ARI MÄTTÖ
3D-TULOSTAMISEN TÄMÄNHETKISET SOVELLUTUKSET JA TULEVAISUUDEN MAHDOLLISUUDET OSANA RAKENNUSTUOTANTOA
Diplomityö
Rakennetun ympäristön tiedekunta
TkT Anssi Laaksonen
DI Markku Raiskila
4/2020
TIIVISTELMÄ
Ari Mättö : 3D-tulostamisen tämänhetkiset sovellutukset ja tulevaisuuden mahdollisuudet osana rakennustuotantoa
Diplomityö
Tampereen yliopisto
Rakennustekniikan diplomi-insinöörin tutkinto-ohjelma Huhtikuu 2020
3D-tulostaminen on siirtymässä teoriasta käytäntöön myös rakentamisen tuotantomenetel- missä. Lisäävien tuotantotapojen kehitystyössä on käynnissä viime vuosikymmenellä alkanut noususuhdanne, jonka ansiosta tutkimustyötä aihealueen piirissä tehdään laajasti lähes kaikilla teollisuuden aloilla. Rakentaminen kulkee hieman jäljessä tästä trendistä, mutta myös raken- nusalalle ollaan saamassa erilaisia 3D-tulostamiseen perustuvia tuotantomenetelmiä.
Tässä tutkimuksessa keskitytään pääasiassa kantavien rakenteiden 3D-tulostamisen tutkimi- seen. Tavoitteena on luoda yleiskuva siitä, miten 3D-tulostamista sovelletaan kantavien
rakenteiden tuotantoon nykyään ja mitkä ovat sen mahdollisuudet tulevaisuudessa. Tutkimuk- sessa 3D-tulostusmenetelmiä vertaillaan perinteiseen rakentamiseen sekä pohditaan alan kehityksen mahdollisia vaikutuksia tulevaisuuden rakentamiseen ja rakennesuunnitteluun. Tutki- musmetodina käytetään kvalitatiivista kirjallisuustutkimusta.
Tutkimus osoittaa, että 3D-tulostaminen sisältää erittäin paljon potentiaalia tehokkaampien ja ympäristöystävällisempien rakennustuotantomenetelmien kehittämiseksi. Moniin 3D-tulostusme- netelmiin liittyy vielä merkittäviä haasteita, mutta jo nykyisillä menetelmillä pystytään
tulostamaan suuria rakennuksia työmaaolosuhteissa. On hyvin todennäköistä, että kehitystyö alalla jatkuu edelleen vahvana tällä vuosikymmenellä. Tulostusmateriaalien ja -teknologioiden kehittyessä on vain ajan kysymys, koska 3D-tulostaminen vakiintuu elimelliseksi osaksi rakenta- misen tuotantoketjua.
Avainsanat: 3D-tulostaminen, materiaalia lisäävä tuotanto, rakennustuotanto Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck –ohjelmalla.
ABSTRACT
Ari Mättö : Current utilizations and future possibilities of 3D printing in construction production
Master's Thesis Tampere University
Master’s Degree Program in Civil Engineering April 2020
3D printing is on the verge of moving from theory to practice in construction production. The development of additive manufacturing methods is undergoing an upswing that has begun in the last decade, thanks to which research work into the subject is carried out extensively throughout all diciplins of industry. Construction is lagging slightly behind this trend, but slowly and surely gaining a variety of production methods based on 3D printing.
This study focuses mainly on 3D printing of load-bearing structures. The aim is to create an overview of how 3D printing is applied to the production of load-bearing structures today and what its possibilities are in the future. The study compares 3D printing methods with traditional construction and considers the possible effects of 3D printing industry developments on future construction and structural design. Qualitative literature research is used as the research met- hod.
Research shows that 3D printing has a great deal of potential for developing more efficient and environmentally friendly construction production methods. Many 3D printing methods still present significant challenges, but already with current methods it is possible to print large buil- dings in building site conditions. It is very likely that development work in the sector will continue to be strong this decade. With the development of printing materials and technologies, it is only a matter of time before 3D printing becomes an integral part of the construction production chain.
Keywords: 3D printing, additive manufacturing, construction production
The originality of this thesis has been checked using the Turnitin OriginalityCheck service.
ALKUSANAT
Tämä diplomityö on tehty osana rakennustekniikan diplomi-insinöörin tutkinto-ohjelmaa Tampereen yliopistossa.
Haluan kiittää ensisijaisesti tämän tutkimuksen ohjaajia, Anssi Laaksosta ja Markku Raiskilaa, jotka ottivat aikaa omista kiireisistä aikatauluistaan auttaakseen minua tässä viimeisessä tutkintooni liittyvässä ponnistuksessa. Työn tekeminen itselle mielenkiintoi- sesta aiheesta oli lopulta suhteellisen mukava ja nopea prosessi, kun ei huomioida aikaa, joka kului opintojen ja työelämän mahdottoman yhtälön ratkaisuun ennen diplomityön teon aloittamista.
Haluan vilpittömästi kiittää myös vanhempia, jotka ovat jaksaneet kannustaa ja tukea minua opintojeni loppuun saattamisessa. Erityiskiitos myös siskolleni ja hänen aviomie- helleen, jotka auttoivat tutkimuksen oikolukemisessa.
