Suunnittelusta suorituskykyyn – Uusien materiaalien ja rakenteiden hyödyntäminen 3D-tulostuksessa

Abstract

Tämän katsauksen tavoitteena on lisätä teollisuuden ymmärrystä ja kiinnostusta teollista 3D-tulostusta kohtaan, erityisesti Turun seudulla, sekä tuoda esiin teknologian mahdollisuuksia ja haasteita käytännön sovellusten kautta. Teollinen 3D-tulostus on valmistusmenetelmä, jolla kappaleita valmistetaan kerros kerrokselta digitaalisesta mallista materiaalia lisäämällä, ei poistamalla, kuten perinteisillä valmistusmenetelmillä. Teollisen 3D-tulostuksen markkinoiden kasvu on ollut viime vuosina nopeaa ja kasvun odotetaan jatkuvan. Lisäävän valmistuksen teknologioiden käyttöönotto mahdollistaa uusien materiaalien sekä uudentyyppisten rakenteellisten ratkaisujen hyödyntämistä teollisuustuotannossa.

Suomessa teollinen 3D-tulostus on vielä kehittyvä ala, mutta sen potentiaali teollisessa tuotannossa tunnistetaan yhä laajemmin. Vaikka menetelmä ei ole vielä laajasti käytössä, kiinnostus sen tarjoamiin mahdollisuuksiin kasvaa erityisesti uusien materiaalien ja rakenteiden osalta. Kotimainen kehitys painottuu tutkimus- ja pilotointihankkeisiin, joissa selvitetään teknologian soveltuvuutta eri teollisuudenaloille. Haasteina ovat muun muassa suunnitteluosaamisen puute ja standardoinnin hitaus, jotka hidastavat menetelmän laajempaa käyttöönottoa. Tulevaisuudessa tarvitaan lisää koulutusta, yhteistyötä ja investointeja, jotta Suomi voi hyödyntää teollisen 3D-tulostuksen mahdollisuudet täysimääräisesti.

Tämä katsaus toteutettiin osana Kestävästi lisäävää! -hanketta, joka toimi Turun lisäävän valmistuksen innovaatiokeskittymässä (TICAM). Hanke sai rahoitusta Euroopan aluekehitysrahastolta Helsingin ja Uudenmaan liiton kautta, ja sen projektikoodi on A80276. Vuosina 2023–2025 toteutettavan hankkeen tavoitteena oli vahvistaa Turun alueen pienten ja keskisuurten yritysten (pk-yritysten) osaamista lisäävässä valmistuksessa, erityisesti 3D-tulostuksessa. Turun yliopisto, Åbo Akademi ja Turun ammattikorkeakoulu yhdistivät asiantuntemuksensa tukeakseen pk-yrityksiä teknologian hyödyntämisessä eri sovellusalueilla, kuten koneenrakennuksessa, biolääketieteessä, hammastekniikassa sekä bio- ja kierrätyspohjaisissa materiaaleissa. Hankkeen keskeinen tavoite oli perustaa TICAM-keskittymä, joka toimii yhteistyön alustana, ja tuottaa mm. tietoa asian kehittämisestä sekä tiedonsiirtoa edistävää materiaalia lisäävästä valmistuksesta pk-yrityksille.

Valmistusmenetelmänä 3D-tulostus on hyvinkin uusi, ensimmäiset merkittävät patentit tehty vasta 1980-luvulla. Joitakin perinteisessä 3D-suunnittelussa käytetyistä periaatteista voidaan kyllä hyödyntää 3D-tulostuksessa, mutta useimmiten suunnittelussa on opeteltava kokonaan uudenlainen ajattelutapa, kun on kyse lisäävästä valmistuksesta. Tässä katsauksessa on muutamien esimerkkien avulla kerrottu, mistä 3D-tulostuksessa on kyse. Näistä esimerkeistä voidaan nähdä, millaisia valmistusteknisiä mahdollisuuksia 3D-tulostus tarjoaa sekä millaisia haasteita teknologioiden soveltamisessa on ollut ja miten niistä on selvitty.

3D-tulostuksessa käytetyistä materiaaleista tunnetuin on muovi, mutta on myös mahdollista tulostaa muitakin materiaaleja, jopa keraameja tai biomateriaaleja. Taloudellisesti merkittävimpinä menetelminä pidetään nykyään kuitenkin metallien tulostamista. Tämän julkaisun ensimmäisessä ”case” -tapauksessa on käytetty samaa menetelmää, millä muovista valmistettuja 3D-tulostettuja kappaleita yleisimmin valmistetaan, tosin muovin sijasta materiaalina on käytetty puukuitua. Kahdessa jälkimmäisessä puolestaan on tulostusmateriaalina ollut metalli. Yhteenvetona kaikista kolmesta tapauksesta voidaan todeta, että yksikään niistä ei tullut täysin valmiiksi hankkeen aikana, mutta että niistä jokaisessa tapahtui huomattavaa edistystä.

Eräs teollisen 3D-tulostuksen kasvua hidastavista tekijöistä on se, ettei 3D-tulostuksen standardointi ole pysynyt alan kehityksessä mukana. Standardisointia kyllä tehdään, mutta se ei ole vielä samalla tasolla muiden valmistusmenetelmien standardoinnin kanssa. Toinen kasvua hidastavista tekijöistä on suunnitteluosaamisen puute. Tämän ongelman ratkaisemiseksi tarvitaan sekä monipuolista tiedonsiirtoa mm. koulutuksen avulla että 3D-tulostuksen tietoisuuden lisäämistä yleisellä tasolla.

Tämän julkaisun jatkokehitysehdotuksista voidaan mainita 3D-tulostuksen kotimaisten standardien kehittäminen niin, ettei standardien osittainen puute muodostaisi estettä teknologioiden käyttöönotolle. Myös uudenlaisten materiaalien hyödyntämistä tuotannossa kannattaa edelleen tutkia. Materiaalihukkaa voidaan entisestään vähentää ja myös kierrätettävien materiaalien käyttöä lisätä. Myös liiketoimintamallien sekä logistiikan kannalta aiheen parista löytyy paljon mielenkiintoisia kehityskohteita.