3D-tulostusmateriaalien ja -prosessien tutkimusta pitkin perintein

Kari Harju

Aalto-yliopiston 3D-tulostuslaboratorion toiminta kehittyy. Pian 30 vuoden perinteistään ammentava, 3D-tulostuksen alueen tutkimukseen, koulutukseen ja myös yritysyhteistyöhön panostava laboratorio teki hiljattain mittavan investoinnin laitekantaansa uuden kookkaan EOS-tulostimen myötä. Kun ala kasvaa ja laitteet sekä materiaalit kehittyvät, satsaus kannattaa, toteaa tutkija Roy Björkstrand Aalto Yliopistolta.

Aalto-yliopisto investoi 3D-tulostuksen tutkimus- ja koulutusympäristöön. Tutkijat Roy Björkstrand (vasemmalla) ja Mika Salmi testaavat uutta tulostinta.

Materiaalia lisäävällä valmistuksella eli 3D-tulostuksella on iso tulevaisuus, sanotaan.

Kasvu on maailmalla kovaa, ja meilläkin 3D-tulostuksen palvelutarjonta on päässyt pikkuhiljaa käyntiin. Teknologian tausta ulottuu kuitenkin jo vuosikymmenien taakse, esim. stereolitografiamenetelmä on peräisin 1980-luvulta.

”Prototypoinnista lähdettiin liikkeelle ja teollisuudessa iso ajuri teknologian kehityksessä olivat aikanaan mm. matkapuhelinteollisuuden tarpeet. 2000-luvulla markkinoille tulleet edulliset FDM (Fused Deposition Modeling) -tulostimet laajensivat teknologian käyttöä teollisuudessa ja 2010 vaiheilla julkaistu The Economist-lehden artikkeli ”Print me a Stradivarius” käynnisti hypen. Sen jälkeen on menty aika haipakkaa. Tällä vuosikymmenellä varsinkin metallitulostuksen alueella on ollut vahvaa kehitystä”, tiivistää Roy Björkstrand 3D-tulostuksen historiaa.

Uuden jauhepetimenetelmää soveltavan tulostimen toimintaympäristöä työpajalla.

Laajeneva käyttö

Juuri nyt ala etenee Björkstrandin mukaan erittäin vahvasti niin laadullisesti kuin prosessimielessäkin. Ja laitemyynti kasvaa.

”Teknologiaan panostavat ja sitä edelleen kehittävät lentokone- ja autoteollisuus ovat perinteiset veturit, mutta kovasti teknologia laajenee myös uusille alueille. Työvaiheiden vähentäminen, toimintojen tehokkuus ja rakenteiden keventäminen, siinä muutamia keskeisiä ydinteemoja sen taustalla”, sanoo Björkstrand.

Luokitusten ja standardoinnin edistyminen mahdollistaa teknologioiden käytön yhä laajemmin. Suomessakin on kahden kolmen vuoden aikana konetarjonta lisääntynyt ja kiinnostus jatkuu suurena.

 

”Suomessa titaanisten lääketieteellisten implanttien 3D-tulostuksen kohdalla olimme aikanaan etulinjassa, mutta teollisuuspuoli on tullut kiistämättä kehityksessä meillä jonkin verran jäljessä. Kiinnostuksen tuloutuminen tuotteiksi etenee hitaasti, mutta kehitysprojekteja on toki käynnissä eri puolilla. Niistä kuultaneen ajallaan”, sanoo Staff Scientist Mika Salmi.

”Maailmalla toimii jo AM-tehtaita, joissa on kymmeniä tai jopa satoja tulostimia, meitä lähin Ruotsissa. Meillä kyse on yhä enemmän palvelutarjonnasta, mutta kasvuvauhti on suurta. Suunnittelu- ja alan koulutustarjonnan lisääminen ovat eräitä keskeisiä jatkon kehityksen kiintopisteitä”, Salmi sanoo.

Rakennuskammio uudessa laitteessa on kooltaan 250x250x325 mm.

Uranuurtaja Suomessa

Aalto-yliopisto on ollut mukana 3D-tulostuksen maailmassa kauan. Jo vuonna 1992

tekniikan tohtori Jukka Tuomi perusti silloiseen Tekniseen korkeakouluun eli nykyiseen Aalto-yliopistoon Suomen ensimmäinen 3D-mallinnuksen tutkimusryhmän.

Tuomi oli saanut innoituksen vierailultaan Saksan Frauenhofer-instituutista, jossa tutkimusryhmällä oli käytössä ensimmäisiä materiaalia lisäävää valmistusta hyödyntäviä laitteita.

Nyt toimitaan ylipistolla konetekniikan laitoksen suojissa 3D-laboratoriona ja -työpajana. Toiminnassa alan tutkimus, yritysyhteistyö ja koulutus ovat ydintermejä. Tutkijayhteydet ovat kansanväliset.

”Alun perin kansainvälinen tutkijaporukka oli suppea ja kaikki tunsivat toisensa. Toisin on nyt, alan nopean kasvun myötä tilanne on muuttunut. Uutta väkeä tulee alalle koko ajan.”