Seinäjoella, 24.4.2020 Ari Mättö
SISÄLLYSLUETTELO
1. JOHDANTO ... 1
1.1 Tutkimuksen tausta ja tavoitteet ... 1
1.2 Tutkimusalueen rajaus ja tutkimusmenetelmät ... 1
1.3 Aihealueeseen tutustuminen ... 2
2. TIIVIS JOHDANTO 3D-TULOSTAMISEEN ... 5
2.1 Mitä on 3D-tulostaminen ... 5
2.2 3D-tulostamisen historia ... 5
2.3 Yleisimmät tulostuskäytännöt ... 7
2.4 Tulostusmallin luominen ... 11
2.5 Ohjelmistot ... 11
2.6 Tiedostomuodot ... 12
3.3D-TULOSTAMINEN RAKENNUSTUOTANNOSSA ... 14
3.1 Rakennustuotantoon soveltuvat tulostusmateriaalit ... 14
3.1.1Betoni ... 14
3.1.2Metallit ... 15
3.1.3 Muovit ja komposiittimateriaalit ... 16
3.1.4Valmiit rakenneosat ... 17
3.1.5 Muita materiaaleja ... 18
3.2 Rakennustuotantoon soveltuvat tulostuskäytännöt ja ... tuotantomenetelmät ... 18
3.2.1Betonin tulostus ... 20
3.2.2 Metallin tulostus ... 27
3.2.3Muovien tulostus ... 30
3.2.4 Valmiita rakenneosia hyödyntävät menetelmät ... 31
3.2.5Muita menetelmiä ... 33
3.3 Kehitteillä olevia menetelmiä ... 35
3.4 3D-tulostaminen lainsäädännössä ja standardeissa ... 38
3.5 CAD-ohjelmistojen soveltuminen 3D-tulostamiseen ... 39
4. POHDINTA JA JOHTOPÄÄTÖKSET ... 41
4.1 3D-tulostamisen vaikutus rakennesuunnitteluun ... 41
4.2 3D-tulostamisen tuomat edut rakennustuotantoon ... 43
4.3 3D-tulostamisen haasteet osana rakennustuotantoa ... 46
4.4 3D-tulostamisen mahdollisuudet rakennustuotannossa ... 51
5.YHTEENVETO ... 54
LÄHTEET ... 56
LYHENTEET JA MERKINNÄT
3D engl. 3 dimensional, 3 ulotteinen
AM engl. additive manufacturing, materiaalia lisäävä tuotantotapa AMF engl. additive manufacturing format, materiaalia lisäävän tuotannon
tiedostomuoto
ASCII engl. American standard code for information interchange, tietokone kieli, joka sisältää englannin kielessä tarvittavat kirjaimet, numerot
CAD engl. computer aided design, tietokone avusteinen suunnittelu STL engl. standard tessellation language, 3D-tulostuksessa käytetty
tiedostomuoto
VRML engl. virtual reality modelling language, monipuolinen 3D-tu- lostuksessa käytetty tiedostomuoto
1. JOHDANTO
1.1 Tutkimuksen tausta ja tavoitteet
Materiaalia lisääviä tuotantotapoja (engl. additive manufacturing, AM) sovelletaan edel- leen suhteellisen vähän rakennustuotannossa. Tutkimusaiheena se on kuitenkin erittäin mielenkiintoinen sekä paljon tulevaisuuden potentiaalia sisältävä osa rakentamisen tuo- tantoa. Tutkimustyötä aihealueen piirissä on tehty Euroopassa ja muualla maailmassa kiitettävästi viimeisen vuosikymmenen aikana, mutta Suomessa ala on ollut suhteellisen vähällä huomiolla. Tästä johtuen aihealueesta on saatavilla melko vähän suomenkielistä tutkimusaineistoa, etenkin kun määrää verrataan perinteisempiin tuotantotapoihin liitty- vään tiedon määrään. Tuotantotavan viime vuosikymmenellä tapahtunut laitetekniikoiden kehittyminen mahdollistanee paljon tehokkaampia ja monipuolisempia sovellutuksia rakentamiseen nyt ja tulevaisuudessa.
Tutkimuksen tavoitteena on luoda yleiskuva siitä, miten 3D-tulostamista hyödynnetään osana talonrakentamisen kantavien rakenteiden tuotantoa tällä hetkellä. Lisäksi tavoit- teena on arvioida, mitkä ovat sen tulevaisuuden mahdollisuudet. Tavoitteena on myös pohtia 3D-tulostamisen etuja ja haasteita verrattuna perinteisempiin rakennustapoihin.
Lisätavoitteena on tutkia, miten 3D-tulostaminen vaikuttaa kantavien rakenteiden suun- nitteluperiaatteisiin, ja miten hyvin nykyiset CAD-ohjelmistot soveltuvat 3D- tulostamiseen.
1.2 Tutkimusalueen rajaus ja tutkimusmenetelmät
Materiaalia lisääviä tekniikoita ja tuotantotapoja voidaan käyttää lähes kaikilla rakentamisen eri osa-alueilla, kuten esimerkiksi kantavissa rakenteissa, arkkitehtuurissa, talotekniikassa ja niin edelleen. Tutkimus rajattiin siksi käsittelemään talonrakentamisen kantavien rakenteiden 3D-tulostuksen tuotantomenetelmiä sekä niiden suunnitteluprosessia.
Tutkimus tehdään pääasiallisesti laadullisena, eli kvalitatiivisena kirjallisuustukimuksena. Lähdemateriaalina ovat yliopistojen, korkeakoulujen ja tunnettujen tutkimuslaitosten julkaisut, rakennusalan tunnettujen toimijoiden julkaisut ja lehdet, valtion ja valtionlaitosten julkaisut sekä alalla pätevöityneiden henkilöiden tutkimukset, artikkelit, kolumnit ja blogikirjoitukset. Lisäksi lähdemateriaalina käytetään
kriittisesti arvioiden myös laite- ja materiaalivalmistajien julkaisuja ja tuotetietoja.
Lähdeviittaukset tehdään numeroviittausjärjestelmällä. Lähdeluettelo kootaan siihen järjestykseen, missä lähde ensimmäisen kerran esiintyy tutkimuksen tekstissä. Tekstin muotoilussa noudatetaan yliopiston virallista opinnäytetöiden kirjoitusohjetta [1].
1.3 Aihealueeseen tutustuminen
3D-tulostamiskäytäntöihin tutustumiseksi ja tutkimustyön mielenkiintoa lisäämään hankittiin kuvan 1 mukainen kotikäyttöön tarkoitettu tulostusmateriaalin pursotusperiaatteella toimiva 3D-tulostin. Kyseessä on kiinalaisen 3D-tulostinvalmistaja Crealityn Ender 5 -mallinen tulostin. Tulostimella pystytään tulostamaan kappaleita, joiden äärimitat ovat 220x220x300 millimetriä. Laite on ensisijaisesti tarkoitettu erityyppisten muovimateriaalien, kuten polylaktidin (PLA), tulostamiseen. [2]
Kuva 1. Creality Ender5 3D-tulostin koottuna
3D-tulostimen käyttöä ja erilaisten koekappaleiden mallinnusta sekä tulostusta testattiin ensimmäisen kuukauden aikana opinnäytetön kirjoitusprosessin rinnalla. Seuraavaksi esitellään lyhyesti testijakson aikana tehtyjä havaintoja laitteesta ja 3D-tulostamisesta.
Laite toimitettiin osina ja sen kokoamiseen kuluin noin 2 tuntia aikaa. Laitteen käyttöönotto oli yksinkertainen ja koekappaletta pääsi tulostamaan noin 3 tunnin sisällä
laitteen kokoamisen aloituksesta. Tulostuslaitteen ohjelmistojen käyttäminen, valmiiden 3D-mallien lataaminen internetistä ja niiden tulostaminen onnistunee tällä tai vastaavanlaisella kotikäyttöön tarkoitetulla laitteella lähes keneltä tahansa, jolla on hallussa tietokoneiden käytön perustaidot. Laitteen täyden potentiaalin hyödyntäminen vaatii kuitenkin asiaan paneutumista. Esimerkiksi 3D-mallintaminen on hallittava, mikäli haluaa tulostaa esineitä, joista ei ole saatavilla valmista tulostusmallia. Laite vaatii myös melko paljon säätöä, jotta sillä pystytään tulostamaan tasalaatuisia tuotteita pitemmällä aikavälillä. Tulosteiden onnistumiseen ja laatuun vaikuttaa erityisesti tulostimen tulostuspedin kalibrointi ja lämpötila sekä tulostuskärjen lämpötila. Optimaalinen tulostuspedin ja tulostuskärjen lämpötila vaihtelee tulostusmateriaalista riippuen. Vaikka materiaali olisi peruskoostumukseltaan samaa, voi eri materiaalivalmistajien kesken löytyä eroavaisuuksia soveltuvissa optimilämpötiloissa. Edellä mainittujen asioiden lisäksi yksityiskohtaisia säätömahdollisuuksia on suuri määrä. Lähtökohtaisesti ohjelmistot ohjaavat näitä ominaisuuksia kullekin tulostinlaitteille optimoitujen valmiiden profiilien kautta.
