Valmista H350 3D-tulostimella osia käytetystä SLS/MJF-jauheesta

14.11.2024

Stratasys käynnistää ReLife-ohjelman, joka on kehitetty lisäämään 3D-tulostuksen ekologisuutta käyttämällä jätejauhetta uudelleen. Tämä aloite tekee 3D-tulostamisesta edullisempaa ja ympäristöystävällisempää.

3D-tulostusta on kehuttu yli vuosikymmenen ajan ”vihreäksi” valmistustekniikaksi. Kun osan valmistuksessa käytetään kerroksittaista lähestymistapaa, voidaan säästää materiaaleja. Mahdollisuus luoda geometrisesti monimutkaisia ja kevyempiä komponentteja voi minimoida energiankulutuksen suuremmassa mittakaavassa. Pienten erien tai yksittäisten komponenttien valmistaminen poistaa materiaalihävikin. Osien tulostaminen siellä, missä niitä tarvitaan, vähentää kuljetuskustannuksia ja vähentää ympäristövaikutuksia. Tämän strategian tehokkuus vaihtelee, ja vaikutukset ovat merkittävistä jättimäisiin.

Ainetta lisäävän valmistuksen ekologista vaikutusta arvioitaessa usein unohdettu tekijä on kuitenkin itse prosessissa syntyvä materiaalihävikki, johon Stratasys (Nasdaq: SSYS) pyrkii vastaamaan SAF-alustallaan (Selective Absorption Fusion), Stratasys H350:llä.

3D-tulostusprosesseista jäljelle jääneen jauheen haasteet

3D-tulostustekniikoista erityisesti polymeerien jauhepetijärjestelmillä on taipumus tuottaa huomattavia määriä jätettä, koska uutta käyttämätöntä jauhetta on sekoitettava jokaiseen uuteen tuotantoerään. Sekoitusvaatimus (refresh rate), johtuu siitä, että sintraamatonta jauhetta, joka on jo käynyt läpi yhden tulostussyklin, voidaan käyttää uudelleen vain rajoitetun määrän kertoja. Tämän rajan jälkeen jauhemateriaalista ei ole enää hyötyä vaatimusten mukaisten osien tulostuksessa. Tulostuslaadun säilyttämiseksi osa käytetystä jauheesta on sekoitettava uuteen materiaaliin, usein jopa 50 prosenttia. Loput hävitetään, mikä lisää tulostusprosessin kustannuksia ja aiheuttaa suuria määriä ylijäämäjauhetta.

Tällä hetkellä tämä pois heitetty materiaali sisältyy jauhepetitulostuksen kokonaiskustannuksiin. Kun PA jauheen keskihinta on kuitenkin 54 €/kg, tekniikkaa käyttävien yritysten taloudellinen kokonaisrasite on suuri, sillä ostetun, mutta myöhemmin poisheitetyn jauheen osuus on hyvin merkittävä vuositasolla.

Vielä huolestuttavampia ovat ympäristövaikutukset. Yhden kilon PA jauheen tuotanto tuottaa noin 8 kg hiilidioksidipäästöjä. Additive Manufacturing Researchin mukaan nylonjauheen kokonaistoimitukset vuonna 2023 olivat 6,3 milj. kg, mikä vastaa 50 000 tonnia CO2e päästöjä - mikä vastaa 12 000 auton 10 000 km:n ajomäärää. Kun otetaan huomioon, että ainakin 25 prosenttia (varovaisesti arvioiden) tästä materiaalista menee hukkaan, paine vähentää sekä taloudellisia että ympäristökustannuksia on selvä.

Stratasys on tunnistanut tämän haasteen ja pyrkinyt löytämään innovatiivisen ratkaisun. Yritys on esitellyt SAF-alustansa avulla ratkaisun, joka voi kierrättää muutoin jätteeksi päätyvän jauheen. Tämän mahdollistaa koneen erityiset rakenneratkaisut sekä jauheen sintraukseen käytettävän infrapunavalon (IR) innovatiivinen ohjaus. Nämä innovaatiot eroavat selvästi muun muassa Multi Jet Fusion (MJF) -tulostusprosessista, ja ne ovat välttämättömiä, jotta käytetystä SLS/MJF-jauheesta voidaan tuottaa täysin laadukkaita osia.

Kuinka SAF muuttaa ylijäämäjauheen laadukkaiksi osiksi?

