Close

3D-tulostuksen suunnittelu tuotannon optimointiin

Etteplanissa ainetta lisäävän valmistuksen (additive manufacturing, AM, tai 3D-tulostus) osaaminen yhdistyy yhtiön suunnittelu-, simulointi- ja mekaniikkasuunnitteluosaamiseen. Tarjoamme asiakkaillemme kokonaisvaltaisia palveluita 3D-tulostuksen menetelmällä valmistettavien tuotteiden suunnitteluun.

 

3D- tulostettavaksi sopivan komponentin 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.

 

 

Simulaatiolähtöistä suunnittelua 

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.

Ettplan additive manufacturing design

Kuva: Pölynpoistokanavan 3D-tulostettavan osansuunnittelun kehitys; vasemmalla alkuperäinen perinteisesti valmistettu komponentti.

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.

 

industrial 3d printing

Kuva: Tulostusorientaation optimointi antoi tulokseksi kaksi muita edullisempaa suuntaa (yläkuva). Värikartta, jossa verrataan yli 200 tulostusorientaatiota. Vihreät alueet osoittavat lyhimmän tulostusajan, pienimmän tukimateriaalimäärän ja jälkityöstön tarpeen sekä pienimmät muodonmuutokset. Punaiset alueet edustavat vastakkaisia tuloksia (alakuva). Värikarttojen siniset ja oranssit laatikot vastaavat suunnilleen yläkuvan tulostusorientaatioiden sinistä ja oranssia laatikkoa.

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. 

Nestauksella kustannustehokasta 3D-tulostusta

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.

  

Etteplan 3d printing simulation

Kuva: Neljän pölypoistokanavan pino tukirakenteineen (vas.) sekä prosessisimuloinnin osoittamat muodonmuutokset. Vihreillä alueilla ei ole muodonmuutoksia, lisääntyneet muodonmuutokset näkyvät punaisena, keltaisena ja valkoisena (isoimmat muutokset).

 

Tulokset ylittivät asiakkaan odotukset

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: 

  • yli 50 % kevyempi
  • miellyttävämpi ulkonäkö, kun huolellisella suunnittelulla varmistettiin kokoonpanon jälkeen loppukäyttäjälle näkyviin jäävien pintojen paras mahdollinen laatu 
  • merkittävästi paremmat ilmavirtausominaisuudet
  • uusi putkiliitos (kierre) on kokoonpanon kannalta vanhaa ratkaisua helpompi
  • osanumerot integroituna pintaan

 

industrial 3d printing prototype

Kuva: Pölynpoistokanavien ensimmäiset prototyypit (tulostus: 3DStep)

 

Prosessiparametrien optimoinnilla lisäsäästöjä

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 %


Menestyksen avaimet

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.

 

Additive manufacturig parts

Kuva: Tulostimesta tulossa täyteen nestattu alusta, jolle on tulostettu 120 komponenttia. Etteplanin suunnittelupalvelulla saavutettiin yli 40 %:n säästöt valmistuskustannuksissa perinteiseen menetelmään verrattuna. (Tulostus ja kuva: 3DStep.)

Related content

Digiaikakauden dentaalirobottia luomassa

Rayo 3DToothfill haluaa parantaa miljardien ihmisten elämää kohtuuhintaisella, huippulaadukkaalla hammashoidolla. Heidän menetelmä tarjoaa parhaat tulokset kilpailukykyisillä kustannuksilla hammaslääkäreille ja potilaille. Jotta menetelmä on varmasti käyttökelpoinen kaikkialla maailmassa, sen tulee olla yksinkertainen ja helppokäyttöinen. Saumaton integroitavuus olemassa olevan laitteiston kanssa on myös tärkeää.

3D-tulostettava hydrauliikkalohko John Deere Forestrylle

John Deere Forestry Oy pyysi Etteplania suunnittelemaan uudelleen metsäkoneen hydrauliikkalohkon. Tarkoituksena oli hyödyntää ainetta lisäävän valmistuksen antamia geometrisia vapauksia. Tavoitteena oli vähentää painehäviöitä, helpottaa lohkon kokoonpanoa, keventää sitä sekä minimoida tuotantokustannuksia.  

Wärtsilälle puristintyökalun suunnittelu 3D-tulostusta varten

Wärtsilä halusi suunnitella uusiksi venttiilijousen puristintyökalunsa. Tavoitteena oli kevyempi rakenne 3D-tulostuksen avulla. Alun perin työkalu suunniteltiin valmistettavaksi koneistamalla ja hitsaamalla, mutta huolena oli, että se ei kestäisi yli 30 kN:n jousivoimaa. Niinpä Wärtsilä pyysi Etteplanin mukaan suunnittelemaan uusiksi manuaalisen puristimen, jota käytetään sylinterinkannen venttiilien asennuksessa. 

Ota yhteyttä
Tero Hämeenaho
Tero Hämeenaho
Department Manager, Additive Manufacturing and Optimization