Kuva 2. Itse mallinnettu ja tulosettu osa polkupyörään
Kuvassa 2 esitetään yksilöllisen osan valmistus polkupyörään. Ajatuksesta valmiiksi tuotteeksi kului noin 3 tuntia aikaa, josta itse tulostamiseen noin 30 minuuttia. Osa
mallinnettiin käyttäen Rhino 6 -mallinnusohjelmaa ja tulostusmateriaalina käytettiin PLA- tulostusfilamenttiä.
Kotikäyttöön tarkoitettu 3D-tulostin ei siis vielä ole verrattavissa leivänpaahtimeen käytettävyyden helppoudessa, mutta laite antaa osviittaa tulevaisuudesta, jossa 3D- tulostin toimii tärkeänä osana tavallistenkin kotitalouksien arkea. On hyvä kuitenkin muistaa, että koti- ja harrastuskäyttöön tarkoitetut laitteet eroavat monella tapaa teollisuustuotantoon soveltuvista. Siksi hankitun laitteen ominaisuuksia tai sillä tulostettuja koekappaleita ei tutkita syvällisemmin tässä diplomityössä.
2. TIIVIS JOHDANTO 3D-TULOSTAMISEEN
2.1 Mitä on 3D-tulostaminen
3D-tulostaminen on yleistermi, jonka alle luetaan useita erilaisia materiaalia lisääviä ja myös poistavia tuotantotapoja sekä menetelmiä. Tässä tutkimuksessa 3D-tulostamisella tarkoitetaan tuotantotapoja, jotka perustuvat kolmiulotteisen kappaleen luomiseen mate- riaalia lisäämällä hyödyntäen erityyppisiä lähtömateriaaleja ja tuotantotekniikoita.
Lähtömateriaalina voi toimia neste, massa, kiinteä aine, eri materiaalien yhdistelmä tai valmis rakenneosa, kuten tiili. Tuotantoprosessia ohjataan pääsääntöisesti joko tietoko- neavusteisesti tai automaation avulla. [3] Toisinaan 3D-tulostamisen alaisuuteen luetaan myös materiaalia poistavat menetelmät, joissa kolmiulotteisia kappaleita luodaan pois- tamalla materiaalia suuremmasta lähtökappaleesta esimerkiksi jyrsimällä. Materiaalia poistavat menetelmät rajataan tämän tutkimuksen ulkopuolelle. Tässä tutkimuksessa termeillä ”materiaalia lisäävä tuotantotapa” ja ”3D-tulostus” tarkoitetaan samaa asiaa, eli sanoja käytetään toistensa synonyymeinä.
3D-tulostamista hyödynnetään nykyisin usealla eri toimialalla. Perinteisten teollisuusalo- jen, kuten rakennus-, kone- ja metallialojen, lisäksi 3D-tulostamistä hyödynnetään muun muassa koulutuksessa, tutkimuksessa, lääketeollisuudessa, muotoilualoilla ja esimer- kiksi viihdeteollisuudessa. Lisäksi 3D-tulostamista sovelletaan lähes alasta riippumatta prototyyppien luomiseen. 3D-tulostimien myynnin on arvioitu kasvavan vuoteen 2022 mennessä yli 30 miljardin euron markkinaksi. [3]
2.2 3D-tulostamisen historia
Vaikka 3D-tulostaminen alana on noussut suuremman yleisön tietoon pääasiallisesti vasta 2010-luvun aikana, ulottuu sen historia yli 40 vuoden taakse. Wyn Kelly Swainson rekisteröi vuonna 1977 patentin ”Method, medium and apparatus for producing three- dimensional figure product”, jonka kuvaamaa menetelmää voidaan pitää ensimmäisenä 3D-tulostusperiaatteena. Menetelmässä tietokoneohjattujen laserien avulla säteilytetään nestettä, joka polymerisoituu reagoidessaan säteilytyksen kanssa muodostaen kiinteän
kolmiulotteisen objektin. Kuvassa 3 on vuoden 1977 patentissa esitetty menetelmäku- vaus. [4]
Kuva 3. Menetelmäkuvaus W.K. Swainsonin patentista vuodelta 1977 [4]
Vuonna 1980 Japanilainen Hideo Kodama pyrki patentoimaan ensimmäisen 3D-tulos- tustekniikan, joka perustuu nesteen valokovetukseen, mutta patenttia ei kuitenkaan myönnetty täydellisenä, sillä patentille asetettuja ehtoja ei täytetty määräaikaan men- nessä. Vuonna 1986 Amerikkalainen Charles Hull patentoi stereolitografiaan pohjautuvan 3D-tulostusmenetelmänsä ja perusti yrityksen nimeltä 3D systems. 3D sys- tems julkisti ensimmäisen kaupallisen 3D-tulostimen vuonna 1987. Tätä pidetään usein nykyisen 3D-tulostuksen alkuna. Ala kehittyi, laajeni ja eri toimijat patentoivat omia tek- niikoitaan seuraavien vuosikymmenien aikana. Esimerkiksi materiaalin pursotukseen perustuva tulostustekniikka FDM (engl. fused deposition modelling), johon suurin osa kotikäyttöön tarkoitetuista 3D-tulostuslaitteista nykyisin perustuu, patentoitiin Scott Crumpin toimesta jo vuonna 1992. Jauhepetimenetelmä SLS (engl. selective laser sin- tering) patentoitiin vuonna 1992 ja laminointiin perustuva menetelmä LOM (engl.
laminated object manufacturing) vuonna 1998. [3]
Patentointi siis leimasi vahvasti 3D-tulostamisen kehitystä sen ensimmäiset vuosikym- menet. Ala pysyi pääasiassa teollisuuden pienenä alahaarana, mikä johtui todennäköisesti laitteiden korkeasta hinnasta ja avoimen tiedon puuttumisesta. 2010- luvulla 3D-tulostinlaitteiden ja -menetelmien kehitys kääntyi kuitenkin eksponentiaali- seen kasvuun, kun 3D-tulostuksen soveltamista erilaisiin käyttötarkoituksiin alettiin tutkia yhä enenevissä määrin [3].
