajoitteensa. Niihin kuuluu esimerkiksi tukirakenteiden tarve, pinnanlaadun porrasefekti ja rakenteen lujuuden riippuminen kappaleen orientaatiosta. Tämän vuoksi suunnittelijan kannattaa olla tietoinen rajoitteista ja siten suunnitella kappaleen valmistus niiden mukaisesti parantaakseen valmistuksen tuottavuutta, kappaleen ominaisuuksia ja valmistusaikaa.

Tässä tutkielmassa pyritään selvittämään kirjallisuuskatsauksen menetelmin vastausta kysymykseen: Millaisia keinoja suunnittelijalla on lyhentää valmistusaikaa 3D-tulostamisen pursotusmenetelmillä valmistettaessa? Tutkielmassa käsitellään sekä kappaleen suunnittelua että 3D-tulostimelle viipalointiohjelmassa annettavia parametrejä. Lisäksi tutkielmassa tarkastellaan PrusaSlicer-viipalointiohjelmaa käyttäen parametrien vaikutusta esimerkkikappaleen tulostusaikaan ja verrataan tuloksia kirjallisuuteen. Valmistusajan optimointi on moniulotteinen ongelma ja suunnittelijan muutettavissa olevat asiat ovat tiiviisti yhteydessä toisiinsa. Muutettaessa jotakin parametria ajan kuluminen voi siirtyä toiseen operaatioon. Ongelmallisen tutkittavasta asiasta tekevät valmistuksen rajoittavat tekijät, jotka vaikuttavat valmistusajan optimointiin merkittävästi. Joissakin tapauksissa voi esimerkiksi olla eduksi nopeuttaa tulostamista ja siirtää työtä jälkikäsittelyyn ihmisen tehtäväksi.

Tutkimuksen perusteella 3D-tulostamisen valmistusaikaan on mahdollista vaikuttaa merkittävästi viipalointiohjelman parametreillä ja valmistettavan kappaleen suunnittelulla. Tämän tutkielman perusteella mahdollisia merkittäviä keinoja valmistusajan lyhentämiseksi ovat tulostettavan aineen määrän vähentäminen, kerroskorkeuden kasvattaminen ja jälkikäsittelyn välttäminen. Tulostettavan aineen määrän vähentämiseksi voidaan muuttaa täytön ja tukirakenteiden asetuksia sekä muuttaa orientaatiota siten, että tukirakenteita tarvitaan vähemmän. Valmistusajan pienentyessä voidaan joissakin tapauksissa säästää hukkamateriaalin määrässä ja siten valmistuskustannuksissa. Lisäksi kappaleen geometriaa muuttamalla esimerkiksi turhia reikiä poistamalla valmistusaikaa voidaan lyhentää.

Valmistusajan lyhentämisen mahdollisuus riippuu paljon valmistettavasta kappaleesta. Valmistusaikaa optimoitaessa on huomioitava kappaleen halutut ominaisuudet, sillä jos valmistettu kappale ei täytäkään sille asetettuja vaatimuksia, joudutaan sitä jälkikäsittelemään tai valmistamaan uudelleen toisilla parametreillä. Esimerkiksi kerroskorkeuden muuttamisella on vaikutusta valmistusajan lisäksi kappaleen pinnanlaatuun ja toleransseihin. Jos kerroskorkeuden muuttamisen jälkeen esimerkiksi toleranssit eivät olekaan riittävät, joudutaan kappaletta jälkikäsittelemään. Jälkikäsittely on yleensä aikaa vievä prosessi, jonka välttäminen yleensä säästää valmistusajassa merkittävästi.