3D-metallitulostuksen noste jatkuu

Kari Harju

Kiinnostus 3D-metallintulostusta kohtaan on ollut teollisuudessa viime vuodet vahvaa ja menetelmän hyödyntäminen laajenee. Teknologian mahdollisuuksiin liittyvän tietouden lisäämisessä riittää silti yhä tekemistä. Viime aikojen hypestä on tässä suhteessa ollut hyötyäkin, toteaa vuosia 3D-metallitulostuksen parissa töitä tehnyt tutkija ja tutkimustiimin johtaja Pasi Puukko VTT:ltä.

3D-metallitulostus on parhaimmillaan pienten ja monimuotoisten kappaleiden valmistuksessa. Lisäarvoa voidaan hakea esimerkiksi komponenttien uusien ominaisuuksien tai  toiminnallisuuksien avulla. Suunnittelu on avainasia.
 

3D-metallitulostus on tehnyt tuloaan voimalla. Hypestäkin asian ympärillä on puhuttu.

Pasi Puukon mukaan hype on ollut oikeastaan vain hyvästä.

”Vaikka hypeen liittyy ehkä ylimitoitettuja odotuksia ja asiat sen myötä hieman yksinkertaistuvat, on siinä positiivisiakin piirteitä. Vaikka joskus mennään yli, tietoisuus lisääntyy. Hype, joka nyt jo on vähän laantunutkin, keskittyi ennen kaikkea 3D-kotitulostuslaitteisiin, mutta huomio teknologian mahdollisuuksista lisääntyi myös teollisuuspuolella”, toteaa Pasi Puukko.

VTT:n Pasi Puukon mukaan mahdollisuuksia riittää 3D-metallitulostusteknologian soveltamisessa. Matka on vasta alussa.

Juuret pitemmällä kuin luulisikaan

Vaikka 3D-tulostuksesta on kohistu nyt enemmän, teknologian historia on pitkä.

”3D-tulostuksen historia alkaa 1980-luvulta. Ensimmäisenä menetelmänä oli muovipuolen stereolitografia, 3D-metallintulostus tuli kuvioihin 1990-luvun alussa. Suomessakin on tehty merkittävää kehitystyötä materiaaleihin liittyen noista vuosista lähtien. EOS:in jauhemateriaalinkehitys tehdään edelleenkin Suomessa”, Puukko kertoo.

Uuteen teknologiaan liittyi aluksi haasteita.

”Ensimmäiset metallitulostuskokeilut eivät vastanneet odotuksia. Koetettiin ehkä tulostaa tuotteita, jota menetelmälle eivät soveltuneet, ja lisäksi kappaleiden lujuusominaisuuksien suhteen todettiin ongelmia. Näin on asia kaikissa muissakin teknologioissa, asiat eivät ole heti valmiita vaan ne vaativat kehitystyötä. Joka tapauksessa kiinnostus hiipui ja jäimme mm. täällä Suomessa hieman jälkeen kansainvälisestä kehityksestä.”

Kehitystyö sen sijaan jatkui tahoilla, joilla resursseja riitti ja uudesta teknologista havaittiin hyötyjä esimerkiksi rakenteiden keveyden suhteen.

”Menetelmä kehittyi yksittäisten komponenttien tekemisellä esimerkiksi ralliautoihin, lentokoneteollisuuteen tai lääketieteen teknologian alueelle. Suomen teollisuuden rakenteessa nämä sektorit eivät perinteisesti ole olleet vahvoja alueita. Ehkä siksikin Suomessa ollaan herätty tähän asiaan uudelleen ja hieman muita maita myöhemmin.”

Tilanne on kuitenkin muutaman viime vuoden aikana muuttunut nopeasti.

”Teknologia on kypsynyt siihen vaiheeseen, että uusia sovellutuksia löytyy metalliteollisuuden alueella jo runsaasti ja tästä alkaa olla oikeasti hyötyä myös meillä. Kun tietoisuuden ja teknologian laajenemisen kautta kustannukset tulevat alaspäin, niin sovellutuksetkin lisääntyvät.”

”Suomessa metalliteollisuus on sinänsä vahva sektori ja menetelmä sopii myös meille. Perusedellytykset ovat olemassa, ehkä enemmän vain pitäisi olla rohkeutta ottaa teknologiaa ja käyttöön ja etsiä uusia ratkaisuja. Tämän suhteen riittää tekemistä”, Puukko kertoo.

