2021
Juho Hyvärinen
3D-TULOSTUS JA ILMASTONMUUTOS
– Mahdolliset tulostuksella saavutettavat
ilmastohyödyt
Kone- ja tuotantotekniikka 2021 | 43 sivua
Juho Hyvärinen
3D-TULOSTUS JA ILMASTONMUUTOS
- mahdolliset tulostuksella saavutettavat ilmastohyödyt
Opinnäytetyön tavoitteena oli tarkastella ja tutkia 3D-tulostuksen eli ainetta lisäävän valmistuksen käyttöönottoa teollisuudessa ilmastonmuutoksen näkökulmasta. Työn sisältö ja lopputulos rakennettiin vertaisarvioitujen tutkimusraporttien pohjalta.
Työssä käsitellään yleisesti ilmastonmuutosta ja 3D-tulostusta. Työn rajaus on tehty Volvon kevyen jakeluauton moottorin ainetta lisäävään valmistukseen, jota verrataan perinteiseen valmistukseen. Ilmastohyötyjä pohditaan ja lasketaan myös lentokonevalmistuksen osalta, jonka tuloksena saadaan ilmaston kannalta positiivia tuloksia. Ainetta lisäävän valmistuksen todetaan myös vaikuttavan teollisuuden toimitusketjuihin yksinkertaistamalla niitä.
Tuloksena voidaan muodostaa arvio, että ainetta lisäävä valmistus on yksi tulevaisuuden menetelmä, jolla voidaan vähentää päästöjä liittyen kulkuneuvojen kulutukseen komponenttien keventymisen johdosta. Ainetta lisäävä valmistus myös minimoi valmistuksessa syntyvän hukan määrän, sekä lisäksi voidaan nähdä kuinka toimitusketjujen tehostuminen menetelmän myötä pienentää logistisia päästöjä, sekä muita ympäristöhaittoja. Tämän lisäksi on myös nähtävissä, että ainetta lisäävä valmistus on kiihtyvässä kasvussa ja terveysvaikutukset ovat vielä huonosti tiedossa ja niitä tulee tutkia tulevaisuutta kohti mentäessä laajasti.
ASIASANAT:
Ilmastonmuutos, 3D-tulostus, ainetta lisäävä valmistus, toimitusketju
Mechanical and Production Engineering 2021 | 43 pages
Juho Hyvärinen
ADDITIVE MANUFACTURING AND CLIMATE CHANGE
- The potential climate benefits of 3D -printing
The aim of the thesis was to examine and study the implementation of 3D-printing i.e. additive manufacturing in industry from the perspective of climate change. The content and the outcome of the work were constructed on the basis of peer-reviewed research reports.
The work discusses the climate change and 3D -printing in general. The scope of the work has been limited to the additive manufacturing of Volvo’s light distribution truck engine which is compared to a traditionally manufactured one. Climate benefits are also considered and calculated in relation to aircraft manufacturing. The impact of additive manufacturing on industrial supply chains is also highlighted.
As an outcome, it can be estimated that additive manufacturing is one of the future methods to reduce emissions related to vehicle consumption due to component lightening. Additive manufacturing also minimizes the amount of waste generated in manufacturing and it can be seen how enhancing supply chains with the method reduces logistical emissions, as well as other environmental impacts. It can also be seen that additive manufacturing is on the rise and the health effects are still poorly understood and need to be studied extensively as the technology of additive manufacturing will take foothold in the manufacturing segment.
KEYWORDS:
Climate change, 3D-printing, additive manufacturing, supply chain
KÄYTETYT LYHENTEET TAI SANASTO 7
1 JOHDANTO 8
2 OPINNÄYTETYÖN SUUNNITTELU 10
2.1 Opinnäytetyön tausta ja alueen rajaus 10
2.2 Tavoite ja tarve työlle 10
3 3D-TULOSTUS ELI AINETTA LISÄÄVÄ VALMISTUS 11
3.1 3D-tulostuksen määritelmä 11
3.2 Materiaalit 11
3.2.1 Muovit 12
3.2.2 Metallit 12
3.2.3 Keraamit 13
3.2.4 Komposiitit 13
3.3 Kustannukset 14
4 ILMASTONMUUTOS 15
4.1 Ilmastoon vaikuttavat tekijät 15
4.2 Maailman kasvihuonekaasupäästöt jaoteltuna 16
5 KASVIHUONEKAASUPÄÄSTÖJEN JAKAUTUMINEN JA PÄÄSTÖJEN SIJAINNIN
MUUTTUMINEN 17
6 KULUTTAJATAVAROIDEN TOIMITUSKETJU JA LOGISTIIKAN ERI MUODOT,
SEKÄ LIEVEILMIÖT 20
6.1 Eri kuljetuksen muotoja 20
6.2 Toimitusketju valmistajalta kuluttajalle, tapaus IKEA 22 6.3 Kuluttajatavaravirtojen kuvaajia ja niiden aiheuttamia päästöjä 23 6.4 Lentokoneteollisuuden osien toimitusketju ja AM-valmistus 26 7 AM- JA CM-MENETELMÄT PÄÄSTÖVERTAILUSSA, SEKÄ MAHDOLLISET
HAITAT 30
7.1 Tapaus Volvo D5K210 31
7.2 Ainetta lisäävä valmistus lentokoneteollisuudessa 34
8 HAITTOJA JA EPÄVARMUUKSIA AM-VALMISTUKSESSA CM-VALMISTUKSEEN
VERRATTUNA 38
9 TULOKSIA JA YHTEENVETO 39
LÄHTEET 41
KUVAT
Kuva 1. Lenkokoneteollisuuden toimitusketjuverkosto. 26
Kuva 2. Lenkokoneteollisuuden toimitusketjuverkosto ilman jakelukeskuksia. 28 Kuva 3. Potentiaaliset edut AM-valmistuksesta eri alueilta ympäristönäkökulmasta tar-
kasteluna. 37
KUVIOT
Kuvio 1. Vuosittaiset CO2 -päästöt epätarkkuuksineen. 19 Kuvio 2. Tapaus IKEA:n toimitusketju raaka-aineista asiakkaalle. 22 Kuvio 3. Polttoaineiden päästöt (ylin) ja kulutustavaroihin liittyvät päästöt. 24
Kuvio 4. Eri kasvihuonekaasupäästöjen lähteitä. 25
Kuvio 5. Lentokoneiden logistiikkaverkosto. 27
Kuvio 6. Aggregoitu varaston taso. 29
Kuvio 7. Kumulatiivinen varaston arvo. 29
Kuvio 8. Hiilidioksidipäästöt moottorin elinkaaren eri vaiheissa. 33 Kuvio 9. Perinteinen valmistus (CM) ja AM-valmistetut osat tarkasteltuna koko elinkaa-
ren energiankulutuksella. 34
Kuvio 10. Painon säästön merkitys eri kulkuneuvoryhmissä. 36
TAULUKOT
Taulukko 1. Fossiiliperäiset CO2 -päästöt eri maiden kesken. 18 Taulukko 2. D5K210-moottori. Perinteinen valmistus ja AM-valmistus. 31 Taulukko 3. Perinteisten menetelmien materiaalihukka. 31
Taulukko 4. AM-prosessien energiankäyttö. 32
Taulukko 5. Polttoaineen kulutus (litraa dieseliä) 300 000 kilometrille. 32
AM = Additive Manufacturing CM = Conventional Manufacturing DC = Distribution Centre
DED = Directed Energy Deposition
D5K210 = Volvon valmistama kevyen jakeluauton moottori FGM = Functionally Gradient Material
Jet-A1 = Vuodesta 1979 käytössä ollut lentokerosiini PBF = Powder Bed Fusion
RDC = Regional Distribution Centre RM = Re-Manufacturing
SLM = Selective Laser Melting SLS = Selective Laser Sintering SL = Service Location
WRI = World Resources Institute
1 JOHDANTO
Opinnäytetyön aiheena on 3D-tulostus on ilmastonmuutos. 3D-tulostus eli ainetta lisäävä valmistus on jatkuvasti kehittyvä ja kiihtyen yleistyvä valmistusmenetelmä. Aiheessani tarkastellaan ja pyritään muodostamaan arvio, onko menetelmästä apua ilmastonmuu- toksen vastaisessa taistelussa. Ihmisten kiihtyvä tarve saada tavaraa enemmän ja no- peammin, sekä lisäksi keskiluokkaistuvat köyhät maat pakottavat meidät löytämään rat- kaisuja kestäville menetelmille.
Ihmisten tarve kaikelle hyödykkeille on suurta ja halu kasvavaa. Samalla, kun tarve tuo- tantomäärien lisäämiselle kasvaa, on ilmastonmuutos yhä ajankohtaisempi ja uhkaa- vampi ilmiö. Teollisen tuotannon tiedetään aiheuttavan suuren osan kasvihuonekaasu- päästöistä, siis samalla kun teollisen tuotannon halutaan kasvavan. On siis välttämätön tarve löytää ratkaisuja kiihtyvien päästöjen hillitsemiseksi. Aihetta on käsitelty useissa eri vertaisarvioiduissa tutkimusraporteissa, joista on koottu tietoa tähän opinnäytetyöhön ja joiden avulla lopulta muodostetaan arviota kokonaisuudesta.
