5.2 Varaosat ja uudet ydinvoimalat
5.2.1 Neljännen sukupolven reaktorit
Pienten modulaaristen reaktoreiden reaktoripaineastioiden valmistus perinteisillä valmistustavoilla kestää noin kolme vuotta. Ainetta lisäävän valmistuksen avulla läpimenoaika voitaisiin pienentää alle kuuteen kuukauteen. Läpimenoaikojen lyhentämisen lisäksi monimutkaisten komponenttien valmistuksessa voitaisiin käyttää kustannustehokasta jauhepetisulatus-tekniikkaa. Prototyyppien valmistaminen tutkimus- ja kehitystyöhön on edullista ja nopeaa. Havaitessa parannuskohteita prototyypin muokkaaminen paremmaksi on vaivatonta tietokoneavusteisen suunnittelun ansiosta.
(Thomas 2016)
Ainetta lisäävää valmistusta voitaisiin myös käyttää tutkimustyössä tulevaisuuden reaktoreiden kehittämiseen. Esimerkiksi tutkimusta on tehty ydinpolttoaineen valmistuksesta 3D-tulostimilla neljännen sukupolven reaktoreihin. Neljännen sukupolven reaktoreilla hyödynnetään ydinpolttoainetta enemmän esimerkiksi kierrättämällä.
Shaman tutkimuksen mukaan ainetta lisäävän valmistuksen avulla tuotetulla ydinpolttoaineella voisi olla parempi onnettomuuden sietokyky, sekä suorituskykyä nostavia ominaisuuksia. Valmistusprosessi perustuu 3D-tulostimen kykyyn yhdistää erilaisia materiaaleja sisäisen geeliytymisen avulla. (Shama, Pouchon & Clifford 2019, 1-2)
6 JOHTOPÄÄTÖKSET
Ainetta lisäävän valmistuksen mahdollisuudet ydintekniikassa ovat suuret.
Jauhepetisulatus-tekniikalla 3D-tulostetun komponentin mekaaniset ominaisuudet voivat olla vähintään yhtä hyviä tai jopa parempia kuin muilla menetelmillä valmistetuilla komponenteilla, kunhan komponentit saavat riittävän jälkikäsittelyn ja tulostusprosessi on oikeanlainen. Tulostusprosessin oikeanlaisuus on suuri vaatimus varsinkin vanhoille tulostimille. Teknologian edistyessä uudet tulostimet tuottavat entistä parempaa jälkeä, jolloin valmistusprosessin seuraaminen ei enää ole niin välttämätöntä. Lisäksi laadunhallinta on helppoa ja vaivatonta uusilla 3D-tulostimilla, jotka monitoroivat valmistusprosessia kerroksittain.
Monia tämän hetkisiä ydinalan ongelmia olisi mahdollista ratkaista, kuten läpimenoaikojen lyhentäminen ja puuttuvien varaosien valmistaminen ainetta lisäävällä valmistuksella. Yritykset ovatkin huomioineet tämän ja vanhojen komponenttien korvaaminen 3D-tulostetuilla versioilla on alkanut. Tulevaisuuden rakennusurakoissa AM-tekniikoilla pystyttäisiin vähentämään riippuvuutta toimitusketjuista, sekä tärkeitä osia pystyttäisiin valmistamaan lyhyellä varoitusajalla. Ainetta lisäävän valmistuksen avulla on mahdollista vähentää jätteiden syntymistä varastoinnissa ja tuotteiden valmistuksessa, joten tulevaisuudessa AM-tekniikoiden hyödyntäminen voi olla olennainen tapa edistää kiertotaloutta ja Lean-tuotantoa.
Ydinvoimaloissa on paljon kohteita, joihin ainetta lisäävää valmistusta voitaisiin soveltaa. Esimerkiksi jauhepetisulatus-tekniikan kyvyllä valmistaa hilarakenteita voitaisiin parantaa jo tämän hetkisiä virtaustekniikan sovelluksia, kuten esimerkiksi suodattimia. Toinen suuri kohde on putkistot, joiden geometria voitaisiin parantaa tehokkaammaksi pyöristämällä tuloaukkoja lisäävän valmistuksen avulla.
Monimutkaisten tuotteiden tulostaminen lisäävän valmistuksen avulla on myös kustannustehokasta. Vaativien komponenttien valmistuksessa kustannuksia voi säästä useita kymmeniä prosentteja jopa suurilla erillä lisäävän valmistuksen avulla.
