Hallittu huokoisuus metallin 3D-tulostuksessa

Metallin jauhepetitulostus (LPBF, Laser Powder Bed Fusion) tarjoaa uusia mahdollisuuksia valmistaa toiminnallisia, hallittuja huokoisia rakenteita. Huokoisuus ei tällöin ole valmistusvirhe, vaan tietoisesti suunniteltu ominaisuus, joka palvelee selkeästi määriteltyä teknistä tarkoitusta.

Materflowlla on toteutettu sisäinen tutkimusprojekti, jossa selvitettiin huokoisten rakenteiden valmistettavuutta LPBF-prosessilla. Tulokset osoittavat, että huokoisuus voidaan integroida osaksi komponenttia jo suunnitteluvaiheessa – ei kompromissina, vaan ominaisuutena, joka mahdollistaa uusia käyttökohteita ja parantaa suorituskykyä.

Miksi huokoisuus kiinnostaa?

Huokoisilla rakenteilla on monipuolisia teollisia käyttötarkoituksia, muun muassa:

• Suodatus (nesteille ja kaasuille)
• Virtaussäätö (esim. paine-erojen hallinta)
• Kaasunhajottimet / spargerit (esim. kuplakoon hallinta nesteessä)
• Kapillaarinen virtaus ja wicking-ilmiön hyödyntäminen
• Lämmönvaihto (pinnan suurentamisen kautta)
• Vaimennus (ääni, tärinä, rakennevärähtelyt)
• Moniporositeetti + solid yhdistelmät.

Perinteiset valmistusmenetelmät – kuten jauhesintraus tai koneistus – rajoittavat sekä geometrista vapautta että erillisten komponenttien yhdistettävyyttä. LPBF-teknologian avulla voidaan sen sijaan valmistaa yhdestä kappaleesta koostuvia osia, joissa yhdistyvät massiiviset ja huokoiset alueet ilman erillistä kokoonpanoa.

Geometrinen huokoisuus – huokosten minimikoko käytännössä

Ensimmäisessä tutkimusvaiheessa testattiin sylinterimäisiä reikiä noin 30 mm halkaisijaltaan olevassa levymäisessä koekappaleessa (paksuus 3–6 mm). Reiän halkaisijaa pienentämällä haettiin valmistuksen alarajaa valmistajan vakioparametreilla. Materiaalina toimi 15-5PH teräs. Materiaali sinänsä ei ole rajoittava tekijä ja sama prosessi voidaan toistaa esim. Inconel 625 tai CoCrW materiaaleilla, mitä yleisesti käytämme.

Lisäetuna 15-5 PH -teräs on magnetoitavissa, joten samaan huokoiseen suodatinrakenteeseen voidaan tarvittaessa yhdistää magneettisesti tehostettu erotus esimerkiksi magneettisia partikkeleita sisältävissä nesteissä.

Tulokset:

• Reiät, joiden halkaisija oli vähintään 0,20 mm, pysyivät auki jauheenpoiston jälkeen.
• 0,10 mm reiät toimivat teknisesti, mutta jäivät osittain kiinni ja niihin jäi jauhetta loukkuun.
• Kuulapuhallus ei ollut toimiva menetelmä – lasihelmet jäivät kanaviin kiinni.
• Tulostussuunta vaikutti merkittävästi: erityisesti alaspäin suuntautuvat pohjapinnat olivat karheita ja sulkivat kanavia herkästi.

Johtopäätös: vaikka 0,10 mm kanavia voidaan teknisesti tehdä, käytännön alarajana voidaan pitää noin 0,20 mm geometriaa.

Suunniteltu huokoisuus?

Toisessa tutkimusvaiheessa hyödynnettiin LPBF-prosessin tunnettuja parametreja huokoisuuden tuottamiseksi:

• Beading-ilmiö (balling): Alhaisella laserteholla ja riittävän suurilla skannausnopeuksilla sulareitti hajoaa pisaroiksi, jolloin muodostuu satunnaisia aukkoja.
• Skannauslinjojen väli (hatch distance) määrittää kanavien nimellisen välin ja ensisijaisen suuntautumisen.
• Skannausstrategia kerrosten välillä: Kun skannauslinjojen suunta kohdistetaan päällekkäin kerroksesta toiseen, saadaan suorempia ja jatkuvampia kanavia.