Työn tavoitteena on muodostaa arvio, onko ainetta lisäävästä valmistuksesta tehok- kaaksi työkaluksi ilmastonmuutoksen vastaisessa taistelussa. Onko menetelmä niin hyvä, ettei siitä ole mitään haittaa? Nämä ovat kysymyksiä, joita tässä työssä käsitellään.
Työssä analysoidaan 3D-tulostukseen, ainetta lisäävän valmistuksen materiaalivalikoi- maan ja tehdään katsaus ilmastonmuutokseen. Ketkä ilmastopäästöjä tuottavat nyky- ään? Samaan aikaan kun kerrotaan vähentäneemme päästöjä, tuotantoa on siirretty ke- hittyviin maihin, jossa tuotannon tekeminen aiheuttaa enemmän päästöjä vähemmän ke- hittyneen teknologian ansiosta. Tavaroiden valmistukseen liittyy monimutkaisia toimitus- ketjuja, logistisiin toimintoihin liittyy valtavia ympäristöpäästöjä ja näihin on valtava vai- kutus ainetta lisäävällä valmistuksella. Mahdollistaako ainetta lisäävä valmistus logistis- ten toimintojen vähentymistä tai varastojen taloudellisia riskejä? Näiden aihealueiden läpi kuljetaan ja samalla nähdään tilastoja eri tutkimuksista, kuinka yllättävän suuriakin vaikutuksia menetelmän käyttöönotolla on.
Joillain liikennemuodoilla on suuri merkitys kuljetettavan painon merkityksestä päästöi- hin, tästä on muodostettu esimerkkilasku, jolla nähdään miten pienestä muutoksesta voi olla niin suureksi vaikutukseksi.
Työn lopussa arvioidaan, onko esitettyihin tavoitteisiin päästy ja saadaan arviota, onko 3D-tulostus kannattavaa nyt tai tulevaisuudessa.
2 OPINNÄYTETYÖN SUUNNITTELU
2.1 Opinnäytetyön tausta ja alueen rajaus
Opinnäytetyöllä pyritään saamaan arvio, kuinka paljon ainetta lisäävällä valmistuksella voidaan vaikuttaa päästöihin tällä hetkellä ja tulevaisuudessa, sekä mitä haittoja mah- dollisesti aiheutuu. Teollisuudesta peräisin olevat hiilidioksidipäästöt syntyvät omalta osuudeltaan eri tuotteiden valmistuksesta ja niiden toimitusketjuista, mutta myös perin- teisillä menetelmillä valmistettuja osia voidaan nykyään korvata ainetta lisäävällä valmis- tuksella, jolloin niistä saadaan mm. Kevyempiä ja yksinkertaisempia. Suurimpana kasvi- huonekaasujen lähteinä olevat maat ovat Kiina ja Yhdysvallat (ks. Tarkemmin taulukko 1, sivu 17). Samalla suuri osa kulutustavaroista Euroopassa ostetaan Kiinasta, jossa ne lisäksi saatetaan valmistaa epäeettisesti, sekä tavaravirta Kiinasta Eurooppaan aiheut- taa oman osuutensa kokonaispäästöistä (Davis & Peters & Caldeira 2011, 18555).
Tässä opinnäytetyössä keskitytään ja muodostetaan arviota, onko yleistyvästä ainetta lisäävästä valmistuksesta potentiaaliseksi päästöjen vähentäjäksi nyt ja tulevaisuu- dessa.
2.2 Tavoite ja tarve työlle
Voimistuva ilmastonmuutos tuo omat haasteensa ihmisille ja luonnolle. Teknologioiden kehittyessä pystytään kuitenkin paremmin vähentämään ihmisten toiminnasta johtuvaa ilmastorasitusta. Teknologioiden kehitys ei tuo yhtä kaiken ratkaisevaa sovellusta, vaan vaikutukset koostuvat pienten tekijöiden summasta, kuten bioenergia, aurinkoenergia, vesivoima, aaltovoima, ja tuulienergia (Edenhofer ym. 2011, 209 - 535). Yhtenä vielä tällä hetkenä pienenä tekijänä on ainetta lisäävä valmistus, eli 3D-tulostus, joka kasvat- taa osuuttaan tuotteiden valmistuksessa. Menetelmällä pystytään säästämään logistii- kan aiheuttamissa päästöissä, sillä tuotteet voidaan valmistaa enemmän paikallisesti (Abhijeet ym. 2018, 853). Paikallinen tulostus lyhentää myös erikoisten osien pitkiä toi- mitusaikoja, sekä vähentää niissä tarvittavien erillisten osien määrää (Böckin & Tillman 2019, 978). Pienissä erissä tai yksittäisten kappaleiden valmistuksessa kustannukset jäävät myös perinteisiä menetelmiä pienemmäksi, suurelta osin koska työkalujen valmis- tus jää pois, samoin pienenee myös energian tarve tuotteen koko elinkaaressa mitattuna.
(Tosello, G ym. 2019, 787; Böckin & Tillman 2019, 983.)
3 3D-TULOSTUS ELI AINETTA LISÄÄVÄ VALMISTUS
3D-tulostus eli ainetta lisäävä valmistus (eng. Additive manufacturing, AM) tarjoaa jatku- vasti laajenevan materiaalivalikoiman. Tällä hetkellä on käytössä laaja valikoima eri muo- veja, metalleja, keraameja ja näiden yhdistelmiä, sekä komposiitteja. Materiaaleja käsi- tellään erilaisilla prosesseilla ja raaka-aineiden on oltava näillä prosesseille sopivassa muodossa. Myös vaatimukset kasvavat tulostettujen kappaleiden geometrisissa tole- ransseissa ja jälkikäsittelyvaatimuksissa. (Bourell ym. 2017, 660-667.)
3.1 3D-tulostuksen määritelmä
3D-tulostus eli ainetta lisäävä valmistus (eng. Additive manufacturing, AM). Ainetta lisää- vällä valmistuksella tarkoitetaan digitaalisen mallin valmistamista fyysiseen muotoon, tu- lostamalla se kerroksittain. Valmistusprosessin vaiheita ovat digitaalisen mallin luomi- nen, verkotus (eng. meshing), viipalointi (eng. slicing), valmistusreitin suunnittelu, tiedos- ton siirto tulostuslaitteelle ja tulostus. (Bouchaib & Abdelkhalak 2016, 108.)
3.2 Materiaalit
Kuten kaikissa valmistusprosesseissa, myös ainetta lisäävässä valmistuksessa syötet- tävän raaka-aineen pitää olla sopivaksi muokattua kyseiselle prosessille (jauhe, liuska, lanka, neste). Esimerkiksi altaassa tehtävälle nesteen polymeerisaatiolle ja valopolyme- rointiin perustuvalle aineen ruiskutukselle raaka-aineen pitää olla nestemäistä kerta- muovia (eng. thermoset), joka tulee muodostamaan sidoksia kun se altistetaan sopivalle elektromagneettiselle säteilylle. Materiaalin pitää lopulta pystyä osoittamaan ominaisuu- tensa sille tarkoitetussa käyttöympäristössä. Kaikista ankarimmissa käyttösovelluksissa AM-osat yleensä jälkikäsitellään mikrorakenteen parantamiseksi, huokoisuuden vähen- tämiseksi tai pinnan viimeistelyä varten vastatakseen haluttua geometrista toleranssia.
(Bourell ym. 2017, 660.)
3.2.1 Muovit
Kestomuovia (eng. thermoplastic) käytetään materiaalin pursotus (eng. material ext- rusion) ja jauhepetisulatus (eng. powder bed fusion) -prosesseissa. Molemmat sisältä- vät tuoreesen kuumaan kerrokseen tarttumisen mutta hyödyntävät eri mekanismeja. Ma- teriaalin pursotukseen soveltuu parhaiten kiteytymätön kestomuovi, kun tyypillisesti jau- hepetisulatuksessa puolikiteiset polymeerit ovat yleisesti käytössä. (Bourell ym. 2017, 661.)
3.2.2 Metallit
Jauhepetisulatus ja suorakerrostus (eng. Directed energy deposition, DED) ovat pääasi- alliset jauhepohjaiset AM-prosessit joita käytetään kaupallisesti laadukkaiden metal- liosien tulostuksessa. Metallilangan syöttöä voidaan myös käyttää jauheen sijaan suora- kerrostuksessa. Sideainesuihkutusta (eng. Binderjetting) käytetään myös metalliosien valmistuksessa. Polymeerimatriisista valmistetut osat vaativat uunitusta sidosten paran- tamiseksi, ja sintrausta ja/tai imeyttämistä (eng. Infiltration) matalamman sulamispisteen (esim. Messinki) tiheämpien osien aikaansaamiseksi. (Bourell ym. 2017, 661.)