Ainetta lisäävällä valmistuksella on paljon hyötyjä ja mahdollisuuksia, mutta uhkia ja heikkouksia ei pidä unohtaa, sillä niitäkin löytyy kuten taulukosta 4 voidaan havaita. AM-tekniikoilla valmistettujen tuotteiden käyttöönotto ydinvoimaloissa voi olla hankalaa,
mutta vanhentuneiden ja käytöstä poistuneiden komponenttien korvaaminen 3D-tulostetuilla komponenteilla voi silti olla nopeampaa ja edullisempaa.
Taulukko 4. Nelikenttäanalyysi ainetta lisäävästä valmistuksesta.
Jokaiselle komponentille on mietittävä tarkkaan, onko tuote kannattavaa 3D-tulostaa. Isot erät ja yksinkertaiset tuotekomponentit voivat olla epäkäytännöllisiä valmistaa lisäävillä valmistustavoilla. Hyvällä suunnittelulla voidaan saada tulostusaikoja ja kustannuksia laskettua myös suurille erille, esimerkiksi pinoamalla komponentteja päällekkäin. Myös kalliiden materiaalien, kuten titaanin kustannustehokkuus pitää huomioida suurena vahvuutena ainetta lisäävälle valmistukselle.
Suurien erien ja yksinkertaisten tuotteiden valmistaminen ei ole halpaa lisäävillä valmistustavoilla, joten voidaan olettaa, että teknologia ei tule korvaamaan CNC-koneita tai ruiskuvalukoneita. Ennemminkin 3D-tulostimia voitaisiin ottaa muiden valmistustapojen rinnalle ja kaikista koneista otettaisiin maksimaalinen hyöty irti.
Ruiskuvalukoneilla tuotettaisiin yksinkertaiset komponentit ja 3D-tulostimilla monimutkaiset komponentit. Varaosapuutteen ilmetessä 3D-tulostin pystyisi valmistamaan varaosan nopeasti ilman suurempia viivästyksiä.
VAHVUUDET:
7 YHTEENVETO
Työn tavoitteena oli selvittää ainetta lisäävän valmistuksen mahdollisuudet ydintekniikassa. Lisäksi selvitettiin miten lisäävillä valmistustavoilla tuotetut komponentit pärjäävät ydinvoimateollisuuden lainsäädännöllisten vaatimusten läpäisyssä.
Työssä kävi ilmi, että ainetta lisäävälle valmistukselle löydettiin paljon mahdollisuuksia ydintekniikassa. Suurimmat hyödyt ovat varaosien ja monimutkaisten komponenttien tuotannossa. Ydinvoimaloissa on myös paljon pienen erän vaativia komponentteja, joita on mahdollista valmistaa kustannustehokkaasti lisäävän valmistuksen avulla. Lisäksi ainetta lisävään valmistuksen avulla pystyttäisiin muuttamaan toimitusketjuja joustavimmiksi. Tärkeitä osia pystyttäisiin valmistamaan lyhyellä varoitusajalla esimerkiksi varaosapuutteen ilmetessä, sekä tuotteiden läpimenoaikoja saataisiin lyhyemmiksi. Kalliita materiaaleja, kuten titaania voitaisiin käyttää kustannustehokkaasti jauhepetisulatuksen avulla. Tutkimuksessa havaittiin myös, että komponenttien optimoiminen ja kehittäminen lisäävillä valmistustavoilla on mahdollista. Esimerkiksi putkien ja suodattimien virtausdynaamisia ominaisuuksia pystyttäisiin parantamaan monimutkaisten rakenteiden avulla. Havaittiin myös mahdollisuus, jossa lämmönsiirto ominaisuuksia pystyttäisiin parantamaan biologisten muotojen avulla. Monimutkaisten rakenteiden potentiaali on suuri ja on todennäköistä, että rakenteille löytyy tulevaisuudessa paljon lisää käyttökohteita.
Vaikka ainetta lisäävät valmistus on uusi teknologia, oli teknologiaa otettu käyttöön monissa paikoissa. Siemens on todistanut, että ainetta lisäävää valmistusta voi soveltaa teollisuudessa niin varaosien tuotannossa, kuin vaativien komponenttien sarjatuotannossa. Etteplan todisti, että ainetta lisäävän valmistuksen avulla voidaan laskea kustannuksia, vaikka komponentteja tuotettaisiin sarjatuotantona.
