3D-tulostuksen suunnittelu tuotannon optimointiin

Asiakas pyysi Etteplania suunnittelemaan uudelleen robottihiomakoneensa 2–1-pölynpoistokanavan siten, että sen valmistukseen voisi käyttää 3D-tulostusmenetelmää. Tavanomaisin menetelmin valmistettuna komponentti oli kallis eikä miellyttänyt silmää, ja lisäksi sen logistiikkaketju oli pitkä ja komponentin suuri koko aiheutti ongelmia kokoonpanolinjalla. Asiakas toivoi jauhepetitulostukseen (LPBF) alumiinilla tai muulla metallilla optimoitua ratkaisua, joka olisi alkuperäiskomponenttia huomattavasti kevyempi ja edullisempi valmistaa ja jonka ilmavirtausominaisuudet olisivat paremmat.

Etteplanilla 3D-tulostettavien tuotteiden suunnittelusta vastaavat huolella valitut monialaiset tiimit, jotka hyödyntävät simulaatiolähtöistä suunnittelumallia. Valitsemme jokaiseen projektiin sopivimmat asiantuntijat, minkä ansiosta pystymme ratkaisemaan haastavimmatkin suunnittelu- ja valmistusongelmat. Monipuolinen kokemuksemme on hionut prosesseistamme tehokkaita ja saamme asiakkaillemme nopeita tuloksia.

Etteplan aloitti perustamalla tiimin, johon kuului AM-tuotannon ja -suunnittelun ja tulostusprosessin simuloinnin asiantuntijoita. Koko suunnitteluprosessin ajan hyödynnettiin sekä Etteplanin omaa tuotantokustannusten arviointityökalua 3D-tulostusmenetelmälle että 3D-tulostusprosessin simulointiohjelmaa.

Pölynpoistokanavan ensimmäisen 3D-tulostettavan-suunnitelman iteraatiossa tasoitettiin ilmakanavien sisäpinnat ja poistetiin ylimääräistä materiaalia. Tässä vaiheessa käytettiin tulostusprosessisimulointiohjelmaa tulostusorientaation optimointiin. Ohjelmalla voitiin analysoida kappaleen asennon vaikutus tulostusaikaan, tukimateriaalin määrään, vaadittavaan jälkityöstöön sekä ennakoituihin muodonmuutoksiin.

Kahden eri tulostusorientaation havaittiin tuottavan halutut tulokset tukimateriaalin määrän, jälkityöstön ja muodonmuutosten suhteen. Näiden orientaatioiden komponenttikohtaiset tulostusajat olivat pisimmät, mutta ne veivät vähiten tilaa tulostusalustalla – jolloin koko sarjan tulostaminen täysillä tulostusalustoilla vei kokonaisuutena vähemmän aikaa kuin muilla orientaatioilla.

Suunnitelmaa muokattiin vielä hieman tehostamaan tulostusta halutuissa suunnissa ja eliminoimaan tukirakenteet alueilta, jotka jäävät kokoonpanon jälkeen loppukäyttäjän nähtäville. Pölynpoistokanavan tulostusprosessin simuloinnilla määritettiin tukirakenteiden paikat ja varmistettiin, etteivät tulostussuuntaiset muodonmuutokset aiheuttaisi tulostuksen aikaisia törmäyksiä jauheenlevittimen kanssa. Samalla varmistettiin, että komponentin lopulliset muodonmuutokset pysyvät hyväksyttävällä tasolla. 

Eri ratkaisujen kustannuksia verrattiin tässä vaiheessa perinteiseen valmistusmenetelmään Etteplanin 3D-tulostuksen-kustannusarviointityökalulla. Kävi ilmi, että tarvittavaan materiaalimäärään ja tulostusaikaan nähden yksittäisen osan 3D-tulostaminen oli liian kallista, mutta 11 osan tulostamisessa kerralla kulki raja, jossa perinteinen valmistusmenetelmä ja AM olivat kustannuksiltaan samaa tasoa.

Ratkaisua muokattiin siten, että samalle alustalle tulostettavien osien määrä maksimoitiin tulostamalla neljä osaa päällekkäin tulostussuunnassa. Näin pystyttiin tulostamaan 120 osaa kerralla. Prosessisimuloinnilla arvioitiin jälleen vaadittavat tukirakenteet sekä koko neljän päällekkäisen komponentin tulostusprosessi.

Kun pölynpoistokanavan rakennetta muokattiin siten, että osia voitiin tulostaa päällekkäin ja kerralla tulostettavien osien määrä saatiin maksimoitua, yksittäisen osan valmistuskustannuksia saatiin pienennettyä 40 % perinteisesti valmistettuun komponenttiin verrattuna. Ketterämpi toimitusketju ja mahdollisuus valmistaa osat paikallisesti tarpeen mukaan eri mittaisina sarjoina toivat vielä lisäsäästöjä. 

Uuden pölynpoistokanavan hyödyt eivät suinkaan jääneet alhaisempiin kustannuksiin: 

Koska pölynpoistokanavat eivät joudu kantamaan merkittäviä kuormia, lopputuotteeseen käytettävältä materiaalilta ei edellytetä suurinta tiheyttä ja parhaita mekaanisia ominaisuuksia. Siksi kyseessä olikin erinomainen esimerkki tapauksesta, jossa kannatti harkita ”riittävän hyvien” AM-prosessiparametrien valitsemista. Kun komponentin tietyillä alueilla sallittiin hieman enemmän huokoisuutta, tulostusajat (ja sitä kautta kustannukset) pienenivät tuntuvasti. Neljän pölynpoistokanavan pinon suunnittelussa Etteplan teki yhteistyötä SLM Solutionsin kanssa. Tulostuksen nopeuttamiseksi prosessiparametrit optimoitiin piiloon jäävillä alueilla (kierteellinen sisääntulo/ulostulo), mutta muilla alueilla käytettiin normaaleja korkealaatuisia parametrejä. Lisäksi tuet optimoitiin siten, että materiaalin käyttö voitiin minimoida ja jauheen poistaminen on helpompaa. Näiden toimenpiteiden myötä kerralla tulostettavien osien tulostusaika lyheni 25 %. 

Etteplanin suunnittelema lopullinen pölynpoistokanava robottihiomalaitteeseen täytti kaikki asiakkaan AM-suunnittelulle antamat tavoitteet – ja enemmän. Menestyksen avain oli läheinen yhteistyö ja tehokas viestintä asiakkaan, Etteplanin, SLM Solutionsin ja osat valmistaneen 3DStepin kesken.

Kaiken takana oli myös koko projektitiimin yhdistetty osaaminen. Tiimi pystyi valjastamaan 3D-tulostusmenetelmän tarjoamat suunnitteluvapaudet ja ymmärsi syvällisesti valmistusprosessin, mikä mahdollisti laadukkaan tuotteen valmistamisen alhaisilla kustannuksilla. Etteplanin työkalut 3D-tulostusprosessin kustannusten arviointiin ja prosessin simulointiin tekivät päätöksenteosta suunnitteluprosessin aikana merkittävästi helpompaa. Tiivis yhteistyö SLM Solutionsin kanssa prosessiparametrien optimoimiseksi mahdollisti osaltaan lisäsäästöt.