Yleisesti kaupallisesti saatavien seosten määrä on rajattu (2017) titaaniin (Ti6Al4V), ruostumattomaan teräkseen (317L), 17-4PH ruostumattomaan teräkseen, 18Ni300 ma- raging teräkseen, AlSi10Mg, CoCrMo, sekä nikkelipohjaisia supermetalliseoksiin kuten Inconel 718 ja Inconel 625. Tämä valikoima laajenee jatkuvasti. Useat tekijät myötävai- kuttavat tähän rajattuun määrään. Kun kyseessä on fuusio, metallien tulisi yleisesti ol- tava hitsattavia ja valettavia, jotta niitä voisi käyttää AM-prosesseissa. Pieni ja liikkuva metallisula on kooltaan huomattavasti pienempi kuin lopullinen kappale (tyypillisesti 102- 104 kertaa pienempi). Tämä paikallinen kuuma alue on suorassa yhteydessä kylmem- pään ja suurempaan ympärillä olevaan alueeseen ja aiheuttaa suurta lämpötilagradient- tia johtaen merkittäviin sisäisiin jäännösjännityksiin sekä epätasapainotiloihin mikrora- kenteessa. (Bourell ym. 2017, 663.)
3.2.3 Keraamit
Johtuen korkeasta sulamispisteestä ja matalasta lujuudesta komposiitit ovat suoraan hankalia valmistaa AM-prosessissa. Alumiinioksidia ja sen seoksia on suoraan proses- soitu käyttäen suorakerrostusta ja jauhepetisulatusta, mutta täyden halutun tiheyden val- mistaminen on hankalaa. Suurimmassa osassa tapauksista, kun yritetään suoraan pro- sessoida keraameja, päädytään lämmön aiheuttamaan halkeiluun. Yritykset lieventää halkeilua edellyttävät prosessin optimointia, lisäämällä ulkoisia laitteita (ultraääni, lämpö, magneettisuus) ja seostamalla vierasta ainetta. Epäsuorassa keraamien AM-proses- sissa käytetään sideainetta jossain muodossa, mikä pitää valmistetut kappaleet muo- dossaan valmistumisen jälkeen. Tyypillisesti sideaine epäsuorassa AM-prosessissa on tilapäistä, joka muutetaan tai poistetaan jälkikäsittelyssä, niin että lopullinen kappale on puhdasta keraamia tai keraami-komposiittia. (Bourell ym. 2017, 665.)
3.2.4 Komposiitit
Komposiittien valmistuksen täytyy ottaa huomioon seuraavat tekijät: syötettävän raaka- aineen materiaali ja esivalmistelu (sula, filamentti, kuitumainen, pienhiukkasista koos- tuva), homogeenisyys ja ominaisuudet. On välttämätöntä että rajapinta matriisin ja dis- persion tai upotetun vaiheen välillä on suunniteltu kunnolliseen liitokseen, kuorman vä- littämiseen ja korroosiolta suojaamiseen. (Bourell ym. 2017, 665.)
Polymeerikomposiitit
Suulakepuristusprosessit sallivat erillisen, heterogeenisen materiaalin kerrostuksen komposiitin laminointiin. Polymeeriraaka-aineen lisäaineiden täytyy olla koostumuksel- taan sopivia muodostamaan suulakepuristetta, joka on viskositeeltiltään riittävän alhaista kerrostumaan ja tuottamaan lujuutta koko osan rakentamisen ajan. Syötettävä raaka- aine usein koostuu matriisipolymeeristä, tartunta-aineesta, notkistusaineesta, pinta-ak- tiivisesta aineesta, ja toisiovaiheista, kuten pienhiukkasista, metallikuiduista, keraa- meista tai polymeeriseoksista. (Bourell ym. 2017, 665.)
Metallikomposiitit
AM-prosessilla valmistetut metalli-matriisi komposiitit sisältävät hiukkaskomposiitteja, kuitumaisia komposiitteja, laminaatteja ja toiminnallisesti gradientteja materiaaleja (eng.
functionally gradient material). SLM (eng. Selective laser melting) ja LMD (eng. Laser metal deposition) ovat suosituimmat prosessit metallien ainetta lisäävälle valmistukselle.
On myös mahdollista valmistaa metallikomposiitteja jauhe-esiasteesta nestemäisen sintrausvaiheen (eng. Liquid phase sintering) kautta matriisimateriaalin ja toisiovaiheiden sidoksiin. Lisäaineita kuten lantaanioksidia voidaan käyttää vähentämään pintajännityk- siä ja edesauttamaan tiivistymistä. Lisäaineet joilla hallitaan rakeiden kokoa, edesautta- vat sintrausominaisuuksia ja säätävät myös lämpölaajenemiskerrointa, nämä ovat kriitti- siä kun valmistetaan toiminnallisesti gradientteja materiaaleja (FGM). (Bourell ym. 2017, 666.)
Keraami-matriisi komposiitit
Biomateriaalit ovat merkittävä tutkimusten edistäjä ainetta lisäävän valmistuksen tutki- muksessa ja keraamien ainetta lisäävän valmistuksen kehityksessä. Valittu biomateriaa- linen rakenne keraamista polyymerissa ei vaadi sintrausta tai jälkikäsittelyä ja ovat te- hokkaasti heti käytettävissä valmistuksen jälkeen. Paljon kuten biopolymeeri-komposiitit, biokeraamiset komposiitit ovat hiukkasia jotka on sekoitettu homogeenisuuden takaa- miseksi ja sitten konsolidoitu lasersintrauksella (eng. selective laser sintering) tai muulla AM-prosessilla. Sideainesuihkutusta voidaan myös käyttää muiden keraami-matriisi komposiittien valmistuksessa. Sideainesuihkutus mahdollistaa korkean mittatarkkuuden ja kompleksisen geometrian; ulokkeet, kaaret ja kennomaiset rakenteet ovat mahdollisia jauhepedin tuen ansiosta. (Bourell ym. 2017, 667.)
3.3 Kustannukset
3D-tulostimia muovin ainetta lisäävään valmistukseen saa kuluttajille jo suhteellisen edulliseen hintaan alkaen 200 dollarista aina korkealuokkaisten laitteiden useiden tuhan- sien dollarien hintaan. Teollisuuskäyttöön tarkoitetut laitteet maksavat muutamasta kym- menestä tuhannesta dollarista aina jopa sataan tuhanteen dollariin. Metallin ainetta li- säävän valmistuksen laitteet ovat vielä kalliimpia, 80 tuhannesta dollarista jopa miljoonan dollarin hintaan. Ainetta lisäävän valmistuksen laitteiden hinnat ovat laskeneet muovia tulostavien laitteiden osalta nopeammin, kuin metallia tulostavien. (Aniwaa, 2020.)
4 ILMASTONMUUTOS
Ilmastonmuutoksesta on kyse maapallon ilmaston ja merien lämpenemisestä kasvihuo- neilmiön takia. Kasvihuonekaasu imee itseensä maan pinnasta heijastuvaa auringon lämpösäteilyä sitoen sen ilmakehään ja estäen sen pääsyn takaisin avaruuteen. Tämä tapahtumaketju on kasvihuoneilmiön pääasiallinen syy, ja sen ansiosta maapallon läm- pötila pysyy riittävän korkeana elämän olemassaololle planeetallamme. Kasvihuonekaa- suja on ilmakehässä luontaisesti, mutta ihmisen toiminta lisää niiden määrää rajusti, minkä seurauksena kasvihuoneilmiö voimistuu ja maapallon ilmasto ja meret lämpene- vät. (Euroopan Parlamentti, 2018.)
Ihmisen toiminnasta peräisin olevat kasvihuonekaasupäästöt ovat nousseet esiteolliselta ajalta suurelta osin talouden ja ihmisten väkiluvun nousun johdosta ja ovat nyt korkeam- malla kuin koskaan aikaisemmin. Tämä on johtanut ilmaston hiilidioksidimäärän, metaa- nin ja typpioksidien nousuun, jotka ovat ennätyksellisen korkealla viimeiseen 800 000 vuoteen. Niiden nousun vaikutukset, yhdessä muiden ihmisen toiminnasta johtuvien te- kijöiden kanssa, ovat ilmaston perusteellisen tarkastelun johdosta erittäin suurella toden- näköisyydellä pääasiallinen syy havaittuun ilmaston lämpiämiseen. (IPCC, 2014, 8.)
4.1 Ilmastoon vaikuttavat tekijät
Ilmastonmuutokseen vaikuttavia ihmislähtöisiä tekijöitä on useita (ks. Kuvio 4, sivu 25).
Suurimpana päästölähteenä on energiasektori, johon lasketaan lämmitys ja sähköntuo- tanto, osuus 30,4 %. Toiseksi suurin sektori on kuljetussektori, joka sisältää maa-, ilma- ja meriteitse tapahtuvat tavarakuljetukset, osuus 15,9 %. Tuotanto- ja rakennussektorin osuus 12,4 % ja maatalouden 11,8 %. Pienempiä osuuksia (<10 %) ovat yksityis- ja julkisasuntojen rakentaminen, määrittelemätön polttoaineiden poltto, hetkelliset päästöt, teollisuusprosessit, maan- ja metsänkäyttö, sekä jätteiden käsittely.
4.2 Maailman kasvihuonekaasupäästöt jaoteltuna
Pääasialliset ihmislähtöiset kasvihuonekaasut ovat hiilidioksidi (CO2), metaani (CH4) ja dityppioksidi (N2O) (Palmer ym. 2018, 11754). Lähes 70 % kasvihuonekaasupäästöistä liittyy jollain tavalla energiasektoriin (Patricia Thornley & Paul adams 2018, 3) ja WRI:n mukaan lähes 12 % on peräisin maataloudesta.