Edellyttää uudenlaista ajattelua

Menetelmänä 3D-metallintulostus antaa oikein ymmärrettynä mahdollisuuksia moneen.

Kaikkeen metallin kanssa työskentelyyn se ei silti sovellu. Keskiössä on tuotteiden suunnittelu.

”Lähtökohta on se, että 3D-metallintulostus on tänä päivänä vielä varsin kallista. Se ei ole teknologia, jolla voidaan suoraan valmistaa tuotteita, jotka on tehty aiemmin jollakin toisella teknologialla. Se ei siis ole vaihtoehtoinen korvaava menetelmä tietyn olemassa olevan tuotteen valmistukseen.”

Sen sijaan Pasi Puukon mukaan teknologian järkevyys perustuu siihen, että sen myötä voidaan kyetä tekemään asioita uudella tavalla. Sen avulla voidaan tuottaa joko täysin uusi tai sitten jollakin lailla aiempaa parempi komponentti ja saada näin lisäarvoa tuotteelle.

Esimerkiksi lentokone- tai autoteollisuudessa etua saadaan usein tulostuksella tuotettujen komponenttien ominaisuuksista, kuten rakenteiden keveydestä.

”Tulostamalla pystytään tekemään myös rakenteita, jotka eivät muuten olisi mahdollisia. Esimerkiksi muottiin saatetaan pystyä tulostamalla tekemään jäähdytys, joka millään muulla menetelmällä ei olisi mahdollinen. Kilpailukyky lisääntyy tätä kautta”, Puukko kertoo.

3D-metallitulostuksella voidaan pystyä myös nopeuttamaan tuotantoa.

”Prosessinopeus voi kasvaa. Jos komponentin tekeminen on vaatinut aiemmin kymmenen prosessivaihetta, ja nyt päästään eteenpäin yhdellä tai kahdella vaiheella, kokonaisprosessista tulee aiempaa tehokkaampi ja nopeampi. ”

Etua teknologiasta voidaan saada myös liittämällä erilaisia toiminnallisuuksia yhteen komponenttiin.

”Tämä asia on metallissa usein tärkeä määrittäjä, sillä liitokset ovat metallissa riski. Jos niistä vältytään, komponentista voi tulla laadullisesti aiempaa olennaisesti parempi”, Puukko toteaa.

Pasi Puukon mukaan mahdolliset sovelluskohteet täytyy tarkastella aina tilannekohtaisesti. Lisäksi asioita kannattaa pyrkiä tarkastelemaan eteenpäin nykypäivää pitemmällä tähtäimellä.

”Koneiden hinnat ja materiaalikustannukset tulevat alaspäin, ja tilanteet muuttuvat. Jos tietyn komponentin toteuttaminen menetelmällä ei tänä päivänä ole kustannusmielessä järkevää, se voi sitä huomenna”, Puukko huomauttaa.

Kokoluokaltaan rajoitetuille kappaleille

3D-tulostusteknologia mahdollistaa uudet asiat, mutta kuten yleensäkin uusien menetelmien osalta, teknologiassa on rajoituksensa. Metallitulosteet tarvitsevat tukirakenteita, ja niiden optimi suunnittelu vaatii osaamaista. Pitää oppia siis ymmärtämään teknologian rajoitukset.

Menetelmä sinänsä sopii Pasi Puukon mukaan nykyisin edelleen parhaiten suhteellisen pienille kappaleille. Julkisuudessa puhutaan 3D-metallitulostetuista autoista, moottoriajoneuvoista, silloista ja taloista, mutta tällöin liikutaan Pasi Puukon mukaan kaukana järkevän 3D-metallitulostuksen asioista.

”Näissä tulostuskohteissa on iso julkisuusarvo, mutta muuten niiden mielekkyys varsinkin kustannusten osalta on enemmän kuin kyseenalainen. Jos puhutaan vaikkapa robottien avulla ruiskutusteknologialla toteutettavista silloista, liikutaan myös jo tulostuksen käsitteen rajoilla, vaikka mielenkiintoisista tekniikoista niissä toki onkin kyse”, Pasi Puukko sanoo.

