3D-tulostus eli materiaalia lisäävä valmistus (additive manufacturing) on vallankumouksellinen, käänteentekevä lähestymistapa perinteiseen teollisuustuotantoon. Sitä pidetään usein tekniikkana, jolla tehdään monimutkaisia tai pienempiä tuotteita, kuten prototyyppejä, konsepteja ja räätälöityjä yksittäiskappaleita. Kompleksisuuden kasvaessa nämä uudet menetelmät tulevat kustannuksiltaan edullisemmiksi verrattuna perinteiseen työstöön. Siksi 3D-tulostusta käytetään jo runsaasti tuotannossa useilla teollisuudenaloilla, esimerkkeinä ilmailu, autoteollisuus, terveydenhuolto ja energia. Kysynnän ennustetaan kasvavan entisestään, kun ohjelmisto, laskentateho, materiaalit ja menetelmät kehittyvät ajan myötä. Insinöörit suunnittelevat nykyään entistä enemmän tuotteita, jotka on tarkoitettu valmistettavaksi 3D-tulostuksella, mukaan lukien sellaiset tuotteet, joiden muoto olisi liian monimutkainen perinteisille valmistusmenetelmille. Ajan myötä lisäävä valmistus voi tarjota ratkaisun siihen, mikä tällä hetkellä näyttää ristiriitaiselta: yksilölliset tuotteet massatuotannon hinnalla

Laser lämmönlähteenä

Erilaisia 3D-tekniikoita yhdistää materiaalikerrosten lisäämisen käsite lopullisen kohteen luomiseksi, toisin kuin perinteiset valmistusprosessit, jotka poistavat materiaalia. Yksi kaupallisen menestyksen saavuttanut tekniikka on ”Powder bed fusion” eli jauhepetisulatus (PBF). Tämä termi viittaa lisäävän valmistuksen prosessiin, jossa kerros kerrokselta muodostetaan kappale sulattamalla ja fuusioimalla jauhemateriaalia esim laserin tai elektronisuihkun avulla. 

Jauhepetisulatuksen hyötyjä ovat yhteensopivuus monien eri materiaalien kanssa, mukaan lukien metallit ja polymeerit, hyvä tarkkuus sekä vähäiset tai ei lainkaan tukea vaativat rakenteet uusia osia luodessa. Tekniikka on ihanteellinen metallisten hunajakennojen valmistukseen, joiden ominaisuuksia, kuten suurta lujuutta pienemmällä painolla, hyödynnetään laajalti ilmailusovelluksissa. Jauhepetisulatusmenetelmän yleistyessä sen merkitys tuotannossa kasvaa entisestään.

 Jauhepetisulatuksen haasteet

Jokaisella materiaalia lisäävällä tekniikalla on omat hyötynsä, mutta myös haasteensa, kuten tarkkuus ja toistettavuus. Menetelmä mahdollistaa jo korkean resoluution, mutta pyrkimys luoda osia vielä tiukemmalla tarkkuudella ja hienommilla yksityiskohdilla jatkuu, usein tarvitaan alle millimetrin ja jopa mikronitason tarkkuutta. Nämä tarkkuusvaatimukset koskevat paitsi valmistettavaa osaa, myös seuraavia valmistettavia osia, ja ulottuvat myös kaikkiin tuotantolaitteisiin koko tuotantojärjestelmässä.

Vaikka laserjärjestelmät toimivatkin kontaktittomasti, laserjärjestelmien toiminta kuitenkin heikkenee ajan myötä. Heikkenemisen syitä voivat olla muun muassa laserin energiasta aiheutuvat lämpövaikutukset, käsittelypaikalla olevat roskat, värinä ja iskut. Nämä ongelmat voivat johtaa laserin tehotason laskuun työstötasolla, mikä voi johtaa huonoon sintraukseen tai jauheen sulamiseen. 

