Implications of additive manufacturing processes and design complexity on long-term material behavior

Lisäävän valmistuksen kehitys 1980-luvulta on ollut nopeaa ja teknologioiden sovelluskohteet ovat siirtymässä prototyyppien valmistuksesta kohti teollista lopputuotekäyttöä. Lisäävän valmistuksen edut, verrattuna perinteisiin menetelmiin, pohjautuvat geometriseen monimutkaisuuteen ja tuotesuunnittelun vapauteen. Lisäävälle valmistukselle suunnitelluilla osilla voidaan saavuttaa jopa vallankumouksellisia toiminnallisia, operatiivisia sekä taloudellisia etuja. Lisäävän valmistuksen periaate, jossa kappaleita valmistetaan kerroksittain, muokkaa kuitenkin materiaaliominaisuuksia. Jäähtymisnopeudet ovat prosessista riippuen nopeita ja lämpöhistoria monimutkainen. Tuloksena on suuntautunut materiaalin mikrorakenne, valmistusprosessista johtuvia materiaalivikoja ja jäännösjännityksiä. On tärkeää tiedostaa, että suunnittelun vapaudella on myös kääntöpuolensa. Tuotteen geometrialla, tai sen monimutkaisuudella, on käänteinen vaikutuksensa valmistusprosessiin. Geometrinen monimutkaisuus ja pienet piirteet lisäävän valmistuksen osissa voivat aikaansaada paikallisia muutoksia mikrorakenteessa ja johtaa yllättäviin vauriomalleihin. Jotta lisäävän valmistuksen sovelluskohteita ja potentiaalia voidaan laajentaa turvallisuuskriittisiin komponentteihin, on ymmärrettävä kuinka geometrian monimutkaisuus sekä prosessista johtuvat materiaaliviat vaikuttavat osien pitkäaikaiskestävyyteen. Väitöskirjassa ja julkaistuissa artikkeleissa aihetta tutkitaan kokeellisesti sekä lisäävän valmistuksen menetelmin valmistettujen muovien säänkeston, että metallin korroosion näkökulmasta. Merkittävässä roolissa työssä on myös menetelmäkehitys 3D-röntgenkuvantamisen saralla. Lisäävän valmistuksen menetelmistä väitöskirjassa keskitytään erityisesti muovien ja metallien jauhepetisulatukseen, jotka ovat vakiinnuttaneet asemaansa teollisuudessa. Lisäävän valmistusprosessin ja tulostussuunnan vaikutusta yksinkertaisten muoviosien säänkestoon tutkitaan kiihdytetyn säätestauksen, vetokokeiden ja murtopinta-analyysin keinoin. Metallien korroosion osalta käsittelyä laajennetaan geometrisesti monimutkaisiin kappaleisiin. Kolmessa ulottuvuudessa toistuvat identtiset ristikkorakenteet ja yksiköt mahdollistavat geometrian koon sekä muodon vaikutuksen tutkimisen kappaleiden korroosioherkkyyden näkökulmasta. Muoviosien säänkestossa ei havaittu merkittäviä valmistusprosessiin tai tulostussuuntaan yhdistettäviä vaikutuksia. Alustava löydös korroosiokokeista viittaa yhteyteen ristikkorakenteiden geometrian koon ja korroosioherkkyyden välillä. Tulosta ei kuitenkaan pystytty uuden menetelmän epävarmuuksien vuoksi varmentamaan numeerisesti. Tältä osin menetelmä vaatii lisäkehitystyötä. Työssä kehitetty avoimen lähdekoodin sovelluksiin perustuva 3D-röntgentomografian analysointimenetelmä mahdollistaa korroosiovaurioiden dynaamisen seurannan, luetteloinnin ja määrittelyn. Esitelty prosessi on sovellettavissa myös muille tieteenaloille.