Teknologian suurimmat haasteet ovat ydintekniikan kannalta lainsäädännöllisten vaatimusten läpäisy. Teknologia on vielä niin uusi, että siitä ei ole vielä mainintaa ydinteollisuuden laadunhallintajärjestelmissä. Tosin muiden teollisuudenalojen laadunhallintajärjestelmät ovat alkaneet jauhemetallurgisten valmistusprosessien hyväksynnän, joten voidaan olettaa ydinteollisuuden laadunhallinta järjestelmien
seuraavan muiden järjestelmien esimerkkiä. Lisäksi sideaine suihkutuksen avulla voidaan ohittaa lainsäädännölliset ongelmat ja yhdistää ainetta lisäävät- ja perinteiset valmistustavat. Hiekkavalumuottien valmistaminen sideaine suihkutuksen avulla on luotettava tekniikka, kun varaosia ei esimerkiksi enää valmisteta tai kun varaosa halutaan nopeasti.
Toinen haaste on tuotantokustannusten minimointi. Tuotantokustannukset vaihtelevat paljon tapauskohtaisesti, joten aina ei ainetta lisäävä valmistus ole paras vaihtoehto.
Suurien erien tuottaminen ei 3D-tulostimilla laske samalla tavalla kuin perinteisillä valmistustavoilla. Toisaalta kustannukset nousevat tuotteen monimutkaisuuden ja vaativuuden kasvaessa.
Suurien erien ja yksinkertaisten tuotteiden valmistaminen ei ole halpaa lisäävillä valmistustavoilla, joten ainetta lisäävä valmistus ei todennäköisesti tule korvaamaan CNC-koneita, ruiskuvalukoneita tai hiekkavaluja. 3D-tulostimia voitaisiin ottaa muiden valmistustapojen rinnalle ja kaikista koneista otettaisiin maksimaalinen hyöty irti.
Valamalla valmistettaisiin yksinkertaiset komponentit ja 3D-tulostimilla monimutkaiset komponentit. Varaosapuutteen ilmetessä 3D-tulostin pystyisi valmistamaan varaosan nopeasti ilman suurempia viivästyksiä.
Alkaios, Bournias & Varotsis. 2019. 3D Printing vs. CNC machining. [verkkojulkaisu].
[Viitattu 28.10.2019]. Saatavissa: https://www.3dhubs.com/knowledge-base/3d-printing-vs-cnc-machining/#intro
Carlota, V. 2019. GE Research 3D printed a heat exchanger for more efficient energy conversion. [verkkojulkaisu]. [Viitattu 17.02.2020]. Saatavissa:
https://www.3dnatives.com/en/ge-research-heat-exchanger-240420195/
Çengel, Y. A. & Cimbala, J. M. 2006. Fluid mechanics: Fundamentals and applications.
New York: McGraw-Hill Higher Education. 956 s. ISBN 0-07-111720-2 Cleary, W & Karoutas, Z. 2017. Fuelling additive manufacturing. [verkkojulkaisu].
[Viitattu 20.01.2020]. Saatavissa:
https://www.neimagazine.com/features/featurefuelling-additive-manufacturing-5945496/
Cleary, W. 2017. Fabrication, Irradiation, and Testing of Zircaloy-2. [verkkojulkaisu].
[Viitattu 19.02.2020]. Saatavissa: https://nsuf.inl.gov/documents/Review2017/Cleary Fabrication.pdf
Delva. 2019. Metallituloste - kestävä, luotettava ja laadukas. [yrityksen www-sivut].
[Viitattu 28.10.2018]. Saatavissa: https://delva.fi/fi/tietoa/
D’Souza-Mathew, M. 2016. D6.2.9 Material properties determined.
Testing and code-acceptance defined. FP7 2007-2013 Project Nugenia – plus, Powderway Consortium. Saatavissa:
https://www.epma.com/document-archive/sectoral-groups/eurohip/589-nugenia-plus-project-d6-2-9-material-properties-determined-testing-and-code-acceptance-defined/file EOS. 2019. EOSTATE MeltPool: Real-time process monitoring at the melting point.
