Tutkimuksessa hypättiin metallien 3D-tulostuksessa käytettävän laserin matkaan ja keskityttiin jauhepetimenetelmän prosessimalliin, jossa valmistus etenee jatkuvana rainana (uutta materiaalia tulee sisään tarkasteltavan alueen toisesta päästä ja vanhaa poistuu toisesta). Tulostusprosessissa laserilla kuumennetaan päällimmäistä kerrosta pulverista nesteeksi, jonka jälkeen alue jäähtyy takaisin kiinteäksi. Yksi kerros on paksuudeltaan 20–40 mikrometriä. Kun kerros on valmis, ylimääräinen pulveri pyyhkäistään pois.
Mutta mitä tapahtuu laserin ympärillä tulostusprosessin aikana? Tutkimuksessa tarkasteltiin erityisesti kiinteytynyttä aluetta, eli miten kappale vääntyy lämmön vaikutuksesta (termoelastinen deformaatio). Tulostettava kappale kutistuu jäähtyessä aina jonkin verran, mutta miten voidaan ennustaa jäähtyneen tuotoksen muoto? Metallin 3D-tulostuksesta tällainen näkökulma on harvinainen ja puuttunut aiemmin.
”Kun hypätään laserin mukaan, voidaan nähdä jotain, mitä ei muun prosessin näkökulmasta pystytä näkemään. Prosesseilla on usein olemassa vakaa tila. Esimerkiksi tasaisella nopeudella viivaa tulostettaessa, kappale jäähtyy laserin jäljessä tulostusprosessin edetessä. Jäähtymisprofiili laserin kunkin hetkisen paikan suhteen pysyy tässä tilanteessa koko ajan samanlaisena. Tutkimuksemme kaksiulotteisessa mallissa on lisäksi huomioitu syvyyssuunta, eli jo tulostetut kerrokset. Ajatus on katsoa kiinteitä aineita samasta näkökulmasta kuin yleensä katsotaan nesteitä”, tutkimusta avaa tutkija Juha Jeronen Jyväskylän ammattikorkeakoulun uudistuvan teollisuuden instituutista.
Tutkimuksesta syntyi kirja, jolla on käytännön merkitystä erityisesti muille tutkijoille heidän omissa mallinnustutkimuksissaan sekä insinööreille käytännön tasolla; tutkimus selventää mitkä ovat niitä asioita, jotka ovat prosessissa oleellisia materiaalin käyttäytymisen kannalta.
"Lisäävästä valmistuksesta ja sen kokeellisesta tutkimuksesta on tietoa saatavilla ja siitä on kirjoitettu paljon, mutta sen teoreettisesta, kytketystä mekaniikka-lämpö-yhteydestä tässä muodossa tietoa on hyvin rajoitetusti löydettävissä. Kirja onkin eräs ensimmäisiä lisäävän valmistuksen matemaattiseen mallintamiseen liittyviä teoksia”, toteaa johtava tutkija Matti Kurki Jyväskylän ammattikorkeakoulusta.
"Kirjassa tuodaan esille uusia, matemaattisia tutkimusmetodologioita sekä esitellään uusi materiaalin mekaaniseen käyttäytymiseen liittyvä mallinnusmenetelmä. Vastaavia teoksia ei Suomessa tällä tietoa ole tehty ja se nostaa oleellisella tavalla Jyväskylän ammattikorkeakoulun profiilia erityisesti lisäävään valmistukseen liittyvän mallinnuksen osaajana."
Tutkimuksesta saatiin useita tuloksia. Esimerkiksi, 3D-tulostusprosessissa esiintyy lukuisia parametreja. Yksiulotteisesta mallista selvisi, mitkä parametrien dimensiottomat yhdistelmät vaikuttavat prosessin käyttäytymiseen. Tällaiset dimensiottomat suureet ovat usein hyödyllisiä insinööritieteissä. Eräs tunnettu esimerkki löytyy aerodynamiikasta, missä saman Reynoldsin luvun omaavat virtaukset käyttäytyvät keskenään samalla tavalla. Tämä aikanaan mahdollisti pienoismallikokeet tuulitunnelissa. Vastaavasti, tässä tutkimuksessa selvisi, että esimerkiksi eräs yhdistelmä laserin kulkunopeudesta sekä tulostettavan metallin materiaaliominaisuuksista on yksi tekijä, jolla tulostusprosessia voidaan karakterisoida.