Kasvihuonekaasut eivät kuitenkaan suoraan verrattavissa niiden osuuteen kaikista kas- vihuonekaasuista. Esimerkiksi maatalouden arvioidaan olevan vastuussa 65 % dityppi- oksidipäästöistä. Dityppioksidi on hyvin voimakas ja suhteellisen pitkään kestävä kasvi- huonekaasu. Jos sen vaikutus lasketaan seuraavaksi sadaksi vuodeksi, sillä on 265-310 kertaa voimakkaampi vaikutus ilmaston lämpenemiseen kuin hiilidioksidilla. Tuoreiden arvioiden mukaan kaiken kaikkiaan dityppioksidipäästöt vaihtelevat 17,5 ja 21,1 miljoo- nan tonnin välillä vuodessa. Dityppioksidilla on kaksi typpiatomia joiden molaarinen paino on 14 ja yksi happiatomi, jonka molaaripaino on 16. Tämä tarkoittaa, että 20 mil- joonaa tonnia typpeä dityppioksidin muodossa tarkoittaa 31,4 miljoonaa tonnia dityppi- oksidia, ekvivalenttina noin 9 miljardia tonnia hiilidioksidia eli noin neljännes vuosittai- sesta hiilidioksidipäästöistämme. (Isomäki 2016, 13-14).
5 KASVIHUONEKAASUPÄÄSTÖJEN JAKAUTUMINEN JA PÄÄSTÖJEN SIJAINNIN MUUTTUMINEN
Äskettäiset tutkimukset ovat osoittaneet että korkean tason elämäntyylin ylläpitäminen rikkaissa maissa tai Kiinan sisäisissä maakunnissa mahdollistuu usein sillä kustannuk- sella, että hiilidioksidipäästöt tuotetaan sellaisissa paikoissa, missä teknologian hyöty- suhde on heikkoa, toisin kuin vauraissa maissa tai maakunnissa. Vähemmälle huomiolle on myös jäänyt se, että vauraan elämäntyylin alue saattaa sijaita samassa maassa, tai maakunnassa kuin köyhä alue. Maailman suurimpana saastuttajana Kiina on tästä mai- neikas, mutta samalla tärkeä esimerkki. Kiina kamppailee tasapainottaakseen nopean taloudellisen kasvun ja ympäristökuorman kanssa maakuntien sisällä, jotka ovat hyvin erilaisissa vaiheissa taloudellisessa kehityksessä. 57 % Kiinan päästöistä (fossiiliset polttoaineet) on yhteydessä kulutustavaroihin, jotka valmistetaan muussa maakunnassa, kuin missä niitä käytetään (myös ulkomaat). (Kuishuang ym. 2013, 11654).
Kun päästöt kehittyneissä talouksissa vakautuvat, Kiina on viimeisen vuosikymmenen aikana (2009 - 2019) päätynyt 60 % päästöjen nousuun (Chen ym. 2019, 1). Crippa ym.
2019, 11 mainitsevat tutkimuksessaan samoista asioista ja havainnollistavat Kiinan päästöjen nousua kuviolla (ks. Kuvio 1, sivu 19).
Taulukko 1. Fossiiliperäiset CO2 -päästöt eri maiden kesken (Crippa ym. 2019, 12).
Kuvio 1. Vuosittaiset CO2 -päästöt epätarkkuuksineen (värilliset kaistat) (Crippa ym.
2019, 11).
Kuviosta 1. Ilmenee että Kiinan CO2 -päästöt ovat nousseet voimakkaasti 2000-luvun alusta. Taulukosta 1. Nähdään että Kiina on suurin CO2 -päästöjen tuottaja (29,7 %) ja Yhdysvallat toiseksi suurin (13,9 %).
6 KULUTTAJATAVAROIDEN TOIMITUSKETJU JA LOGISTIIKAN ERI MUODOT, SEKÄ LIEVEILMIÖT
Hallitusten välinen ilmastonmuutospaneeli IPCC arvioi, että liikenteen päästämien kas- vihuonekaasujen osuus kaikista energiaan liittyvistä kasvihuonekaasupäästöistä oli 23 prosenttia vuonna 2004. 37 % globaaleista fossiiliperäisistä päästöistä liittyvät kansain- väliseen kaupankäyntiin. Noin miljoona suomalaista kärsii melusta, euroopassa tämä lu- kema on noin 170 miljoonaa ihmistä. Kaikkein merkittävin häiriötekijä on liikenne, joka vaivaa noin 900 000:ta suomalaista. Joillekin eläimille esimerkiksi laivojen moottori- ja kaikuluotausäänet tuottavat ongelmia. Tieliikenteessä menehtyy vuodessa 1,2 miljoonaa ihmistä. Joka vuosi merillä tapahtuu 4-5 suuronnettomuutta, sekä arvion mukaan 22 pro- senttia mereen laskettavista jätteistä on peräisin laivoista. Öljypäästöt ovat myös vakava uhka merten elämälle ja lähes puolet öljypäästöistä on peräisin laivoista. Tyynellämerellä kelluu valtava jätelautta, jonka sisältö on pääasiassa pieneksi silppuuntunutta muovia, joista viidennes on peräisin laivoista ja loput rannikolta. (Tammilehto 2009, 20-30; Davis
& Peters & Caldeira 2011, 18554.)
Paikallisella kappaleen valmistuksella pystytään myös vaikuttamaan yllä mainittuihin kul- jetusmuotojen muihin lieveilmiöihin kuin päästöihin, joihin keskitytään alapuolella.
Kuviosta 4 s. 25 nähdään kuinka maailman hiilidioksidipäästöt jakautuvat kokonaisuu- dessaan eri sektoreille.
6.1 Eri kuljetuksen muotoja
Tavaraliikenne kulkee eri tavoin valmistuspaikasta käyttökohteeseen. Kuljetuksia on maanteitä ja junaraiteita pitkin, sekä meri- ja ilmateitse. Alla listattuna pääasialliset kul- jetusmuodot ja niiden päästöosuudet. Huomio: suhteessa kuljetettuihin tonneihin.
• Laivaliikenne 1,7 %
• Lentoliikenne 1,9 %
• Raideliikenne 0,4 %
• Maantieliikenne 11,9 %
Laivaliikenne on vähäpäästöisin osuudellaan (1,7 %) kuljetusten energiankäytöstä. Myös matkustaja-aluksilla kuljetetaan tavararahtia, joten tavararahdin osuus matkustaja-alus- ten kokonaispäästöistä jää pois. (Tammilehto, 2009, 24.)
Lentoliikenteen päästöt 1,9 %. IATA:n (eng. International Air Transport Association) mu- kaan (vuodesta 2014) jokaiselle vuodelle vuoteen 2034 on ennustettavissa keskimäärin 4,0 % matkustajamäärän kasvua. Koska myös matkustajalennot sisältävät tavararahtia, on tavaran osuutta mahdoton selvittää kokonaisuudessaan pelkkien tavararahtilentojen lisäksi. On kuitenkin olemassa arvio, että tavararahdin päästöjen osuus olisi noin kol- manneksen lentoliikenteen kokonaispäästöistä (Tammilehto, 2009, 33). Ainetta lisäävä- läl valmistuksella voidaan tehokkaasti vaikuttaa siirtymällä paikalliseen valmistamiseen, sekä valmistaa painokriittiseen lentokoneteollisuuteen yksinkertaisempia ja kevyempiä komponentteja. General Electric toteutti jo vuonna 2012 yhteistyössä Morris Technolo- giesin kanssa kaasuturbiinin polttoainesuuttimen valmistuksen AM-menetelmällä. Val- mistustapa muutti tarvittavien osien määrän 20:stä osasta yhteen osaan, johtaen myös 25 % painonsäästöön ja vähentyneeseen kokoonpanoaikaan. Osien väheneminen myös virtaviivaistaa toimitusketjuja. (General electric, 2021).
Raideliikenteen osuus on 0,4 %. Raideliikenteen kuljetuskalusto on kuitenkin Hinrich &
Lambertin mukaan suhteellisen painokriittinen sovellus verrattuna henkilö- tai rekka-au- toliikenteeseen. Maantierahtiliikenne on suuripäästöisin osuudellaan (11,9 %) kuljetus- ten energiankäytöstä.
Vuonna 2016 kasvihuonekaasupäästöistä energiasektori aiheutti 73,2 % kaikista pää- töistä, joista kuljetukset 16,2 %. Myös tuotteiden valmistuksesta aiheutuu omat pääs- tönsä. Havainnollistava kuvio 4 s. 25. (World Resources Insitute, 2016.)
6.2 Toimitusketju valmistajalta kuluttajalle, tapaus IKEA
Kuviosta 2 nähdään, että tuotteen toimitusketju alkaa raaka-aineen valmistuksesta, jotka siirtyvät osien valmistajille. Tämän jälkeen pienosat siirtyvät valmistajille, jotka kokoavat valmiin tuotteen. Valmiit tuotteet toimitetaan jakelukeskuksiin ja tavarataloihin, joista asi- akkaat voivat noutaa, tai tilata niitä. Raaka-aineiden, pienosien, kokoonpanon ja asiak- kaiden välillä käytetään kaikkia logistiikan eri muotoja.
