3D-tulostettujen kappaleiden sisäisten rakenteiden lujuus ja kestävyys

Abstract

Tässä tutkimuksessa syvennytään erääseen ainetta lisäävän valmistuksen osa-alueeseen, 3D-tulostukseen, ja sen erilaisiin ominaisuuksiin ja mahdollisuuksiin valmistavassa teollisuudessa. Tutkimus antaa katsauksen tämänhetkisiin puutteisiin tutkimusten määrässä ja standardoinnissa kyseisellä tutkimusalueella. Tutkimuksen tavoitteena on vertailla ja selvittää erilaisten 3D-tulostettujen kappaleiden sisäisten rakenteiden kestävyyttä ja näin selvittää ainetta lisäävän valmistuksen mahdollisuudet korvata tavanomaisia valmistusmenetelmiä. Tässä tutkimuksessa keskitytään aiheeseen polymeerien kannalta käyttäen perinteisenä valmistusmenetelmänä muovin ruiskuvalua ja ainetta lisäävän valmistuksen menetelminä FDM- ja FFF-menetelmiä. Tutkimus suoritettiin kirjallisuuskatsauksena 3D-tulostamiseen näiden kahden menetelmän kautta ja arvioitiin näin tulostettujen kappaleiden vetolujuutta ASTM-D638 standardin mukaan suoritetulla vetokokeella. Tutkielma käsittelee ensin lyhyesti 3D-tulostusta yleisellä tasolla sekä tulostettujen kappaleiden sisäisten rakenteiden eri vaihtoehtoja. Lisäksi tutkielmassa sivutaan lyhyesti mahdollisia tulostusparametreja ja -ohjelmistoja liittyen polymeerien 3D-tulostamiseen. Sisäisten rakenteiden eroja käsitellään kolmesta lähteestä yhteen kerättyjen vetokoe- ja iskukoetulosten kautta niitä vertailemalla. Materiaalin kulutusta arvioidaan lyhyesti ja esitellään vertailukelpoiset tulokset ruiskuvalu menetelmällä toteutetusta vetokokeesta. Tulokseksi tämän tutkimuksen perusteella saatiin yksiaksiaaliselle kuormitukselle parhaan sisäisen rakenteen olevan, tulostusparametreista riippuen, rectilinear- tai hunajakennorakenne. Nämä kaksi omasivat vertailtujen vaihtoehtojen kesken selkeästi korkeimmat vetolujuudet. Taipuvuuden kannalta rakennevaihtoehdot pysyivät täysin samoina, mutta tulosten perusteella rectilinear-rakenteella oli selkeällä marginaalilla suurin taipuvuus. Tuloksissa on kuitenkin tärkeää huomioida, etteivät lähteiden tutkimukset kattaneet kaikkia vaihtoehtoja sisäisille rakenteille, sekä tutkimustulosten vertailussa esiintyy virhettä johtuen standardoinnin hitaasta kehittymisestä 3D-tulostukseen liittyvien tutkimusten keskuudessa. Näiden pohjalta voidaan tutkimuksessa päätellä ainetta lisäävän valmistuksen esittävän mahdollisen korvaavan vaihtoehdon perinteisille valmistusmenetelmille etenkin tilanteissa, joissa vaadittava turvallisuuteen liittyvä kuormankantokyky ei ole suuri, mikä johtaisi korkeisiin kestävyys vaatimuksiin. Selkeäksi ongelmaksi esittäytyy myös tutkimuskohteesta tehdyn standardoidun ja vertaisarvioidun tutkimusmateriaalin puute, joka osaltaan aiheuttaa epävarmuutta ja virhettä myös tämän tutkielman päätelmiin.