2.3 Yleisimmät tulostuskäytännöt
Materiaalia lisäävät tuotantomenetelmät jaotellaan Suomen standardisoimisliiton stan- dardissa SFS-EN ISO/ASTM 52900:2017 seitsemään pääluokkaan, jotka ovat suorakerrostus, jauhepetisulatus, kerroslaminointi, pursotus, materiaalin suihkutus, side- aineen suihkutus ja nesteen valokovetus altaassa [5].
Suorakerrostuksessa (engl. direct energy deposition) kohdemateriaali lämmitetään sula- mispisteeseen esimerkiksi laseria, elektronisuihkua tai plasmakaarta hyödyntäen.
Sulatettuun pisteeseen syötetään lisää materiaalia, joko lankana tai jauheena, jolloin li- sätty materiaali kiinnittyy ja sulautuu alusmateriaaliin. Tietokoneohjatun tulostinkärjen liikkuessa eteenpäin muodostaa lisätty materiaali hitsauspalkoja, joita päällekkäin ka- saamalla muodostetaan haluttu kolmiulotteinen muoto. Suorakerrostusta käytetään erityyppisten metallien tulostamiseen. [7] Kuvassa 4 on esitetty laserilla toimiva suora- kerrostusmenetelmä, joka hyödyntää lankamateriaalia. Suorakerrostusmenetelmä muistuttaa perusprosessiltaan melko paljon tavanomaista valokaarihitsausta. Proses- sissa käytetään myös suojakaasua perinteisen hitsauksen tapaan.
Kuva 4. Suorakerrostuksen periaatepiirustus (perustuu lähteeseen [7]) Kerroslaminointi järjestelmässä (engl. sheet lamination) levymäinen materiaali syötetään tulostimeen arkkeina tai rullalta. Tulostin leikkaa ja kiinnittää levystä oikean muotoisen kappaleen laserilla, muodostaen näin halutun 3D-muodon kerroksittain. Laminoinnin jäl- keen tulostintaso siirtyy laminoitavan materiaalin korkeuden verran alaspäin ja leikattu ylimääräinen materiaali siirretään pois tulostusalueelta. Materiaaliksi soveltuvat paperi, muovi ja metallit. [7] Kuvassa 5 on esitetty arkkimuotoista lähtömateriaalia hyödyntävä laminointimenetelmä.
Kuva 5. Kerroslaminoinnin periaatepiirustus (perustuu lähteeseen [7]) Pursotus menetelmään (engl. material extrusion) perustuvia laitteita käytetään paljon te- ollisuudessa, mutta myös suurin osa harrastajille suunnatuista 3D-tulostinlaitteista soveltaa samaa menetelmää. [3] Pursotettava materiaali syötetään ohjausputkea pitkin tulostinlaitteelle. Muovifilamenttia soveltavissa laitteissa tulostimen tulostuskärki lämmi- tetään lämpötilaan, jossa filamentti muuttuu nestemäiseksi ja pursotetaan ulos tulostusalustalle syöttämällä lisää materiaalia. Useimmiten laitteiden tulostuspää liikkuu xy-tasossa ja tulostusalusta liikkuu pystysuunnassa. Tulostettava 3D-objekti muodostuu kerros kerrallaan viipaloidusta 3D-mallista. Tulostettavat objektit vaativat usein myös vä- liaikaisia tukia, jotka tulostin tuottaa tulostusprosessin aikana. Väliaikaiset tuet poistetaan tulostuksen jälkeen. [7] Kuvassa 6 on esitetty pursotusperiaatteella toimivan laitteen periaatepiirustus.
Kuva 6. Pursotusmenetelmän periaatepiirustus (perustuu lähteeseen [7]) Jauhepetisulatus (engl. powder bed fusion) on yksi eniten metallin tulostukseen käyte- tyistä teollisuuden 3D-tulostusmenetelmistä. Jauhepetimenetelmässä tulostusmateriaali voi toimia tietyissä tapauksissa myös kappaleen tukirakenteena tulostuksen aikana. [6]
Raskaammissa objekteissa käytetään kuitenkin tulostusaikaisia tukia, jotka laite tulos- taa. Menetelmässä tietokoneohjatulla tasossa liikkuvalla laserilla tai elektronisuihkulla sulatetaan tulostusalustalla oleva jauhe tulostettavan objektin 3D-mallin muotoon kerros kerrallaan. Jokaisen sulatuskerroksen jälkeen tulostusjauhetta levitetään kerrospaksuu- den verran lisää tulostusalustalle, joka liikkuu tulostustyön edetessä alaspäin. [7]
Kuvassa 7 on esitetty jauhepetimenetelmän periaatepiirros.
Kuva 7. Jauhepetisulatus periaatepiirustus (perustuu lähteeseen [7]) Materiaalin suihkutus (engl. material jetting) muistuttaa perusperiaatteeltaan mustesuih- kutulostamista [3]. Menetelmässä nestemäistä vahaa tai valokovettuvaa polymeeriä suihkutetaan täsmennettyinä tippoina tulostusalustalle ja kovetetaan säteilyttämällä tai lämmittämällä. Tulostusalusta liikkuu alaspäin 3D-mallin muodostuessa kerros kerral- laan. [7] Kuvassa 8 on esitetty materiaalin suihkutuksen periaate.
Kuva 8. Materiaalin suihkutuksen periaatepiirustus (perustuu lähteeseen [7]) Sideaineen suihkutus (engl. binder jetting) on yhdistelmä materiaalin suihkutus- ja jau- hepetimenetelmien periaatteita. Menetelmässä tulostusalustalle levitettyjä jauhekerroksia sidotaan suihkuttamalla sidosainetta täsmennettyinä tippoina. Tulostus- alusta siirtyy kerrospaksuuden verran alaspäin ja jauhetta lisätään kunkin liimakerroksen
jälkeen tasainen kerros lisää näin muodostaen halutun 3D-muodon. [7] Kuvassa 9 on esitetty sideaineen suihkutuksen periaate.
Kuva 9. Sideaineen suihkutuksen periaatepiirustus (perustuu lähteeseen [7]) Nesteen valokovetus altaassa (engl. vat photopolymerization) perustuu UV-säteistä ak- tivoituvan nestemäisen polymeeriliuoksen kovettamiseen esimerkiksi laseria, xenon- valoa tai muuta UV-valonlähdettä hyödyntäen. Kovettuva objekti painuu tulostusnes- teellä täytetyssä altaassa liikkuvan tulostusalustan mukana syvemmälle tulostustyön edetessä. [7] Kuvassa 10 on esitetty nesteen valokovetuksen periaate.
Kuva 10. Periaatepiirustus nesteen valokovetuksesta altaassa (perustuu lähtee- seen [7])
Edellä mainittuja tulostusmenetelmiä ja 3D-tulostamista yleisemminkin yhdistävä tekijä on siis mallin tulostaminen kerros kerrallaan tulostuspaksuuden korkuisiin kerroksiin vii- paloidun 3D-mallin pohjalta.