Jauheen molekyylirakenne muuttuu, kun jauhe käy läpi useita tulostussyklejä. Ketjujen venyminen, molekyylipainon kasvu, hapettumisen väheneminen ja muutokset hiukkasten morfologiassa vaikuttavat kaikki jauheen käyttäytymiseen. Erityisesti vanhentuneet jauheet kutistuvat enemmän ja niiden mekaaniset ominaisuudet heikkenevät tulostuksen jälkeen. Tämä voi aiheuttaa laatuongelmia erityisesti lasersintrauksen (SLS) tai Multi Jet Fusionin (MJF) kaltaisissa järjestelmissä. Niissä kerrosten lämpöaltistuksen välinen aika ei ole vakio koko tulostuspinnalla, jolloin aiheutuu ongelmia tulostetuissa osissa.

SAF voittaa nämä haasteet ratkaisevalla suunnitteluerolla: se käyttää yksisuuntaista tulostusvaunua, toisin kuin MJF, joka perustuu kahteen vaunuun, jotka liikkuvat 90 astetta toisiinsa nähden. Tämän seurauksena SAF-järjestelmä altistaa kaikki tulostuspinnan kohdat yhtä paljon jauheen lämmityksessä, jäähdytyksessä ja uudelleen kerrostamisessa. Tuloksena on johdonmukainen lämpöaltistus koko tulostusalueella, mikä johtaa tasaiseen ja hallittuun kutistumiseen koko tulostusalueella.

Koska SAF:ssä on parempi lämmönhallinta, siinä voidaan käyttää tehokkaasti uudelleen jo käytettyä PA jauhetta, jonka kilpailevat teknologiat pahimmillaan heittäisivät pois jätteenä.

H350:n ainutlaatuisen rakenteen ansiosta käyttäjä voi myös pakata koneen tulostuskammion huomattavasti tiheämmin kuin muut jauhepohjaiset tulostusmenetelmät. H350:n pakkaustiheys on tyypillisesti 20-25 % ja jopa 45 % täydellä tulostuslaadulla verrattuna SLS:n ja MJF:n tavanomaiseen 8-12 %:n pakkaustiheyteen. Suurempi pakkaustiheys mahdollistaa useampien osien valmistamisen pienemmällä energiankulutuksella.

3D-tulostaminen ekologisemmaksi ja edullisemmaksi

Käytännössä Stratasys SAF -alusta tarjoaa kaksi etua. Ensinnäkin SAF-järjestelmien käyttäjät voivat hyödyntää 100 prosenttisesti kaiken ostetun jauheen. Kaikki ostettu jauhe muuttuu toimitettaviksi osiksi, mikä alentaa kokonaismateriaalikustannuksia. Vielä houkuttelevampaa on kuitenkin se, että SAF-järjestelmä voi käyttää uudelleen muista jauhepeti tekniikoista peräisin olevaa jätejauhetta, mikä tekee siitä ihanteellisen ratkaisun yrityksille, jotka haluavat minimoida ympäristöjalanjälkensä ja säilyttää samalla tuotannon tehokkuuden.

Sen innovaation lisäksi, että H350-tulostin pystyy käyttämään SLS/MJF:n jäännösjauhetta Stratasysin SAF-prosessissa, se kuluttaa huomattavasti vähemmän energiaa kuin vastaavat teolliset ainetta lisäävän valmistuksen laitteet. Pienempi energiankulutus koskee sekä itse konetta että tuotantotilaa sillä H350:llä on pienemmät vaatimukset ilmanvaihdolle ja lämpötilan hallinnalle. Muiden toimittajien vaatimukset koneen ympärillä olevasta asennusympäristöstä nostavat huomattavasti niiden energiakustannuksia.

Useat pilottiasiakkaat, kuten espanjalainen Wehl Green, ovat alkaneet valmistaa tuotteita kierrätetystä lasersintraustulostimien PA jauheesta ja raportoineet myönteisesti tulostettujen osien pinnanlaadusta ja mekaanisista ominaisuuksista. Näiden pilottiasiakkaiden antaman palautteen perusteella Stratasys on vakuuttunut siitä, että SAF-järjestelmä, jonka päivitys mahdollistaa tulostamisen käytetyllä PA jauheella, on löytänyt ainutlaatuisen markkinaraon tulevaisuuden ainetta lisäävän valmistuksen ratkaisuna.

Tämä hanke on ollut Stratasysilla sisäisesti käynnissä jo useiden vuosien ajan, ja koska ainetta lisäävän valmistuksen alan tutkimukset osoittavat yhä useammin, että kestävyys on 3D-tulostuksen käyttäjien kannalta ensisijaisen tärkeä asia, yritys on päättänyt julkistaa tämän uuden aloitteen tänä vuonna Formnext 2024 -tapahtumassa.