Yhtä tärkeää kuin laserin tehotaso on sen fokusointilaadun muutokset ajan kuluessa. Fokuspisteen sijainti voi siirtyä useita millimetrejä, kun laserjärjestelmän optinen rata lämpenee. Tämä voi vaikuttaa suoraan laserin sintrauksen laatuun, koska jos laserin teho on liian alhainen tai sitä ei käytetä tarpeeksi kauan, metallijauhe ei sula kunnolla aiheuttaen metallin huokoisuutta ja heikkoutta. Toisaalta, jos lasertehoa käytetään liikaa tai sitä käytetään tarpeettoman kauan, laser poraa sulatettuun jauheeseen, mikä vähentää rakenteen tiheyttä. Lisäksi, jos laserin fokuspisteen sijainti on tarkoitetun tason ulkopuolella, tai jos tehon jakautuminen ei ole optimoitu, epäasianmukainen metallijauheen sulaminen voi aiheuttaa rakenteellisesti heikentyneitä osia. Huono tarkennuslaatu johtaa lopulta korkeampiin kustannuksiin. Siksi sädeprofiilin analysoijaa, kuten Ophir® BeamWatch® AM, tulisi käyttää varmistamaan laserin optimaalinen toiminta joka kerta, kun se aktivoidaan. Näin vältytään epätarkkuuksilta.

MKS:n vahvuudet jauhepetisulatuksessa

MKS ymmärtää PBF-järjestelmien suunnittelun ja rakentamisen haasteet. Tieto on muutettu ainutlaatuisiksi tuoteominaisuuksiksi, jotka tuovat etuja jauhepetisulatukseen. Joitain näistä ominaisuuksista kuvataan tässä.

Suuritehoisten lasereiden tehomittarit 

Jauhepetisulatuksessa laserin tehon mittaamiseksi työstötasolla tarvitaan anturi, joka on yhteensopiva laserin aallonpituuden kanssa (yleensä IR) ja pystyy käsittelemään laserin tehoa, joka voi olla kilowattiluokassa. Lisäksi prosessin häiriöttömän toiminnan takia anturin tulisi olla sijoitettu siten, ettei se lisää tarpeettomasti fyysistä tilaa, sen tulokset on saatava nopeasti, ja joissakin tapauksissa anturi ei saa olla vesijäähdytetty. Ophir Ariel™ on ihanteellinen anturi, joka on suunniteltu teollisuussovelluksiin, kuten PBF:ään.

Ophir Ariel mittaa suuritehoisia teollisuuslasereita

Ariel™ All-In-One -teholaseranturi mittaa suuritehoisia teollisuuslasereita suljetuissa ja ahtaissa tiloissa

 Suuritehoisten lasereiden sädeprofiilin mittaus 

Sädeprofiilin mittauslaitteen valinta tarkkailemaan fokusoinnin laatua voi olla varsin vaikeaa PBF:ssä johtuen käytettävien IR-lasereiden korkeasta tehosta ja tehotiheydestä, joita tyypilliset sädeprofiilin analysoijat eivät aina pysty käsittelemään. Ratkaisuna erityisesti PBF:lle MKS loi Ophir BeamWatch AM:n, korkeatehoisen sädeprofiilin analysoijan, jossa on patentoitu kosketukseton mittaustekniikka, joka perustuu Rayleigh’n sirontaan. Kosketukseton sädeprofiilin analysointi tarjoaa useita ratkaisevia etuja: mittausmenetelmällä itsessään ei ole tehon rajoitusta, jokainen fokusmuutos rekisteröidään ja näytetään välittömästi, eikä aktiivista jäähdytystä tarvita. BeamWatch AM pystyy mittaamaan useita kriittisiä säteen parametreja, mukaan lukien fokuspisteen leveys ja sijainti, tarkennuksen muutokset, M2-arvo, säteen hajaantuminen ja absoluuttinen teho.

Kameraan perustuva järjestelmä voi myös analysoida sädeprofiilia, ja lisäksi se voi mitata säteen poikkipintaista intensiteettiprofiilia. Kuitenkaan kaikkiin kamerapohjaisiin sädeprofiilin analysoijiin ei välttämättä pystytä sovittamaan PBF-lasereiden korkeita lähtötehoja. Tämän haasteen ratkaisemiseksi MKS kehitti Ophir BeamPeekin, joka yhdistää laserin sädeprofiilin analysoijakameran, tehomittarin, säteen vaimennuksen, säteen jakajat ja optiikan yhdeksi laitteeksi. 

Kysy lisätietoja, sales@cheos.fi