Kuvio 2. Tapaus IKEA:n toimitusketju raaka-aineista asiakkaalle (Mukailtu, Jonsson &
Rudberg & Holmberg 2013, 337-350).
6.3 Kuluttajatavaravirtojen kuvaajia ja niiden aiheuttamia päästöjä
Vuoden 2004 kuviosta (ks. Kuvio 3, sivu 24) nähdään että suuri osa kulutustavaroista tulee Eurooppaan pitkän kuljetusprosessin kautta, monesti useamman kuin yhden maanosan kautta. Vuonna 2004 kulutustavaroihin yhdistettyjä päästöjä syntyi 6,4 miljar- dia tonnia hiilidioksidia (Davis & Peters & Caldeira 2011, 18554). Vuosina 2004-2018 Kiinan kasvihuonekaasupäästöt nousivat yli 80 % voimakkaan talouskasvun, sekä myös aikaisemmin kehittyneiden maiden ulkoistettua tuotantoaan Kiinaan. (Crippa ym. 2019, 11; Kuishuang ym. 2013, 11654.)
Kuvio 3. Polttoaineiden päästöt (ylin) ja kulutustavaroihin liittyvät päästöt (keskellä) sekä alhaalla näiden yhdistelmä (Davis & Peters & Caldeira 2011, 18555).
Kuvio 4. Eri kasvihuonekaasupäästöjen lähteitä (World Resources Institute, 2016).
6.4 Lentokoneteollisuuden osien toimitusketju ja AM-valmistus
Yhdysvalloissa Abhijeet, G. Ym. Tekemän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää, miten AM-valmistuksen käyttöönotto vaikuttaa lentokoneen valmistuksen osien toimitusketjun verkostoon. AM- ja CM (eng. Conventional manufacturing) -menetelmillä ylläpidettyjen varastojen ominaisuuksia tutkittiin ja verrattiin keskenään, sekä lopuksi saatiin tuloksia radikaalista toimitusketjun tehokkuuden noususta. AM-menetelmä auttaa tasapainotta- maan varastoja ja nostamaan vasteaikoja, samalla kun toimitusketjuverkon häiriöt ja hii- lidioksidipäästöt vähenevät. Myös varastotavarojen arvo saadaan pidettyä pienempänä ja näin pienennettyä riskejä osien käyttöönottoon liittyen.
Kuvasta 1 nähdään lentokoneteollisuuden esimerkin toimitusketjuverkon rakenne. Kel- taiset pisteet ovat alkuperäisosien valmistajia (eng. Original equipment manufacturer, OEM), punaiset ovat huoltopisteitä (eng. Service location, SL) ja oranssit jakelukeskuk- sia (Regional distribution centre, RDC). Kuviosta 5 s. 27 nähdään lentokoneiden logis- tiikkaverkosto.
Kuva 1. Lenkokoneteollisuuden toimitusketjuverkosto (Abhijeet ym. 2018, 852).
Kuvio 5. Lentokoneiden logistiikkaverkosto (Abhijeet ym. 2018, 851).
Kuva 2. Lenkokoneteollisuuden toimitusketjuverkosto ilman jakelukeskuksia (Abhijeet ym. 2018, 853).
Kuva 2 näyttää AM-valmistuksen ottamisen mukaan varaosavarastojen hallinnassa.
Tässä tilanteessa jokaisessa huoltokeskuksessa on AM-valmistukseen sopivat laitteet, joten huoltokeskus voi itse vastata varaosatarpeeseen ilman ostotilauksen tekemistä.
OEM-valmistaja on edelleen osa verkostoa, mutta se tuottaa nyt raaka-aineita AM-val- mistukseen, valmiiden osien sijaan. (Abhijeet ym. 2018, 852.)
Kuvio 6. Aggregoitu varaston taso (Abhijeet ym. 2018, 856.)
Kuvio 7. Kumulatiivinen varaston arvo (Abhijeet ym. 2018, 856.)
Kuviot 6 ja 7 osoittavat miten AM-valmistus vaikuttaa varastojen tasoon tavaran mää- rässä mitattuna, sekä varaston arvoon. Huomaa: (a) osoittaa CM-valmistuksen ja (b) AM-valmistuksen. Kuviot 6 ja 7, sekä kuvat 1 ja 2 osoittavat miten AM-menetelmät mah- dollistivat varastoissa olevan tavaran vähentämisen ja varaston arvon vähenemisen. Va- rastoissa olevan tavaran jaksollisen vaihtelu tasoittui myös huomattavasti.
7 AM- JA CM-MENETELMÄT PÄÄSTÖVERTAILUSSA, SEKÄ MAHDOLLISET HAITAT
Kuviosta 2 voidaan nähdä mikä on tuotteen tavallinen reitti raaka-aineesta valmiiksi tuot- teeksi asiakkaalle. Ainetta lisäävä valmistus tarvitsee myös raaka-ainetta joita käsitel- lään pääluvussa 3. Kappaleen valmistus on kuitenkin itsessään jo luontaisesti vähem- män tuhlaavaa, sillä kappaleen valmistuksessa raaka-ainetta annostellaan ainoastaan kappaleen muodon vaatimalla tavalla ja hukkamateriaalin muodostuminen minimoituu (Kunovjanek & Reiner 2019, 1; Böckin & Tillman 2019, 978). Mahdollisia haittapuolia ovat valmistuksen kasvanut energiantarve ja valmistusaika, sekä rajoitettu valmistetta- van kappaleen koko. Kasvanut valmistusaika on haitallista massatuotantoa ajatellen.
(Böckin & Tillman 2019, 1.)
Ainetta lisäävällä valmistuksella kappaleiden rakenteet yksinkertaistuvat, mikä helpottaa kokoonpanoa, sekä myös komponenttien paino ja määrä vähenee, mikä vähentää kul- kuneuvojen polttoaineen kulutusta. Teknologia mahdollistaa myös kappaleiden energia- tehokkuuden esimerkiksi rakenteisiin mallinnetuilla jäähdytyskanavilla. Hankalien kap- paleiden valmistus tulostamalla ei myöskään itsessään tarkoita että ne olisivat arvok- kaita, sillä valmistus tapahtuu monimutkaisissakin kappaleissa kerroksittain rakentu- malla. Erikoiskappaleiden valmistusaika lyhenee myös reilusti ja varaosien saatavuus paranee, mikä myös pienentää tarvittavaa varastotilaa tuotantolaitoksissa. Tulostamalla saatu ajansäästö erikoiskappaleissa mahdollistaa myös räätälöidyn osan valmistamisen esimerkiksi tunnettuun heikkoon kohtaan materiaalin lisääminen. (Böckin & Tillman 2019, 978.)
7.1 Tapaus Volvo D5K210
Ruotsissa vuonna 2018 Daniel Böckin ja Anne-Marie Tillman tekivät yhdessä Volvon asiantuntijoiden kanssa tutkimuksen liittyen ainetta lisäävään valmistukseen ja päästöi- hin. Tutkimuksessa huomioitiin koko elinkaaren aikaiset päästöt ja niitä verratiin ainetta lisäävän valmistuksen ja perinteisen valmistuksen kesken. Tutkimuskohteena oli Volvon valmistama kevyen jakeluauton moottori, joka on perinteisen metalliteollisuuden tuote.
Nyt kuitenkin osuuksia siitä pystyttiin valmistamaan ainetta lisäävällä valmistuksella ja sitä myötä pystyttiin tekemään erilaisia säästöjä painon ja tätä myötä päästöjen suhteen.
Taulukko 2. D5K210-moottori. Perinteinen valmistus ja AM-valmistus (Böckin & Tillman 2019, 980).
Materiaali S0 (kg) S1 (kg) S2 (kg)
Alumiini 61,7 49,8 47,3
Valurauta 275,6 233,7 3,4
Niukkaseosteinen teräs
150,2 107 325,4
Ruostumaton teräs 27 89,7 27,4
Muut osat 18,7 18,7 14,1
Yhteensä 533,3 498,9 417,7
Taulukossa 2 on esitettynä kevyen jakeluauton moottorin valmistus perinteisen mootto- rinvalmistuksen tavalla (S0) ja ainetta lisäävän valmistuksen keinoilla (S1 ja S2). S1 sa- rake näyttää tämän hetkisen (2019) AM-valmistuksen tason ja S2 on arvio lähitulevai- suudesta uusien menetelmien myötä. (Böckin & Tillman 2019, 979.) Perinteisen valmis- tuksen arvoihin ei ole laskettu mukaan hukkamateriaalin painoa.
Taulukko 3. Perinteisten menetelmien materiaalihukka (Böckin & Tillman 2019, 981).
Prosessi Hukka (%) valuissa ja koneistuksessa
Alumiinin valu 10,4
Raudan valu 6,04
Teräs (korkeaseosteinen) koneistus 47,1 Teräs (matalaseosteinen) koneistus 60,0
Taulukosta 3 nähdään, että perinteisin menetelmin valmistetut moottorinosat tuottavat materiaalihukkaa 6,04 % - 60,0 %. Ainetta lisäävässä valmistuksessa tämä hukka tulee minimoiduksi, joitain tukirakenteita mahdollisesti tarvitsee muodosta ja materiaalista riip- puen. Ainetta lisäävässä valmistuksessa kuitenkin on haittana kasvanut energiantarve, joka esitetään taulukossa 4 alla.