Mallit suunnitellaan tavanomaisen 3D-mallintamisen perustein. Valmiista 3D-mallista vii- paloidaan haluttu tulostustietue tähän tarkoitettujen viipalointi ohjelmistojen avulla. [3]
3D-tulostusmallien luomista ja ohjelmistojen toimintaperiaatteita käsitellään seuraavissa kappaleissa.
2.4 Tulostusmallin luominen
3D-tulostukseen soveltuvat mallit luodaan tavanomaisesti joko tietokoneavusteisena mallinnuksena, eli CAD-mallinnuksena, tai olemassa olevasta objektista digitalisoimalla.
Uuden mallin luominen lähtee usein ajatuksesta tai tarpeesta, josta luodaan ensin piirtä- mällä luonnoksia ja rakennesuunnittelussa yleensä myös mittatarkka 2D-piirustus.
Mittapiirustuksen avulla mallinnetaan lopullinen 3D-objekti CAD-ohjelmistolla. Yhä enemmän yleistyvä tapa on mallintaa 3D-muoto suoraan idean pohjalta. Haluttu kolmi- ulotteinen muoto saavutetaan yleensä yhdistelemällä erilaisia perusmuotoja boolean- operaatioiden avulla tai luomalla muotoa mukailevia pintoja pisteverkkoja hyödyntäen.
Pisteverkot ja pinnat muutetaan ohjelmiston avulla 3D-solidiksi, eli kiinteäksi kolmiulot- teiseksi tilavuusobjektiksi. Malli ja sen yksityiskohdat tarkentuvat suunnittelutyön edetessä, kunnes tavoiteltu 3D-muoto on saavutettu ja malli on valmis tulostettavaksi.
[8]
Digitalisoinnissa olemassa olevasta objektista tehdään 3D-malli skannaamalla. Valmiin esineen skannaus toimii hyvin esimerkiksi varaosien luomisessa tai 3D-mallin tekemi- sessä käsityönä tehdyn prototyypin perusteella. Digitalisoinnilla lähinnä nopeutetaan ja helpotetaan 3D-mallin luomista sellaisessa tapauksissa, joissa haluttu muoto on jo ole- massa. Digitalisoitua mallia yleensä muokataan mallinnusohjelmassa skannauksen jälkeen mahdollisten skannausvirheiden korjaamiseksi ja yksityiskohtien viimeistele- miseksi. [8]
Tulostusmallien luomisessa voidaan soveltaa myös generoivaa mallintamista, jossa mal- lille annetaan reunaehdot, joiden pohjalta tietokoneohjelma luo mallin automaattisesti.
[9] Generoivaa mallintamista ja muita rakennustuotantoon soveltuvia mallinnustapoja kä- sitellään tarkemmin kappaleissa 3.5 ja 4.1.
2.5 Ohjelmistot
3D-tulostukseen soveltuvien mallien luominen onnistuu lähes millä tahansa 3D-mallin- nukseen soveltuvalla CAD-ohjelmistolla [3]. 3D-malleja voidaan siis laatia sillä mallinnusohjelmistolla, mitä kukin käyttäjä osaa parhaiten hyödyntää. Mallinnukseen löy- tyy myös ilmaisia ohjelmistoja. Parhaiten työhön soveltuvat ohjelmistot, joilla malli
pystytään tallentamaan suoraan 3D-tulostamiseen soveltuvaan tiedostomuotoon, mutta tämäkään ei ole välttämätöntä. Yhdellä ohjelmalla suunniteltu malli voidaan kääntää 3D- tulostamiseen soveltuvaksi tiedostomuodoksi toisella ohjelmistolla, kunhan vain näiden kahden ohjelman välille löytyy tiedostomuoto, jota molemmat ohjelmat ymmärtävät [8].
3D-tulostamisessa oleellinen osa prosessia on 3D-mallin viipalointi tulostusmalliksi, jotta tulostin pystyisi tulostamaan sen kerros kerrallaan. Tämä vaihe tehdään yleensä erilli- sellä viipalointiohjelmalla (engl. slicer program). Viipaloinnin jälkeen mallin tulostuskerrokset ovat erillään toisistaan, eikä mallia voi enää muokata esimerkiksi skaa- laamalla. Tämän vuoksi halutun muodon tulee olla valmis ennen, kuin tulostusmalli viipaloidaan. [8] Tutkimuksen alkuvaiheen testijakson aikana opittiin, että CAD- ohjelmassa suunniteltu ja sopivaan tiedostomuotoon tallennettu 3D-malli avataan viipa- lointiohjelmassa, jossa sille annetaan tulostuksessa tarvittavat reunaehdot ja ominaisuudet, kuten tulostuskerroksen korkeus, täytön tiheys, seinämien paksuus ja muut ominaisuudet, joiden pohjalta ohjelma muuntaa 3D-mallin automaattisesti tulosti- melle soveltuvaksi tietueeksi. Kun tuloste vaatii erityistä tarkkuutta, viipaloitua mallia voidaan joutua vielä tarkentamaan viipalointiparametrejä säätämällä tai mallia manuaa- lisesti muokkaamalla. Tulostimen ohjaustieto voidaan syöttää malliin viipaloinnin yhteydessä. Viipalointiohjelma luo annettujen parametrien perusteella tulostimelle oh- jaustiedon esimerkiksi tulostuskärjen kulkemasta reitistä ja nopeudesta kussakin tulostuskerroksessa sekä tulostusmateriaalin syöttönopeudesta ynnä muusta. Viipaloin- tiohjelmalla siis ohjataan lukuisia parametrejä, joiden pohjalta luodaan tietue, jota tulostin ymmärtää ja osaa sen perusteella tulostaa halutun muodon oikeassa järjestyksessä ja oikein reunaehdoin. Viipalointiohjelmat tallentavat tiedoston useimmiten G-code -muo- toon [3]. Ohjattavat parametrit vaihtelevat tulostusmetodin, tulostintyypin ja tulostusmateriaalin mukaan sekä ovat kullekin tuotantoprosessille omansa. Jotkut tulos- tusprosessit voivat vaatia myös erillisen ohjelmiston tai kokonaan oman järjestelmän tulostimen ohjaukselle ja mallin viipaloinnille [8].
