Metallitulosteiden jälkikäsittely

Kun metallia 3D-tulostetaan SLM-tekniikalla, kuuluu prosessiin aina myös jälkikäsittely. Tämä tarkoittaa esimerkiksi tukien poistamista ja tulostetun tuotteen pinnan ja ominaisuuksien viimeistelyä. Jälkikäsittely on tärkeä osa metallitulosteiden tuotannossa ja sen viemä aika ja vaiva kannattaa ottaa huomioon jo tulosteiden suunnitteluvaiheessa.

Tässä tekstissä käymme läpi, mitkä ovat metallitulosteiden jälkikäsittelyn vaiheet ja mikä niiden merkitys on. Syvennymme myös siihen, miten hyvällä suunnittelulla voidaan säästää aikaa, vaivaa ja jopa rahaa juuri jälkikäsittelyn osalta.

Metallitulosteiden jälkikäsittelyn vaiheet

1. Lämpökäsittely

Ensimmäinen jälkikäsittelyn vaihe on lämpökäsittely. Tärkeä lämpökäsittelyn osa on varmistaa, että tulosteesta poistetaan sisäiset jännitykset ja saavutetaan halutut metallurgiset ominaisuudet.

Lämpöpäästö tehdään käyttämällä tulosteet erittäin kuumassa uunissa. Kukin materiaali vaatii tietyn lämpötilan ja jotkut vaativat ympärilleen myös suojakaasun. Esimerkiksi kobolttikromi, josta valmistetaan muun muassa hammasrankoja, käsitellään 1150 asteisessa uunissa, suojakaasuna toimii argon. 

Lämpökäsittelyllä voidaan lisäksi muokata kappaleen ominaisuuksia: esimerkiksi kovuutta, jäykkyyttä ja joustavuutta. Esimerkiksi ruostumatonta terästä yleensä halutaan muokata karkaisemalla kovemmaksi, alumiini taas on ilman lämpökäsittelyä erittäin haurasta, minkä vuoksi sen ominaisuuksia parannetaan lämpökäsittelemällä.

2. Tukien poisto

Kun lämpökäsittely on tehty, on aika poistaa tulosteista tuet. Metallin tulostuksessa tarvitaan yleensä aina jonkin verran tukirakenteita, jotka poistetaan tulosteen ollessa valmis.

Se, kuinka paljon tukia tarvitaan, riippuu tulostettavan kappaleen muodosta ja materiaalista, sekä siitä, missä asennossa se tulostetaan. Mitä vähemmän tukia tarvitaan, sitä nopeampi tämä työvaihe on.

3. Hionta

Ne kohdat, joista kappaleesta on poistettu tukiosia, jäävät aina hiukan muuta kappaletta karkeammiksi. Nämä epätasaisuudet hiotaan vielä pois tukien poiston jälkeen.

Tasaisia pintoja voidaan hioa koneellisesti, mutta monimutkaisemmat osat hiotaan käsin.

Jos tukia on ollut kohdissa, joissa on paljon pieniä yksityiskohtia, ei pintaa välttämättä saada hiottua yhtä sileäksi, kuin pinta, jossa tukia ei ole ollut kiinni. Tästä syystä on tärkeää suunnitella tuloste niin, että esimerkiksi loppukäytössä esiin jäävät pinnat tai kohdat, joiden tulee käyttökohteessa olla täysin sileät, on tulostusvaiheessa kappaleen yläosassa, jotta tuet sijoittuvat kappaleen muihin osiin.

4. Kuulapuhallus

Hionnan jälkeen kappale kuulapuhalletaan kuulauskaapissa. Tämä tarkoittaa sitä, että kappaleita ammutaan pienillä kuulilla, jotka ”tamppaavat” sen yhtenäisen mattapintaiseksi. Kuulat voivat olla esimerkiksi lasikuulia, mutta muitakin materiaaleja käytetään.

Näiden jälkikäsittelyvaiheiden jälkeen tuote on valmis ja lähetetään asiakkaalle.

Lämpökäsittelyillä tulosteet saavuttavat halutut ja vaaditut ominaisuudet

Lämpökäsittelyllä sekä poistetaan kappaleesta jännitteitä, mutta myös saavutetaan kullekin metallille tärkeät ominaisuudet, joita siltä vaaditaan sen tyypillisissä käyttötarkoituksissa. Esimerkiksi alumiini ilman lämpökäsittelyä ei sovellu kaikkiin niihin tarkoituksiin, joihin sitä yleensä käytetään. Hauras alumiini saadaan lämpökäsittelyllä joustavammaksi, jolloin se kestää paremmin rasitusta. Metallin mkrorakenne suoraan tulostuksesta on tiheä ja tämä lisää kovuutta ja kasvattaa jäykkyyttä.

Ruostumaton teräs PH15-5 useimmiten karkaistaan. Karkaisu on jälkikäsittelyn menetelmä, jossa kappaleet käytetään korkeassa lämpötilassa metallin kovuuden kasvattamiseksi. Näin kappaleet soveltuvat sellaisiin käyttötarkoituksiin, joissa vaaditaan lujempaa materiaalia.

Kobolttikromista valmistettavat dentaalituotteet taas on lämpökäsiteltävä, jotta ne saavuttavat ominaisuudet, joita dentaalituotteilta vaaditaan. Esimerkiksi hammasrangoilta ja kasvokirurgiassa käytetyiltä poraohjaimilta vaaditaan tiettyä lujuutta ja vahvuutta, jotta ne ovat turvallisia käytössä. Samalla kappaleesta poistuu tulostuksen aikana muodostuneet jännitteet.

Lämpökäsittely on tärkeä työvaihe, sillä vasta sen jälkeen usea metalli saavuttaa valmistajansa ilmoittamat ominaisuudet.

Huolellisella suunnittelulla nopeampaa jälkikäsittelyä

Perusteellisella ja huolellisella suunnittelulla jälkikäsittelyyn kuluvaa aikaa voidaan lyhentää. Tämä on aina asiakkaan etu: mitä lyhyempi aika jälkikäsittelyyn kuluu, sitä nopeammin tuote on valmis.

Yksinkertaisuudessaan suunnittelussa on kolme eri tekijää, jotka nopeuttavat ja tehostavat tulostusprosessia. Ensimmäinen on se, kuinka monta tuotetta saadaan tulostettua kerralla: jos tilaat 50 kappaletta tuotetta, on kaikista tehokkainta tulostaa ne kerralla verrattuna siihen, että tulostus joudutaan tekemään kahdesti tai kolmesti.

Toinen tekijä taas on tuotteen koko: suunnitelmassa kannattaa yrittää minimoida turha materiaali. Tulostusmateriaali on jo itsessään arvokasta, mutta mitä isompi kappale, sitä enemmän aikaa myös tulostimella kuluu sen valmistamiseen.

Kolmas tulostuksen tehokkuuden vaikuttava asia on se, kuinka paljon jälkikäsittelyssä poistettavia tukia tulostukseen tarvitaan. Mitä vähemmän tukia, sen nopeammin jälkikäsittely käy ja sitä vikkelämmin tulosteet ovat valmiit.

Tulostettava kappale kannattaa suunnitella alusta lähtien mahdollisimman “itseään tukevaksi”. Näin säästetään tulostusmateriaalia sekä valmistusaikaa, kun tulosteita saadaan mahtumaan yhdelle tulostuskerralle enemmän ja tukia tarvitaan vähemmän.

Metallitulosteiden suunnitteluohjeesta löytyy ohjeistukset siihen, minkälainen tuote tarvitsee mahdollisimman vähän tukia tulostettaessa.