Taulukko 4. AM-prosessien energiankäyttö (Böckin & Tillman 2019, 981).
Materiaalit Sulatusenergia (Mj/kg) Kaasuntuotanto ja pai- neistus (Mj/kg)
Terässeokset 2,5 0,44
Alumiini 1,15 0,44
Nikkeliseokset 2,5 0,44
Taulukko 5. Polttoaineen kulutus (litraa dieseliä) 300 000 kilometrille (Böckin & Tillman 2019, 981).
Valmistusmenetelmä Ajoneuvolle kohdistettu polttoaineen kulutus (l)
Moottorille kohdistettu polttoaineen kulutus (l)
S0 82500 3141
S1 82171 2929
S2 81399 2430
Taulukosta 5 nähdään, että valmistamalla kevyen jakeluauton moottori ainetta lisäävän valmistuksen keinoilla, on mahdollista säästää polttoaineen kulutuksessa. Koska ajoneu- volla on tietty sallittu suurin kokonaismassa, täytetään keventyneen moottorin tarjoama painovara suuremmalla lastilla, jolloin suurempi määrä lastia kulkee AM-valmistuksen ansiosta samalla polttoainemäärällä. (Böckin & Tillman 2019, 981).
Kuvio 8. Hiilidioksidipäästöt moottorin elinkaaren eri vaiheissa (Böckin & Tillman 2019, 983).
Kuviosta 8 nähdään miten moottorin valmistusvaiheessa ainetta lisäävä valmistus kas- vattaa hiilidioksidipäästöjä. Syynä tähän on ainetta lisäävän valmistuksen korkeampi energiantarve verrattuna perinteiseen valmistusmenetelmään, tähän voidaan vaikuttaa käyttämällä uusiutuvia energiamuotoja. Polttoaineen valmistuksen tarve laskee pienen- tyneen polttoaineen kulutuksen myötä, joka selittyy pienentyneellä ajoneuvon painolla.
Myös moottorin elinkaaren lopussa on nähtävillä suurempi (negatiivisesti isompi palkki) hiilidioksipäästöjen hyöty. Tämä selittyy mm. Metallien uusiokäytöllä, joista osa pysty- tään hyödyntämään täysin, mutta osa metallilaaduista ei saavuta täyttä uudelleenkäyt- töastetta. (Böckin & Tillman 2019, 983). Metallien kierrätyksen uudelleenkäyttöaste on kuvattuna taulukossa 6 alla.
Taulukko 6. Eri metallien palautusmisaste kierrätyksessä (Böckin & Tillman 2019, 981).
Materiaali Palautumisaste (%)
Alumiini 95
Valurauta 90
Kupari 83
Ruostumaton teräs 87
Teräs 100
7.2 Ainetta lisäävä valmistus lentokoneteollisuudessa
Lentokoneen komponenttien valmistaminen perinteisten menetelmien sijaan ainetta li- säävän valmistuksen menetelmillä on tehokas tapa vähentää ilmastovaikutuksia, sillä lentokoneissa jokainen painossa säästetty 100 kg vähentää tarvittavan polttoaineen energiamäärää 13.4-20.0 TJ lentokoneen keskimääräisen 30 vuoden käyttöiän aikana (Huang, R ym. 2016, 1567). Tämä tarkoittaa käytettäessä Jet A-1 lentopolttoainetta 386167-576369 litran säästöä 30 vuoden lentokoneen käyttöiän aikana. Jet A-1 lento- polttoaineen energiatiheys on 34,7 MJ/litra (Langton, R. Ym. 2009, 205).
Kuvio 9. Perinteinen valmistus (CM) ja AM-valmistetut osat tarkasteltuna koko elinkaaren energiankulutuksella (Huang, R ym. 2016, 1565).
Kuviosta 9 nähdään kuinka tiettyjen osien valmistaminen AM-menetelmällä pienentää osan koko elinkaareen kohdistettua energiankulutusta.
Lasketaan vyön soljen AM-valmistuksen edut perinteisen valmistuksen sijaan Airbus A380 lentokoneessa, jossa on 853 istuinpaikkaa (Airbus 2020). Painon säästö per vyön solki on 0,09 kg, istuinpaikkoja on 853, joten yhteensä painon säästö on 76,77 kg. Käy- tettäessä Huang, R. ym. Tutkimukseen perustuvaa arviota jokaista 100 kg säästettyä
painokiloa kohden, säästöä tarvittavassa polttoaineen energiasisällössä litroiksi muutet- tuna tapahtuisi 296 461-442478 litraa 30 vuoden lentokoneen käyttöniän aikana, oletuk- sena että seuraavat 30 vuotta käytetään samaa lentopolttoainetta (Jet-A1), jonka ener- giasisältö on 34,7 MJ/litra.
Kun tarkastellaan Böckin ja Tillmanin 2019, sekä Huang, R. Ym. 2016 tutkimustuloksia ainetta lisäävän valmistuksen soveltamisesta teollisuudessa puhtaamman tuotannon puolesta, nähdään että mitä enemmän painokriittisemmästä sovelluksesta on kysymys, sitä merkittävämmäksi AM-valmistettujen osien tarve kasvaa (vrt. autoteollisuus ja len- tokoneteollisuus). Ainetta lisäävän valmistuksen haittapuolena nähdään valmistusvai- heen kasvanut energiantarve, mihin voidaan kuitenkin vaikuttaa käyttämällä uusiutuvia energiamuotoja. Edut olivat kuitenkin myös vähemmän painokriittisemmällä autotellisuu- den alalla haittoja suurempia, kun tarkastellaan koko elinkaaren komponentteihin koh- distettua energiankulutusta.
7.3 Varaosat ja ainetta lisäävä valmistus
Varaosien toimittajat kärsivät korkeista varastointi- ja jakelukuluista monilla teollisuuden- aloilla (Kellens, K. Ym. 2017, 60). Holmström ym. 2010 ja Pérès ym. 2006 esittivät en- simmäisinä ainetta lisäävän valmistuksen potentiaalin tulevan perustaksi uusissa toimin- tamalleissa varaosien toimitusketjun hallinnassa. Keskitetty ainetta lisäävän tulostuksen toimipaikka todennäköisesti vähentäisi tarvittavaa varastointitilaa, koska pieniä määriä varaosia pystytään siten tulostamaan suoraan tarpeeseen, hajautettu AM-valmistus voisi ratkaista varastointiongelmat ja perinteisen jakelun ongelmat. (Holmström & Gutowski 2017, 21-24.)
Komponenttien korjaus ja uudelleentuotanto (eng. Remanufacturing) ovat yksi päästra- tegia jätehierarkiassa. AM-menetelmät ovat kykeneväisiä korjaamaan tai tekemään uu- siotuotantoa komponenteista, joiden tuotanto on lopetettu ja voivat näin pidentää kom- ponenttien elinikää, jolloin tarvitaan vain osa siitä energiasta joka tarvittaisiin uuden osan valmistamiseen perinteisellä menetelmällä. On arvioitu että kuviomeistin uusiotuotanto AM-menetelmällä kuluttaa energiaa 8 GJ. Uuden työkalun valmistaminen kuluttaa ener- giaa 16,5 GJ. Uusiotuotannon menetelmä tarjoaa karkeasti noin 50 % säästön energi- ankulutuksessa. (Kellens, K. Ym. 2017, 60.)
7.4 Painon merkitys eri sovelluksissa
Kuvio 10. Painon säästön merkitys eri kulkuneuvoryhmissä (Hinrich & Lambrecht 2007, 5). Huomaa: logaritminen taulukko.
Painon vähennys johtaa merkittäviin käyttövaiheen (eng. Use phase) energiasäästöihin.
Kuitenkin, huomattavia eroja on löydetty eri kulkuneuvoryhmien välillä. Suurin kollektiivi- nen kohde painon vähennyksellä saatavaan energiansäästöön ovat yksityiset henkilö- autot. (Hinrich & Lambrecht 2007, 5).
Käyttövaiheen korkein energiankulutus on lentokoneilla, joihin saadaan myös painoa vä- hentämällä korkein vaikutus aikaiseksi sataa painokiloa kohden. Lentojen määrän en- nustetaan lisääntyvän neljän prosentin vuosittaista vauhtia vuoteen 2034 asti, joten tälle kulkuneuvoryhmälle on jo aloitettu tekemään merkittäviä energiatehokkuustoimia. Len- tokoneissa ylimääräinen paino on suuri kuluerä polttoaineen hinnan myötä. (IATA 2014;
Hinrich & Lambrecht 2007, 6).
Kellens ym. Esittävät havainnollistavan kuvan (Kuva 3. s. 37) kuinka todennäköistä ai- netta lisäävän valmistuksen esiintyminen tulee olemaan eri valmistuksen alueilla. Lento- kone- ja avaruusteollisuuden kevyet komponentit tuottavat suuren hyödyn, samalla kun niiden valmistuserät eivät ole suuria ja näin soveltuvat erityisen hyvin ainetta lisäävän
valmistuksen piiriin. Toinen ääripää on massatuotanto jossa valmistetaan suuria määriä samankaltaisia osia. Kuvan keskellä on nähtävillä epäselvä keltainen alue, jossa tapauk- sesta riippuen voidaan hyödyntää ainetta lisäävää valmistusta.