2.6 Tiedostomuodot
Toistaiseksi yleisin 3D-tulostusmallin tallentamiseen käytetty tiedostomuoto lienee ste- reolitografiaan perustuva STL (engl. standard tessellation language). STL- tiedostomuodossa mallinnettu 3D-objekti kuvataan kolmiopintojen avulla. Kolmiopintojen ja niiden normaalivektorien geometrian avulla luodaan koordinaatistodata, joka esitetään joko binäärisenä tai ASCII-muodossa. Binäärimuotoon tallennettu tiedosto on tallennus- kooltaan huomattavasti ASCII-tiedostoa pienempi, mutta ASCII-tiedosto on helpommin luettavissa ja muokattavissa tiedoston lähdekoodin kautta. STL-muotoon tallentamisen
onnistumisen kannalta on oleellista, että mallit ovat tasalaatuisia ja yhtenäisiä tilavuus- kappaleita. Useita pintoja sisältävä kappale muutetaan yleensä yhtenäiseksi 3D-solidiksi ennen STL-tiedostoksi tallentamista. Pintojen orientaation tulee olla oikein päin, eli niin sanotusti yläpinta ulospäin, jotta malli tallentuu oikein. [8]
STL-tiedostoon voidaan tallentaa objektin geometria, mutta esimerkiksi värejä tai muita lisäominaisuuksia tähän tiedostomuotoon ei voida tallentaa. Muita ominaisuuksia sisäl- tävien tulostustiedostojen aikaansaamiseksi tarvitaan kehittyneempiä tallennusmuotoja.
Tällaisia ovat esimerkiksi AMF (engl. additive manufacturing format) ja VRML (engl. vir- tual reality modelling language). AMF on lisäävien tuotantotapojen tarpeisiin kehitetty tiedostomuoto, johon voidaan geometrian lisäksi sisällyttää mallin materiaali-, tekstuuri- ja väritiedot. VRML-tiedostomuotoon voidaan tallentaa lisäksi mallin näkymätietoja ja muita ominaisuuksia. [8]
3. 3D-TULOSTAMINEN
RAKENNUSTUOTANNOSSA
3.1 Rakennustuotantoon soveltuvat tulostusmateriaalit
Rakenteiden suunnittelun käyttöikä on tavallisesti vähintään 50 vuotta. Kantavat raken- teet suunnitellaan useimmiten 100 vuoden käyttöiälle, joten niiden tuotannossa on erityisen tärkeää pystyä ennakoimaan rakennusmateriaalin pitkän aikavälin toiminta [10].
Tästä johtuen kantavien rakenteiden valmistuksessa pystytään parhaiten soveltamaan sellaisia materiaaleja, joiden pitkäaikaiskestävyydestä on olemassa entuudestaan paljon käytännön kokemusta ja tutkimustietoa.
3.1.1 Betoni
Betoni on tällä hetkellä maailman käytetyin rakennusmateriaali. Se on myös tutkituin ja käytetyin materiaali rakennustuotannon 3D-tulostamisen sovellutuksissa. [14] Betonin rakennuskäytölle on valmiit materiaalivaatimukset ja sen pitkäaikaiskestävyys sekä ra- kenteellinen toimivuus ovat osoitettavissa olemassa olevilla laskentakaavoilla. Betonia pystytään valmistamaan erilaisiin käyttötarkoituksiin soveltuvina pumpattavina mas- soina. Betonimassan ominaisuuksia voidaan säätää kuhunkin tarpeeseen soveltuvaksi runkoaineen, veden ja sementin suhteita sekä sidos- ja lisäaineistusta muuttamalla. Yksi betonin eduista on sen hyvä puristuslujuus. Betoni on materiaaliominaisuuksiltaan kui- tenkin heikosti vetoa kestävää, sillä sen vetolujuus on tavallisesti vain noin 10 % puristuslujuudesta. [11] Perinteisessä rakentamisessa tämä ongelma poistetaan käyttä- mällä betoniraudoitteita, joilla rakenteeseen kohdistuvat vetorasitukset siirretään betonin puristuspinnoille. Ilman vetolujuuden vahvistamista pelkästä betonista valmistetut veto- rasitetut kantavat rakenteet ovat usein materiaalimenekiltään epäoptimaalisia ja siksi lopputulos on harvoin kustannustehokas.
Tulostuskäytössä erityisesti betonimassan notkeus, muodossaan pysyvyys ja kuivumis- aika ovat oleellisia tekijöitä. Massan vesi-sementtisuhde pyritään pitämään mahdollisimman pienenä, jotta kuivumisaika pysyisi optimaalisena ja tulosteiden muo- dossa pysyvyys olisi mahdollisimman hyvä. Pienestä vesi-sementtisuhteesta johtuen massaan joudutaan lisäämään notkistavia lisäaineistuksia. Tulostamisen helpotta- miseksi runkoaineen tulee olla melko hienojakoista. Massan hyvä muodossa pysyminen on oleellista, koska tulostuksessa ei käytetä muotteja. Tulostettavan betonin tulee pysyä
muodossaan ilman erillistä tukea heti, kun se on pursotettu alustalle. Muodossa pysy- mistä voidaan parantaa lisäämällä massaan sidosaineita, kuten esimerkiksi lentotuhkaa.
Tarkkoja tietoja tulostettavista betonimassoista on niukasti saatavilla, sillä niitä kehittävät ja käyttävät yritykset varjelevat omia reseptejään kilpailullisista syistä. [12]
Betonin materiaaliominaisuuksia voidaan vahvistaa lisäämällä valumassaan erilaisia kui- tuja. Kuiduilla voidaan parantaa esimerkiksi betonin vetolujuutta, muodossa pysyvyyttä, säilyvyyttä tai vaikkapa palonkestävyyttä. Tavanomaisia kuitumateriaaleja ovat lasi-, te- räs- ja muovikuidut. Kuitu vaikuttaa massan käyttäytymiseen niin valun aikana kuin valmiissa rakenteessakin. Tällä hetkellä kuiduilla pystytään hallitsemaan betonin kuivu- misesta aiheutuvat sisäiset jännitykset ja siten poistamaan esimerkiksi miniraudoitevaatimus rakenteelta tietynlaisissa sovelluksissa. Tavanomaisessa rakenta- misessa kuitubetonia on käytetty onnistuneesti esimerkiksi maanvaraisten betonilaattojen valussa raudoitusverkkoja korvaavana tuotteena. Teräskuidulla vahvis- tetun betonin käyttöä kantavissa rakenteissa on tutkittu, mutta tutkittujen rakenteiden betonimassassa on käytetty huomattavan paljon teräskuitua, noin 100 kg betonikuutiota kohden. [13]
Runsaskuituisen materiaalin hyödyntäminen betonin tulostuksessa on haastavaa, sillä teräskuidut voivat tukkia tulostinlaitteen jo pienemmissäkin määrissä. Paremmin tulos- tuskäyttöön soveltuvilla kuitumäärillä ei toistaiseksi päästä niin merkittävään vetolujuuden paranemiseen, että niillä voitaisiin kilpailla tavanomaisten betoniraudoittei- den ominaisuuksien kanssa. Kuiduilla pystytään tulevaisuudessa korvaamaan kuitenkin osa betonin raudoitteista. Kuidut tekevät myös massasta sitkeämpää, mikä parantaa sen muodossa pysyvyyttä tulostusvaiheessa. Tekniikoiden ja materiaalien kehittyessä kuitu- betonin mahdollisuudet tulostuskäytössä luultavasti paranevat. Jo nyt tutkitaan esimerkiksi hiilikuituvahvisteisen betonin käyttöä tulostusmateriaalina. [12]
3.1.2 Metallit
Metallit, etenkin teräs, soveltuvat betonin tavoin teoriatasolla hyvin käytettäväksi kanta- vien rakenteiden 3D-tulostusmateriaalina. Teräkselle on valmiit materiaalivaatimukset rakennuskäytössä ja sen pitkäaikaiskestävyys sekä rakenteellinen toimivuus voidaan osoittaa olemassa olevilla laskentakaavoilla. Tulostukseen käytettävät metallimateriaalit ovat yleensä joko lanka- tai jauhemuodossa [14].