”Jos järkevää kokoluokkaa metallitulostetuille komponenteille mietitään, niin palvelukäytössä olevassa ja tässä meidänkin pääasiassa tutkimassamme jauhepetiteknologiassa kokoluokka on korkeintaan jalkapallon kokoisissa kappaleissa. Sitä isommissa komponenteissa kustannukset tulevat usein liian suuriksi.”

Jauhepeti- eli Powder Bed Fusion -menetelmällä tarkoitetaan jauheen sintrausta tai sulatusta kerroksittain joko laserilla tai elektronisuihkulla. Menetelmälle soveltuvien koneiden valmistajia  on maailmalla nykyisin jo varsin runsaasti.

Monilaserteknologia tulee, jauhevalikoima yhä suppea

Pasi Puukon mukaan 3D-metallitulostus kehittyy positiivisissa tunnelmissa, teollisuuden kiinnostus jatkuu vahvana ja sovellusalueet laajenevat.

Koneiden osalta nopeudet lisääntyvät, ja tätä on tapahtunut vuosien mittaan koko ajan. Tulevaisuudessa markkinoilla vahvistaa asemaansa monilaserteknologia, state of art-menetelmä sinänsä. Tällöin yhdessä koneessa käytetään useampia lasereita, mikä lisää niiden toimintatehokkuutta ja vähentää sitä kautta tuotantokustannuksia.

”Myös laadunhallinta ja monitorointini kehittyvät kovaa vauhtia. Tänä päivänä voidaan luottaa siihen, että tulostettu komponentti todellakin myös vastaa speksejä”, Pasi Puukko sanoo.

Alan jauhevalikoima sen sijaan ei ole laajentunut aivan sitä vauhtia kuin tarvetta olisi.

”Metallijauheiden valikoima on edelleenkin suppea, ja tämä suppeus voi toisinaan rajoittaa uuden tuotteen suunnittelua melkoisesti. Tarvetta olisi monipuolisemmalle valikoimalle, mutta kehitystyö on kallista ja hidasta. Varmasti jatkossa kuitenkin uusia tuotteita saadaan markkinoille.”

Laajassa mitassa 3D-metallitulostuksen tulevaisuus on valoisa. Pasi Puukon mukaan jatkossa töitä riittää silti edelleen niin tietoisuuden lisäämisessä kuin menetelmän käyttöönoton tutkintaan liittyvässä kannustuksessakin.

”Tietyille tuotteille ja töille 3D-metallitulostus on varteenotettava ja kiinnostava vaihtoehto metallin kentällä. Mahdollisuuksia riittää tämän teknologian hyödyntämisessä. Tällä tiellä olemme edelleenkin vasta alussa”, sanoo Pasi Puukko.

VTT:n projektissa tehtiin yritysyhteistyönä muodoiltaan vaativa, kookas hiekkavalumuotti 3D-metallitulostuksena ja tehtiin komponentti tämän jälkeen valamalla.
 

 

Hiekkavalumuotti 3D-metallitulostamalla

VTT:llä on 3D-metallitulostukseen liittyviä asioita tutkittu lähes vuosikymmenen ajan.

Tutkimustyön ohella VTT pyrkii auttamaan yrityksiä havaitsemaan uusia mahdollisuuksia teknologian parissa sekä avustamaan materiaalinkehityksessä.

3D-metallintulostuksen projekteja VTT:llä on toteutettu vuosien mittaan useita.

Yhdessä viimeisimmistä valmistettiin yritysyhteistyönä vaativa ja suhteellisen kookas hiekkavalumuotti 3D-metallitulostuksena ja tehtiin komponentti tämän jälkeen valamalla.

Projektissa tutkittiin mm. topologista optimointia 3D-metallitulostusteknologialla valmistettavan muotin suunnittelussa. 3D-metallitulostuksen etuihin kuuluu mahdollisuus sen avulla toteutettavien kappaleiden monimuotoisuuteen, ja tätä etua pystyttiin myös tässä projektissa hyödyntämään. Lisäksi kyettiin ratkaisemaan haasteita liittyen kookkaiden kappaleiden 3D-metallitulostukseen, sen kustannuksiin, materiaalivalintoihin ja myös laadunhallintaan.

Projektissa lisääntyi myös tietous projektin toteutuksessa käytettyjen ohjelmistojen toimimisesta keskenään.

Lue myös: 3D-metallitulostuksen edut luodaan suunnittelulla