Tutkimuksessa tulostettiin pieniä kuutioita (5 × 5 × 5 mm) erilaisilla prosessiparametreilla (mm. hatching-väli 0,12–0,20 mm ja matala teho, n. 100 W).

Huomioita:

• Skannauslinjojen väli vaikutti suoraan kanavien suuntaan ja leveyteen.
• Röntgentomografiassa mitattiin kanavien leveydeksi noin 20–30 mikrometriä; todellinen huokoskoko on todennäköisesti tätä pienempi.
• Osaan kanavista jäi osittain sintrattua jauhetta, joka lisäsi huokosverkoston mikrorakennetta ja voi vaikuttaa virtausominaisuuksiin.
• Jälkikäsittelyllä, kuten uunisintrauksella, kanaviin jäänyt jauhe voidaan tarkoituksella kiinnittää pysyväksi osaksi kappaletta.

Moniporoosinen rakenne – kaksi tarkoitusta yhdessä

Kokeissa onnistuttiin myös valmistamaan rakenteita, joissa eri osissa kappaletta on eri huokoisuustasot:

• Tiiviimpi ulkokerros toimii “ihona”: se suojaa ja pidättää epäpuhtauksia, mutta päästää nesteen tai kaasun läpi.
• Avoimempi sisäkerros muodostaa virtauskanavan, jonka läpi neste tai kaasu voi liikkua pienellä paine-erolla.

Näin voidaan suunnitella rakenteita, joissa yhdistyvät mekaaninen suojaus, suodatus ja hallittu virtaus – esimerkiksi anturisuojat, kaasunhajottimet (spargerit) ja monialueiset suodattimet.

Haasteita ja jatkokehityksen tarpeita

Huokoisten rakenteiden valmistus tuo mukanaan uusia kysymyksiä:

• Sulareitin leveys ja jauheen raekokojakauma rajoittavat saavutettavissa olevan huokoskoon pienuutta.
• Laserin polttopisteen (spotin) koko asettaa käytännön alarajan, jonka alle toimivia kanavia ei enää voida luotettavasti muodostaa.
• Kanaviin jäänyt jauhe voi olla joko ongelma (esim. tukkeutuminen) tai suunniteltu osa rakennetta, jos se sintrataan kiinni.
• Jälkikäsittely- ja puhdistusratkaisut (esim. kemiallinen syövytys, ultraääni, nestehuuhtelu tai käänteinen virtaus) tarvitsevat vielä optimointia.
• Lisäksi huokoskoon varmentaminen, rakenteellinen eheys ja pitkäaikaiskestävyys vaativat lisätestausta.

Käyttökohteita nyt ja tulevaisuudessa

Tutkitut ratkaisut soveltuvat erityisesti:

• Paine-erojen hallintaan ja virtauksen säätöön
• Kaasu- ja nestesuodattimiin
• Anturisuojauksiin
• Kapillaarisiin rakenteisiin ja lämmönsiirtosovelluksiin
• Kaasunhajottimiin (spargereihin), joissa kuplakokoa halutaan hallita
• Monitoimisiin, yhdestä kappaleesta valmistettuihin komponentteihin

Esimerkiksi testattu anturisuojus koostuu yhdestä LPBF-valmistetusta kappaleesta, jossa yhdistyy kiinteä kierreosa ja huokoinen suojarakenne. Se estää lian pääsyn mittauselementtiin mutta välittää paineen tarkasti mikrokanavien kautta – ilman kokoonpanoa, liitoksia tai jälkiasennuksia. Suoja voidaan puhdistaa esimerkiksi käänteisellä kaasun virtauksella tai ultraäänellä.

Mitä seuraavaksi?

Materflow etsii pilottiasiakkaita, jotka haluavat hyödyntää huokoisia rakenteita käytännössä – olipa kyseessä suodatusratkaisu, kevytrakenteinen komponentti tai erikoissovellus.