Kuva 3. Potentiaaliset edut AM-valmistuksesta eri alueilta ympäristönäkökulmasta tar- kasteluna (Kellens, K. Ym. 2017, 62).
8 HAITTOJA JA EPÄVARMUUKSIA AM-
VALMISTUKSESSA CM-VALMISTUKSEEN VERRATTUNA
Luvussa 7 mainittiin jo osa haitoista, kuten ainetta lisäävän valmistuksen kasvanut ener- giantarve (Kellens ym. 2017; Böckin & Tillman 2019). Kohtala (2015) pitää myös huolen- aiheena suurempaa yksityisen henkilön altistumista toksisille materiaaleille ja päästöille, sekä ympäristöpäästöjen säännöstelyn puuttumista. Kellensin ym. (2017) mukaan toksi- kologiset ja ympäristövaarat, kuin myöskään turvallisuusongelmat AM-valmistuksessa eivät ole nykyisellään hyvin tiedossa ja kaipaavatkin tarkempaa tutkimusta tulevaisuu- dessa. Potentiaalisia terveysongelmia voivat olla vakava silmä- ja ihoärsytys, sekä aller- giset ihoreaktiot ja inhalaatioriski. Näin ollen asianmukainen pölynpoisto ja ilmanvaihto, sekä asianmukaiset käsi- ja silmäsuojaimien käyttö on vahvasti suositeltavaa.
Kellens ym. (2017) sekä Böcking ja Tillman (2019) mainitsevat pääasiallisena AM-val- mistuksen huonona puolena soveltumattomuuden massatuotantoon. AM-valmistuksen etu muodostuu pienistä valmistuseristä tai yksittäiskappaleista, sekä erityisen hankalista kappaleista valmistaa perinteisillä menetelmillä.
Kaikissa tutkimuksissa kuitenkin nähdään yhteisenä se, että AM-valmistuksen nopealla lisääntymisellä voidaan saavuttaa lukuisia etuja, mutta nopealle lisääntymiselle nähdään kuitenkin vaatimuksena laajaa lisätutkimuksien tarvetta liittyen mm. Mahdollisiin terveys- haittoihin.
9 TULOKSIA JA YHTEENVETO
Opinnäytetyön tavoitteena oli tuottaa arvio ja kartoittaa, onko AM-menetelmistä CM-me- netelmien korvaajaksi, sekä saavutetaanko menetelmällä ilmastohyötyjä. Vastaukset ei- vät ole yksiselitteisiä, menetelmä laajasti levinneenä on liian vähän tutkittu mm. Terveys- vaikutuksista tällä hetkellä, mutta ilmastohyödyistä on positiivista näyttöä.
AM-valmistus on jatkuvassa kasvussa, kasvu on ollut viime vuosina kiihtyvää ja tulosti- mia alkaa löytyä jo kuluttajaystävälliseen hintaan. Myös teollisuudessa AM-valmistus on kasvattanut jatkuvasti osuuttaan tuotannosta. AM-valmistus soveltuu erilaisiin tuotannon muotoihin, parhaimmillaan se on yksittäisten ja hankalien kappaleiden valmistuksessa, heikoimmillaan taas suurissa sarjatuotantoerissä.
Ilmastonmuutos on ihmiskunnan uhka, jonka vaikutukset tulevat kasvamaan kohti tule- vaisuutta mentäessä. Ilmastonmuutos tapahtuu tutkijoiden mukaan ihmisen toiminnan seurauksena hyvin suurella todennäköisyydellä. Hiilidioksidi ja muut kasvihuonekaasut ovat suurelta osin erilaisten teollisuuden prosessien tai niihin liittyvien toimitusketjun osien, kuten logistiikan aiheuttamaa. AM-valmistuksella pystytään puuttumaan ilmaston- muutokseen. Menetelmä ei ole kaiken kattava ratkaisu, vaan yksi monista tekijöistä mitä tarvitaan tulevaisuudessa.
Merkittävimpiä vaikutuksia mitä AM-valmistus tarjoaa, on komponentit joista saadaan valmistettua kevyempiä, kuin perinteisellä menetelmällä, sekä lisäksi komponenttien val- mistukseen ei tarvita työkaluvalmistusta, sekä hukkamateriaalin määrä pystytään mini- moimaan. Tehokkaimpia vaikutuskohteita ovat painokriittiset sovellukset, kuten lentoko- neet. Niissä jokainen säästetty painokilo tuottaa valtavan energiasäästön polttoaineen muodossa. Lentojen määrän tiedetään kasvaneen ja ennustetaan nousevan noin neljän prosentin vuosittaista vauhtia aina vuoteen 2034 asti, joten kasvava ja samalla selkeä kohde AM-valmistettujen osien käytölle ovat lentokoneet. Lentokoneteollisuus on ottanut menetelmän jo osittain käyttöön, sillä ympäristösyiden lisäksi polttoaine on taloudellisesti suuri kuluerä.
AM-valmistus on kuitenkin lisääntymässä ja yksinään siitä ei vielä ole korvaamaan kaik- kia perinteisen menetelmän avulla valmistettavia tuotteita. AM-valmistus suuresti levit- täytyneenä menetelmänä on vielä varsin tuntematon mm. Terveys- ja ympäristövaiku- tuksiltaan. Menetelmän yleistyessä on suoritettava lukuisia ja laajoja tutkimuksia
terveyteen ja ympäristöön liittyen. Tutkimusten perusteella potentiaalisia terveyshaittoja ovat erilaiset iho- ja silmäoireet, sekä inhalaatioriski.
Tutkimuksen mukaan toimitusketjujen yksinkertaistaminen, tehostaminen, luotettavuu- den parantaminen, sekä taloudellisten riskien pienentäminen on mahdollista AM-valmis- tuksella. Tästä on saatu tutkimusnäyttöä erityisesti lentokoneteollisuuden varaosatoimi- tusverkostoissa. Myös toimitusketjujen tehostumisella on osuutensa hiilidioksidipäästö- jen vähenemisellä, sillä logistiset toiminnot vähenevät.
Myös ajankohtainen ilmiö on, miten kehittyneet maat ovat vähentäneet päästöjään, sa- malla kun tuotantoa on siirretty kehittyviin maihin, kuten Kiinaan tärkeänä esimerkkinä.
Useamman maanosan läpi kulkevat tavarat aiheuttavat hiilidioksidipäästöjä, ennen kuin valmistuslaitoksella tehty tavara on päätynyt kuluttajalle. Toimitusketjun AM-tuetulla te- hostamisella on suuri vaikutus näihin päästöihin.
Myös AM-menetelmien käyttöönotto nähtiin varastojen pienenemisenä, sillä erilaisia tuotteita pystytään valmistamaan kysynnän mukaan. Hankalien erikoisvaraosien toimi- tusajat myöskin lyhenevät, joka mahdollistaa nopeamman tuotannon jatkumisen. Tuo- tannon tekeminen yleisesti on se, mikä päästöjä aiheuttaa, joten tämän opinnäytetyön näkökulmasta se ei ole hyvä asia.
Tuotteiden elinkaaren jatkaminen myös nousi esiin, kun punnittiin mihin kaikkea AM- menetelmiä voidaan käyttää. Pitkään käytössä olleiden laitteiden valmistus on yleensä lopetettu, myös varaosien valmistus saatetaan lopettaa kun aikaa on kulunut tarpeeksi.
AM-valmistus on parhaimmillaan, kun voidaan valmistaa varaosa tai korjata vanhaa osaa. Varaosan yksittäistä valmistusta varten ei tarvitsee valmistaa työkaluja, tietyissä tapauksissa tämä säästää karkeasti jopa 50 % tarvittavasta energiamäärästä.
Opinnäytetyössä käytettiin ainoastaan vertaisarvioituja tutkimusraportteja, kokoamilleni tiedoille on nähtävissä useampi lähteitä, eikä näissä esiintynyt ristiriitoja keskenään.
Nähtävillä on konsensus tutkimusten välillä, joita olen koonnut tähän opinnäytetyöhön.
Jatkotutkimusalueina pidän merkittävimpänä terveyshaittoja, sillä jos tulevaisuudessa siirrytään enemmän paikalliseen valmistamiseen, jopa kotivalmistamiseen, on terveys- vaikutusten ja niitä suojautumisen oltava hyvin tunnettua.
LÄHTEET
Abhijeet, G.; Georgia, K. Atanu, C. & Aravindan, S. 2018. Impact of additive manufacturing on aircraft supply hain performance: A system dynamics approach. Journal of manufacturing tech- nology management. Vol. 29. Nro. 5. 846-865. Viitattu 07.12.2020. https://www-proquest- com.ezproxy.turkuamk.fi/docview/2042765628/fulltextPDF/58F081B54A1745A3PQ/1?ac- countid=14446
Airbus.com. 2020. Airbus A380 lentokoneen tiedot. Viitattu 25.11.2020. https://www.air- bus.com/aircraft/passenger-aircraft/a380.html
Aniwaa.com. 2020. Tulostimien hintoja. Viitattu 26.10.2020. https://www.aniwaa.com/buyers- guide/3d-printers/best-metal-3d-printer/.