Teräksen etuja rakennuskäytössä ovat hyvä lujuus suhteessa painoon, jolloin materiaa- lilla päästään suhteellisen hoikkiin rakenteisiin verrattuna muihin rakennusmateriaaleihin. Betoniin verrattuna etenkin teräksen vetolujuus on merkittävästi
parempi. Teräksen eduksi voidaan lukea myös se, että yli puolet lähtömateriaalista tuo- tetaan kierrättämällä, joten materiaalin tuottaminen on ekologisempaa. [15]
Teräksen käytössä tulostusmateriaalina muodostuu ehkäpä suurimmaksi ongelmaksi materiaalin muovaamiseen tarvittava suuri energiamäärä. Rakenneteräksen sulamis- piste on noin +1500 celsiusastetta [15], tämän takia esimerkiksi suorakerrostukseen perustuvat 3D-tulostimet kuluttavat erittäin suuren määrän energiaa suhteessa tuotet- tuun rakennemäärään. Tulosteen tuottaminen on samasta syystä myös melko hidasta.
[14] Teräksen 3D-tulostaminen sopiikin siksi ehkäpä parhaiten pienten ja monimutkais- ten liitososien tuottamiseen myös kantavien rakenteiden rakennustuotannossa.
Teräksen tavoin myös alumiinille löytyy valmiit laskentatavat ja laatuvaatimukset raken- nuskäyttöön, mutta 3D-tulostamisessa se ei ole kuitenkaan kovin yleisesti käytetty materiaali. Alumiinin voisi kuvitella soveltuvan hyvin 3D-tulostamiseen, kun huomioidaan sen alhaisempi hinta ja helpompi muovailtavuus esimerkiksi teräkseen verrattuna.
Nykyisillä tulostustekniikoilla alumiinin hyödyntäminen on kuitenkin vaikeaa. Esimerkiksi alumiinin hitsaaminen on huomattavasti haastavampaa kuin teräksen, joten se ei sovellu käytettäväksi suorakerrostusmenetelmässä. Lisäksi alumiini heijastaa laseria, joten se ei myöskään sovellu kovin hyvin yleisimpiin jauhepetisulatustekniikoihin. Alumiinin hyvä saatavuus ja edullinen hinta aiheuttaa myös sen, että AM-tekniikan etuna pidetty pie- nempi materiaalihukka ei ole niin merkittävä etu, jotta se kannustaisi alumiinin 3d- tulostustekniikoiden laajempaan kehittämiseen verrattuna esimerkiksi titaaniin tai muihin arvokkaampiin metalleihin. [16]
3.1.3 Muovit ja komposiittimateriaalit
Erityyppiset muovit ovat toistaiseksi eniten käytetty 3D-tulostusmateriaali alasta riippu- matta. Suuri osa tulostustekniikoista sekä markkinoilla olevista laitteista on kehitetty alun perin muovipohjaisten tulostusmateriaalien tulostamiseen. Muovien suosio 3D-tulosta- misessa perustunee siihen, että niiden muotoilu onnistuu suhteellisen alhaisessa lämpötilassa ja vähäisellä energiamäärällä. Muovin tulostaminen on myös erittäin no- peaa ja kustannustehokasta verrattuna muihin materiaaleihin. Useimmiten lähtömateriaali on joko jauhe- tai lankafilamentti muodossa. Muovityypeistä yleisimpiä ovat muun muassa polylaktidi (PLA) ja akryylinitriilibutadieenistyreeni (ABS). [14]
Muovien käyttöä kantavien rakenteiden tuotannossa rajoittaa kuitenkin se, että niiden- pitkäaikaiskestävyyden osoittamiseksi rakennuskäytössä ole toistaiseksi vielä olemassa standardisoitua laskentatapaa. Muovit kestävät suhteellisen heikosti kuormaa ja kulu- tusta verrattuna perinteisempiin rakennusmateriaaleihin, kuten betoniin tai teräkseen.
Muovien sulamis- ja syttymispiste on myös suhteellisen alhainen, mikä aiheuttaa ongel- mia palonkestävyydelle. Näistä syistä muovia on toistaiseksi käytetty lähinnä julkisivuelementtien ja muiden ei-kantavien osien tulostamiseen rakennustuotannossa.
Komposiittimateriaaleilla tarkoitetaan materiaaleja, jotka koostuvat useammasta kuin yh- destä lähtömateriaalista. 3D-tulostamiseen soveltuvissa komposiittimateriaaleissa runkomateriaalina toimii usein jokin muovi, kuten esimerkiksi PLA. Komposiittimateriaa- lien kehityksen tavoitteena on tuottaa runkomateriaalia vahvempia ja paremmin kulutusta kestäviä materiaaleja, joita pystytään kuitenkin tulostamaan samoilla tulostus- menetelmillä kuin alkuperäistä runkomateriaalia. Vahvistusaineina voidaan käyttää esimerkiksi puu-, metalli- tai hiilikuituja. [14] Betoni on käytännössä myös komposiittima- teriaali, mutta sen ollessa toistaiseksi yksi yleisimmin rakennustuotannossa hyödynnettävistä materiaaleista, käsitellään se siksi laajemmin omassa kappaleessaan.
UPM Biocomposites on kehittänyt ja valmistaa 3D-tulostamiseen tarkoitettua UPM Formi -nimistä 3D-tulostusmateriaalia, joka luokitellaan komposiittimateriaaliksi. Tuote on PLA- muovin ja sellukuidun yhdistelmä, josta voidaan valmistaa pursottamalla pieniä ja keski- suuria rakenneosia. [17] Materiaalista on valmistettu esimerkiksi lyhyehkö kävelysilta, joka valmistajan mukaan kestää kuormaa 500−1000 kg, mutta jonka massa on vain 94 kiloa. Materiaalin sanotaan muistuttavan ominaisuuksiltaan puuta rakennusmateriaalina ja myös kestävän hyvin säärasitusta. [18] Valmistajan lupauksista ei löytynyt kuitenkaan tästä tarkempaa tutkimustietoa. Jotta kyseistä tai vastaavanlaisia materiaaleja voitaisiin käyttää laajemmin kantavien rakenteiden tuotannossa, tulisi niiden pitkän aikavälin kes- tävyys pystyä osoittamaan tutkimustuloksin.