Alan tutkimus Aallossa jakaantuu kolmeen osaan, materiaalintutkimukseen, prosessien kehitykseen ja niiden tuomiseen prosessinomaiseen valmistukseen eli käytäntöön. Näistä mm. materiaalintutkimus on juuri nyt vahvasti kehittyvä alue.

”Päätavoitteita tutkimuksessa tällä alueella ovat mm. materiaalimäärien vähentäminen, materiaalien ominaisuuksien, kuten kovuuden, tai vaikkapa kulutuskeston parantaminen. Yksi juuri nyt kovasti kiinnostava alue ovat ns. high-entropy alloy -alueen tuotteet, joilla pystytään materiaaliominaisuuksien moninkertaistamiseen. Työ liittyy kovasti metallurgiaan ja laitepäässä mm. mikrorakenteiden hallintaan. Perustutkimusvaihetta mennään yhä, mutta odotukset ovat suuret”, sanoo Björkstrand.

Prosessienkehitykseen liittyvät asiat ovat tarkkuuksien hakemista, geometrioiden hallintaa ja muotojen valmistamista sekä testaamista niin prototyyppejä luomalla kuin digitaalisin analyyseinkin, prosessinomaiseen valmistukseen tuominen puolestaan ennen valmistusta tapahtuvaa suunnittelua, simulointia ja postprosessointia valmistelevia toimia ja sitten varsinaista postprosessointia. Mm. juuri lämpö- ja jälkikäsittelyyn liittyvän koneistuksen 0-pistekiinnityksen suunnittelu on yksi keskeinen asia.

Yritysyhteistyössä laboratorion lähtökohta on tutkimuksellinen.

”Siinä lähdemme liikkeelle sovellusten kautta eli mielenkiintoisista case-tapauksista. Yrityksellä on ongelma tai ajatus, otamme sen tutkintaan. Löydämme ratkaisuja erilaisiin ongelmiin yhdellä kerralla. laajempi teollinen tai yhteiskunnallinen relevanssi”, Björkstrand tiivistää.

”Kokonaisuutena siis alan tiedon tuottaminen, sen jakaminen ja tietenkin koulutus toiminnassamme keskeisiä asioita. Tutkimme asioita, seuraamme alaa ja koetamme pysyä kartalla siitä mitä tapahtuu, alahan kehittyy lujaa vauhtia”, kertoo Björkstrand.

Laitekantaa laboratoriossa on kaikkiin seitsemään tulostuksen pääluokkaan. Kuvan laite on korkeiden lämpötilojen materiaalin pursotuslaitteisto teollisille materiaaleille.

Panostusalue

Laitekanta Aallon 3D-tulostusympäristössä on kasvanut vuosien mittaan moninaiseksi.

Lisäävän valmistuksen standardoituja pääluokkia on seitsemän, ja kaikkiin niihin Aallolta löytyy laitteita.

Kalustoa on hankittu vähitellen, ja laitteet ovat laboratoriossa niin tutkimus- kuin opetuskäytössäkin. Aivan hiljattain laboratorion laitekanta kasvoi uudella tulokkaalla, kun laboratorioon hankittiin jauhepetimenetelmää hyödyntävä EOS M290-tulostin.

Kyseessä on samalla Aalto-yliopiston 3D-ympäristön mittavin laiteinvestointi tähän mennessä.

”Koska alan laitteet ovat kehittyneet viime aikoina jatkuvasti, emme halunneet liian aikaisin sitoutua tiettyyn teknologiaan, vaan käytimme sen sijaan pitkään palveluntarjoajia. Nyt kuitenkin ajattelimme, että laitteiden kehitysaste on hankinnan kannalta oikea, eli se kannattaa tehdä. Materiaalinkehitys etenee, alkaa olla teollista volyymia ja integrointi myös muihin valmistuslaitteistoihin lisääntyy”, kertoo Björkstrand.

Björkstrandin mukaan uushankinta viestii samalla Aalto-yliopiston ja julkisen rahoittajatahon halusta panostaa alan teknologiaan ja sen tutkimukseen.

Tulostettua esineistöä. Muutamia esimerkkejä pajalla 3D-metallitulostetuista kappaleista.

”Tämä on voimakkaasti kehittyvä ala, ja siihen panostaminen koetaan mielekkääksi. Olemme osa eurooppalaista tutkimuskonsortiota, joka keskittyy Advanced Manufacturing-teemoin valmistuksen tukemiseen ja kehittämiseen tällä mantereella”, sanoo Björkstrand.

Aalto-yliopiston toimintoja koulutuksellisesti laajasti ja eri alueilla palvelevan teknologiainvestoinnin ohella Aalto-yliopiston työpajalla on menossa parhaillaan toinenkin iso muutos.

”Muutamme täällä parhaillaan uusiin tiloihin, mitkä ovat kooltaan aiempaa isommat ja tarjoavat selkeät puitteet toiminnallemme. Muutto valmistuu kokonaisuudessaan nyt toukokuun mittaan”, toteaa Roy Björkstrand.

Aalto-yliopisto:

Teknisten tieteiden, kauppatieteiden ja taiteiden alan tiede- ja taideyhteisö. Opiskelijoita 20 000, henkilökuntaa 4000, 3D-tulostuksen toiminnoissa 25-30.

Lue myös: Uusi EOS M 300-sarja