[yrityksen www-sivut]. [Viitattu 08.01.2020]. Saatavissa:
https://www.eos.info/software/monitoring-software/meltpool-monitoring
Etteplan. 2019. Additive Manufacturing Design Case for Optimized Production.
[yrityksen www-sivut]. [Viitattu 08.01.2020]. Saatavissa:
https://www.etteplan.com/references/additive-manufacturing-design-case-optimized-production
Gandy, D & Stover, S. 2017. ICME & Process Monitoring for Qualification of Nuclear Components via LPB-AM. Electric Power Research Institute. [verkkojulkaisu]. [Viitattu 20.01.2020]. Saatavissa: https://www.nrc.gov/docs/ML1733/ML17338A885.pdf
GE Additive. 2020. Metals in Additive Manufacturing. [yrityksen www-sivut]. [Viitattu 17.02.2020]. Saatavissa:
https://www.ge.com/additive/additive-manufacturing/information/metal-additive-manufacturing-materials
Ghobodian, A., Talavera, I., & et al. 2020. Examining legitimatisation of additive manufacturing in the interplay between innovation, lean manufacturing and sustainability. International Journal of Production Economics. 457-468 s.
https://doi.org/10.1016/j.ijpe.2018.06.001
Gibson, I., Rosen, D. & Stucker, B. 2015. Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. 2nd ed. 2015. New York, NY: Springer New York. 459. ISBN 978-1-4419-1120-9.
Goehrke, S. 2019. A Look Ahead in 3D Printing with Gartner’s Pete Basiliere.
[verkkojulkaisu]. [Viitattu 25.10.2019]. Saatavissa:
https://www.fabbaloo.com/blog/2019/1/10/a-look-ahead-in-3d-printing-with-gartners-pete-basiliere
Gorsse, S., Hutchinson, C., Goune, M., & Banerjee, R. 2017. Additive manufacturing of metals: a brief review of the characteristic microstructures and properties of steels, Ti-6Al-4V and high-entropy alloys. Science and Technology of Advanced Materials. 584-610 s. ISSN 1468-6996-1878-5514.
Hujanen, J. 2018. Lean-ajattelun hyödyntäminen Engineer-to-order tuotannon kehittämisessä. Kandidaatintyö. Lappeenrannan teknillinen yliopisto, tuotantotalous.
Lappeenranta. 34 s.
Kaltenbrunner, H-G. How 3D printing is set to shake up manufacturing supply chains.
[verkkojulkaisu]. [Viitattu 17.02.2019]. Saatavissa:
https://www.theguardian.com/sustainable-business/2014/nov/25/how-3d-printing-is-set-to-shake-up-manufacturing-supply-chains
Kingsland, P. 2019. 3D printing in the railway sector with Deutsche Bahn.
[verkkojulkaisu]. [Viitattu 25.10.2019]. Saatavissa: https://www.railway-technology.com/features/3d-printing-in-the-railway-sector/
Laakso, A. 2019. Olkiluoto 3 lykkääntyy jälleen – säännöllinen sähköntuotanto alkaa 2021. [verkkojulkaisu]. [Viitattu 10.01.2020]. Saatavissa: https://yle.fi/uutiset/3-11126984
Laitinen, V. 2017. Turvallisuusluokiteltujen toimitusten vaikutus yrityksen
toimintajärjestelmään. Diplomityö. Lappeenrannan teknillinen yliopisto, LUT School of Energy Systems, Energiatekniikan koulutusohjelma. Mikkeli. 89s.
Lou, X., Andresen, P. L. & Rebak, R. B. 2018. Oxide inclusions in laser additive manufactured stainless steel and their effects on impact toughness and stress corrosion cracking behavior. Journal of Nuclear Materials, 499(C). 182-190 s.
https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.11.036
Metal AM. 2014. Additive Manufacturing and filtration: Innovations in filter design at Croft. [verkkojulkaisu]. [Viitattu 01.11.2019]. Saatavissa:
https://www.metal-am.com/additive-manufacturing-and-filtration-innovations-in-filter-design-at-croft/
Metso. 2018. First Metso valves with 3D printed parts shipped to a customer. [yrityksen www-sivut]. [Viitattu 25.10.2019]. Saatavissa:
https://www.metso.com/news/2018/12/first-metso-valves-with-3d-printed-parts-shipped-to-a-customer/
Mini. 2019. MINI Yours Customised | Next Level of Individualisation. [yrityksen www-sivut]. [Viitattu 28.10.2018]. Saatavissa:
https://yours-customised.mini/#app/en/home
Nuclear Engineering International. 2017. Printing nuclear parts. [Verkkojulkaisu].