Bouchaib Radi & Abdelkhalak El Hami. 2016. Material forming processes: simulation, drawing, hydroforming and additive manufacturing. ISTE, Lontoo.
Bourell, D.; Kruth, J.P. Leu, M. Levy, G. Rosen, D. Beese, A. & Clare, A. 2017. Materials for additive manufacturing. CIRP Annals. Vol. 66. Nro. 2. 659-681. Viitattu 14.09.2020. https://www- sciencedirect-com.ezproxy.turkuamk.fi/science/article/pii/S0007850617301488?via%3Di- hub#fig0005
Böckin Daniel & Tillman Anne-Marie. 2019. Environmental assessment of additive manufacturing in the automotive industry. Journal of cleaner production. Vol 226. 977-987. Viitattu 20.11.2020.
https://turkuamk.finna.fi/Primo/Search?join=AND&bool0%5B%5D=AND&op0%5B%5D=con- tains_all&lookfor0%5B%5D=raw+material+for+additive+manufacturing&type0%5B%5D=All- Fields&op0%5B%5D=contains_all&lookfor0%5B%5D=&type0%5B%5D=All-
Fields&op0%5B%5D=contains_all&lookfor0%5B%5D=&type0%5B%5D=AllFields&submit=Hae Chen, Q.; Löschel, A. Pei, J. Peters, G. Xue, J. & Zhao, Z. 2019. Structural change and economic dynamics. Vol. 49. 1-12. Viitattu 06.11.2020. https://turkuamk.finna.fi/PrimoRecord/pci.cdi_cross- ref_primary_10_1016_j_strueco_2019_03_004
Crippa, M.; Oreggioni, G. Guizzardi, D. Muntean, M. Schaaf, E. Lo Vullo, E. Solazzo, E. Monforti- Ferrario, F. & Ovivier, J. 2019. Fossil CO2 and GHG emissions of all world countries. Viitattu 07.10.2020. https://ec.europa.eu/jrc/en/publication/eur-scientific-and-technical-research-re- ports/fossil-co2-and-ghg-emissions-all-world-countries-0
Edenhofer, O.; Pichs-Madruga, R. Sokona, Y. Seyboth, K. Kadner, S. Zwickel, T. Eickemeier, P.
Hansen, G. Schlömer, S. & von Stechow, C. 2011. Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation: Special Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Viitattu 10.12.2020. https://ebookcentral.proquest.com/lib/turkuamk-ebooks/reader.action?do- cID=833513
Euroopan Parlamentti. 2018. Kasvihuonekaasupäästöt EU:ssa ja maailmalla. Viitattu 26.10.2020.
https://www.europarl.europa.eu/news/fi/headlines/society/20180301STO98928/kasvihuonekaa- supaastot-eu-ssa-ja-maailmalla-infografiikka
General Electric. 2021. Aviation and aerospace industry. Viitattu 08.02.2021.
https://www.ge.com/additive/additive-manufacturing/industries/aviation-aerospace
Hinrich Helms & Lambrecht Udo. 2007. The Potential Contribution of Light-Weighting to Reduce Transport Energy Consumption. Institute for Energy and Environmental Research. Viitattu 04.12.
2020. https://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.508.7635&rep=rep1&type=pdf Holmström, J. & Gutowski, T. 2017. Additive manufacturing in operations and supply chain man- agement: No sustainability benefit or virtuous knock-on opportunities? Vol. 21. Nro. 1. 21-24.
Viitattu 29.11.2020. https://turkuamk.finna.fi/PrimoRecord/pci.cdi_gale_infotracacademicone- file_A514437066
Huang, R.; Riddle, M. Graziano, D. Warren, J. Das, S. Nimbalkar, S. Cresko, J. & Masanet, E.
2016. Energy and emissions saving potential of additive manufacturing: the case of lightweight aircraft components. Journal of cleaner production. Vol. 135. 1559-1570. Viitattu 25.11.2020.
https://turkuamk.finna.fi/PrimoRecord/pci.cdi_osti_scitechconnect_1286800
IPCC. Fifth assessment report. 2014. Viitattu 08.10.2020. https://www.ipcc.ch/site/as- sets/uploads/2018/02/AR5_SYR_FINAL_SPM.pdf
Isomäki Risto. 2016. Meat, mild and climate. Why it is absolutely necessary to reduce the con- sumption of animal products. Into, Helsinki.
Jonsson Patrik & Rudberg Martin & Holmberg Stefan. 2013. Centralised supplychain at IKEA.
Supply chain management. Vol 18. Nro 3. 337-350. Viitattu 17.11.2020. https://tur- kuamk.finna.fi/PrimoRecord/pci.cdi_swepub_primary_oai_research_chal-
mers_se_f4a58454_903a_4e84_96fc_6805a0038476
Kellens, K.; Baumers, M. Gutowski, T. Flanagan, W. Lifset, R. & Duflou, J. 2017. Environmental Dimensions of Additive Manufacturing: Mapping Application Domains and Their Environmental Implications. Journal of industrial ecology. Vol. 21. Nro. 1. 49-68. Viitattu 29.11.2020. https://web- a-ebscohost-com.ezproxy.turkuamk.fi/ehost/pdfviewer/pdfviewer?vid=1&sid=36d2018f-4dc0- 4823-875d-752b6c859918%40sdc-v-sessmgr03
Kuishuang, F.; Steven, J. D. Laixiang, S. Xin, L. Dabo, G. Weidong, L. Zhu, L. & Klaus, H. 2013.
Proceedings of the National Academy of Sciences – PNAS. Vol. 110. Nro. 28. 11654-11659.
Viitattu 05.11.2020. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3710878/
Kunovjanek Maximilian & Reiner Gerald. 2019. How will the diffusion of additive manufacturing impact the raw material supply chain process? International journal of production research. Vol.
58. Nro. 5. 1-15. Viitattu 20.11.2020. https://turkuamk.finna.fi/PrimoRecord/pci.cdi_crossref_pri- mary_10_1080_00207543_2019_1661537
Langton, R.; Clark, C. Hewitt, M. & Richards, L. 2009. Aircraft Fuel Systems. WISTE, West Sus- sex.
Palmer, P.; O&apos. Doherty, S. Allen, G. Bower, K. Bösch, H. Chipperfield, M. Connors, S.
Dhomse, S. Feng, L. Finch, D. Gallagher, M. Gloor, E. Gonzi, S. Harris, N. Helfter, C. Humpage, N. Kerridge, B. Knappett, D. Jones, R. Le Breton, M. Lunt, M. Manning, A. Matthiesen, S. Muller, J. Mullinger, N. Nemitz, E. Shea, S. Parker, R. Percival, C. Pitt, J. Riddick, S. Rigby, M. Sembhi, H. Siddans, R. Skelton, R. Smith, P. Sonderfeld, H. Stanley, K. Stavert, A. Wenger, A. White, E.
Wilson, C. & Young, D. 2018. A measurement-based verification framework for UK greenhouse gas emissions: an overview of the Greenhouse gAs Uk and Global Emissions (GAUGE) project.
Atmospheric chemistry and physics. Vol. 18. Nro. 16. 11753-11777. Viitattu 03.11.2020.
https://acp.copernicus.org/articles/18/11753/2018/acp-18-11753-2018.pdf
Pérès, F. & D. Noyes. 2006. Envisioning e-logistics development: Making spare parts in situ and on demand. State of the art and guidelines for future developments. Computers in Industry. Vol.
57. Nro. 6. 490-503. Viitattu 29.11.2020. https://turkuamk.finna.fi/PrimoRecord/pci.cdi_hal_pri- mary_oai_HAL_hal_00115277v1
Steven J. Davis & Glen P. Peters & Ken Caldeira. 2011. Proceedings of the National Academy of Sciences – PNAS. Vol. 108. Nro. 45. 18554 – 18559. Viitattu 12.11.2020. https://tur- kuamk.finna.fi/PrimoRecord/pci.cdi_pubmedcentral_primary_oai_pubmedcent-
ral_nih_gov_3215011
Tammilehto, O. 2009. Rahdin rikokset. LIKE, Helsinki.
Thornley Patricia & Adams Paul. 2018. Greenhouse Gas Balances of bioenergy Systems. Else- vier Science & Technology. Viitattu 08.02.2021. https://ebookcentral.proquest.com/lib/turkuamk- ebooks/reader.action?docID=5161868
Tosello, G.; Charalambis, A. Kerbache, L. Mischkot, M. Pedersen, D. Calaon, M. & Hansen, H.
2019. Value chain and production cost optimization by integrating additive manufacturing in in- jection molding process chain. International journal of advanced manufacturing technology. Vol.
100. Nro. 1. 783-795. Viitattu 02.11.2020. http://web.b.ebscohost.com.ezproxy.tur- kuamk.fi/ehost/pdfviewer/pdfviewer?vid=1&sid=fca777e6-cc7d-4f94-b402-
89518cce1e7c%40pdc-v-sessmgr02