Toinen tulos laajentaa lineaarista reologiaa. Reologia on materiaalitutkimuksen haara, joka tutkii materiaalien virtausta. Klassisessa lineaarisessa reologiassa on kaksi erilaista komponenttia, jousi ja iskunvaimennin, joista materiaalimalleja kootaan. Tässä tutkimuksessa kävi ilmi, että teoriasta on puuttunut kolmas komponenttityyppi, joka kuvaa materiaalin sisäistä inertiaa, eli sen massan taipumusta vastustaa liiketilan muutosta. Tällä on merkitystä sovelluskohteissa, joissa kuormitus muuttuu hyvin nopeasti, esimerkiksi ultraäänellä suoritettavassa teräksen väsymistestauksessa.
Kolmantena päätuloksena, kaksiulotteisesta mallista saatiin ennuste tyypilliselle termoelastisen deformaation muodolle tasaista viivaa tulostettaessa (ks. kuva 1). Tämä muoto vaikuttaa siihen, miten laser kannattaa kohdistaa seuraavassa kerroksessa mahdollisimman tarkan tulostusjäljen aikaansaamiseksi, koska edellinen kerros on jäähtyessään ehtinyt hieman kutistua.
Pitkäaikainen yhteistyö tuottaa tulosta
Jamkin uudistuvan teollisuuden tutkimustiimillä on pitkä yhteinen historia. Kolmen henkilön tiimillä on laskennallinen tausta, ja yhteistyö on alkanut jo vuosia sitten yliopistolta. Tuolloin tutkimuksen keskiössä olivat mm. paperiteollisuuden prosessit paperikoneiden ajettavuuteen ja paperin kuivatukseen liittyen. Samoja työkaluja päästiin hyödyntämään äskettäin julkaistussa kirjassa niin laskennallisten tieteiden kuin insinööritieteiden näkökulmista. Seuraavaksi tiimillä on suunnitteilla tekoälyn kytkeminen mukaan tutkimukseen.
"Laskennan tehostaminen tekoälyn avulla on tutkimusalan kuumimpia tutkimusaiheita tällä hetkellä", kertoo vanhempi tutkija Tero Tuovinen Jamkista.
"Hyödyntämällä mitattua dataa, kaikkea ei tarvitse laskea yhtä tarkasti koska karkeammat matemaattiset mallit pystyvät silti kuvaamaan ilmiötä luotettavalla tarkkuudella", hän jatkaa.
Fundamental Mathematical Modeling of Additive Manufacturing -kirja käsittelee 3D-tulostusprosessin termomekaanista käyttäytymistä laserperustaisessa jauhepetimenetelmässä (L-PBF). Kirja lähtee liikkeelle aiheen matemaattisessa mallintamisessa tarvittavista peruskäsitteistä, sekä tarjoaa syvällistä analyysia mallintamisessa käytetyistä yhtälöistä. Kirjassa hyödynnetään aksiaalisesti liikkuvien materiaalien teoriaa, jota on aiemmin käytetty mm. prosessiteollisuuden (kuten paperiteollisuuden) tuotantoprosessien analysoinnissa. Tämä tarkoittaa sitä, että käytössä oleva koordinaatisto liikkuu tulostuslasersäteen mukana ja tarjoaa Euler-tyyppisen näkökulman liikkeessä olevaan kiinteään aineeseen vastaavalla tavalla kuin tarkasteltaessa nesteitä. Kirja on suunnattu jatko-opiskelijoille ja tutkijoille kehittämään innovatiivisia matemaattisia ja teknologisia edistysaskelia lisäävän valmistuksen alalle.
Tutkimusta rahoitettiin osin Euroopan unionin aluekehitysrahaston projektista iADDVA: Adding Value by Creative Industry Platform.