[Viitattu 13.01.2020]. Saatavissa:
https://www.neimagazine.com/features/featureprinting-nuclear-parts-5861118/
Rushabh, H. 2017. Westinghouse chooses nuclear option for 3D printing projects due in 2018. [Verkkojulkaisu]. [Viitattu 09.11.2019]. Saatavissa:
https://3dprintingindustry.com/news/westinghouse-chooses-nuclear-option-3d-printing-projects-due-2018-123864/
Saikkonen, J (toim.). 2013. Miten tulla ydinvoima-alan alihankkijaksi? Pori:
Prizztech Oy. 92 s. ISBN 978-952-67160-4-6.
SFS-EN ISO/ASTM 52900. 2017. Materiaalia lisäävä valmistus. Yleiset periaatteet.
Terminologia. Suomi: Suomen standardisoimisliitto SFS ry. 16-20 s.
Shama, A., Pouchon, M. A. & Clifford, I. 2019. Simulation of the microfluidic mixing and the droplet generation for 3D printing of nuclear fuels. Additive Manufacturing, 26.
1-14 s. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.12.011
Siemens. 2017. Siemens sets milestone with first 3D-printed part operating in nuclear power plant. [yrityksen www-sivut]. [Viitattu 01.11.2019]. Saatavissa:
https://press.siemens.com/global/en/pressrelease/siemens-sets-milestone-first-3d-printed-part-operating-nuclear-power-plant
Siemens. 2018. Additive Manufacturing: Siemens uses innovative technology to produce gas turbines. [yrityksen www-sivut]. [Viitattu 25.10.2019]. Saatavissa:
https://press.siemens.com/global/en/feature/additive-manufacturing-siemens-uses-innovative-technology-produce-gas-turbines
STUK. 2019a. Säännöstö. [verkkojulkaisu]. [Viitattu 14.11.2019]. Saatavilla:
https://www.stuk.fi/saannosto
STUK. 2019b. Ydinlaitoksen järjestelmien, rakenteiden ja laitteiden luokittelu.
[verkkojulkaisu]. [Viitattu 09.01.2019]. Saatavissa:
https://www.stuklex.fi/fi/ohje/YVLB-2
STUK. 2019c. Laitosmuutosten valvonta. [verkkojulkaisu]. [Viitattu 20.01.2019].
Saatavilla: https://www.stuklex.fi/fi/ohje/YVLB-1
STUK. 2019d. Ydinvoimalaitoksen turvallisuussuunnittelu. [verkkojulkaisu]. [Viitattu 14.11.2019]. Saatavilla: https://www.stuk.fi/stuk-valvoo/ydinturvallisuus/stukin-ydinturvallisuusvalvonnan-tehtavat/laitosmuutosten-valvonta
Sutton, B., Herderick, E., Thodla, R., Ahlfors, M. & Ramirez, A. 2019. Heat Treatment of Alloy 718 Made by Additive Manufacturing for Oil and Gas Applications. JOM, 71(3). 1134-1143 s. https://doi.org/10.1007/s11837-018-03321-7
Thomas, K. 2016. 3D printers could slash SMR lead times from years to months.
Nuclear Energy Insider. [verkkojulkaisu]. [Viitattu 08.11.2019]. Saatavissa:
https://analysis.nuclearenergyinsider.com/3d-printers-could-slash-smr-lead-times-years-months
Yasa, E., Deckers, J. & Kruth, J. 2011. The investigation of the influence of laser re-melting on density, surface quality and microstructure of selective laser re-melting parts.
Rapid Prototyping Journal, 17(5), 312-327 s.
https://doi.org/10.1108/13552541111156450
Valdivieso, C. 2018. University of Maine creates the world’s largest 3D printed boat.
[verkkojulkaisu]. [Viitattu 25.10.2019]. Saatavissa: https://www.3dnatives.com/en/3d-printed-boat-university-of-maine-161020195/
Örnek, S. 2018. Additive manufacturing – a general corrosion perspective. Corrosion Engineering, Science and Technology, 53:7. 531-535 s.
https://doi.org/10.1080/1478422X.2018.1511327