3.1.4 Valmiit rakenneosat
Materiaalina AM-menetelmissä voivat toimia myös valmiit rakenneosat, kuten tiilet ja har- kot, sekä tulevaisuudessa mahdollisesti myös suuremmat rakenneosat, kuten sahatavarapalkit tai teräsprofiilit. [12]
Valmiiden rakenneosien käyttöön rakennustuotannossa löytyy valmiit standardit. Kun osat myös liitetään toisiinsa standardien ohjeistuksen mukaisin liitostavoin, päästään niillä tuotteisiin, joiden pitkäaikais- ja rakenteellinen kestävyys on helposti osoitettavissa olemassa olevilla laskentatavoilla. Tällaisia liitostapoja ovat esimerkiksi hitsaus tai laas- tin tai standardisoitujen liittimien, kuten ruuvien tai naulojen käyttäminen. Tämän vuoksi valmiita rakenneosia hyödyntävät menetelmät saattavat olla yksi potentiaalisimmista so- veltamismahdollisuuksista rakennusalan lisäävään tuotantoon. Valmiita rakenneosia
lähtömateriaalinaan hyödyntävät robotit kykenevät jo muuraamaan tiiliä ja harkkoja, sekä rakentamaan sahatavarasta monimutkaisia puurakenteita.
3.1.5 Muita materiaaleja
3D-tulostamisen sovellutuksina tutkitaan perinteisempien rakennusmateriaalien lisäksi myös innovatiivisempia ratkaisuja, joilla pyritään etsimään esimerkiksi ekologisempia tai kustannustehokkaampia vaihtoehtoja nykyisille rakennusmateriaaleille.
Italialainen 3D-tulostinvalmistaja WASP (engl. World Advanced Saving Project) on ke- hittänyt tulostusmateriaalin, jonka on tarkoitus olla helposti paikallisista materiaaleista valmistettavaa ja ekologisesti kestävää sekä täysin biohajoavaa. Yrityksen verkkosivujen perusteella materiaalin kuiva-aine koostumus on seuraava: 7,5 % savea, 7,5 % hiekkaa, 10 % silttiä, 65 % orgaanisia kuituja, kuten olkea ja riisin akanoita, sekä 10 % sammu- tettua kalkkia. Materiaali valmistetaan sekoittamalla kuiva-aineet veden kanssa ja jauhamalla massa koostumukseltaan homogeeniseksi. [19]
Rakennusjätteen ja teollisuuden sivutuotteiden käyttö tulostusmateriaalin osana on kus- tannustehokasta ja ennen kaikkea ekologista. Esimerkiksi Kiinalaisyhtiö Winsun käyttää betonitulostusmateriaalissaan runkoaineena murskattua kierrätysbetonia [12]. Geopoly- meeribetoni on myös varteenotettava vaihtoehto tutkittaessa vaihtoehtoisia kantavien rakenteiden 3D-tulostamiseen soveltuvia materiaaleja. Geopolymeeribetoni valmiste- taan hyödyntäen teollisuuden sivutuotteita, kuten lehtotuhkaa tai masuunikuonaa.
Geopolymeeribetonin hiilijalanjälki on pienempi kuin tavanomaisen portland-sementistä tehdyn betonin ja materiaalilla on myös muita edullisia ominaisuuksia, kuten pienempi kutistuvuus ja parempi kemikaalien sekä palon kesto. [20] Geopolymeeribetonin sovel- tamista 3D-tulostamiseen on tutkittu ja tutkimustulokset vaikuttavat soveltuvuuden suhteen lupaavilta [12].
3.2 Rakennustuotantoon soveltuvat tulostuskäytännöt ja tuo- tantomenetelmät
Erilaisia tulostuskäytäntöjä on lukuisia eri materiaaleille, joten niitä kaikkia ei ole mahdol- lista käydä läpi tässä tutkimuksessa. Käsiteltäviksi tulostuskäytännöiksi on valittu sellaisia, joita on joko sovellettu käytännössä rakennustuotantoon tai niistä on saatavilla kattavasti tutkimustietoa. Tavoitteena on esitellä pääasiassa vain kantavien rakenteiden ja rakenneosien tuotantoon soveltuvia menetelmiä.
Uusien teknologioiden haasteena erityisesti rakennustuotannossa on varmistaa esitetty- jen prosessien todellinen soveltuvuus aiottuun käyttötarkoitukseen tuotanto- ja
työmaaolosuhteissa. Tämä vaatii pitkiä testausajanjaksoja ja suuria panostuksia proses- sien kehittäjiltä. Rahoituksen puute koituu harmillisen usein lupaavienkin teknologioiden kohtaloksi ennen, kuin niistä on saatu kehitettyä markkinoille valmis tuote tai tuotanto- tapa. Tässäkin tutkimuksessa esitetyistä tuotantotavoista suuri osa on edelleen kehitysasteella ja niiden soveltuvuudesta on lähinnä tapausluontoista näyttöä.
3D-tulostamiseen perustuvassa rakennustuotannossa, voidaan perinteisen rakennus- tuotannon tapaan valita kantavien rakenteiden tuotantotavaksi joko tehdaslähtöinen elementtirakentaminen tai paikan päällä rakentaminen [21]. Tehdasympäristössä tulos- tinlaitteiden liikuteltavuuteen ei tarvitse myöskään kiinnittää juurikaan huomiota, toisin kuin työmaakäyttöön tarkoitetuissa laitteissa. Tehdaskäyttöön tarkoitetut tulostinlaitteet voivat siksi olla kooltaan suurempia, mikä mahdollistaa suuremman tulostusalueen. Val- mistettavien tulosteiden kokoa rajoittaa kuitenkin se, että lopullinen tuote tulee voida siirtää valmistuspaikasta loppusijoituspaikkaan kustannustehokkaasti. [12] Tulostusym- päristöllä on merkittävä vaikutus materiaalia lisäävien tuotantotapojen soveltamiseen.
Tehdasolosuhteissa tulostimet ovat kontrolloidussa ympäristössä, valmiiksi koottuina ja oikein säädettyinä. Tehdastuotannossa tulostinlaitteita yleensä myös operoivat henkilöt, joilla on kattava tuntemus kyseisen tuotantotavan yksityiskohdista ja sovellettavien tu- lostuslaitteiden toiminnasta. Tehdasympäristössä myös lämpötilaa, ilmankosteutta ja muita ympäristötekijöitä voidaan säätää kullekin tuotantotavalle parhaiten soveltuviksi.
Näin ollen tehdasolosuhteissa tehdyn tuotannon laadun varmistaminen ja tarkkailu on helpompaa ja tasalaatuisten tuotteiden tuottaminen varmempaa.
Rakennuspaikalla tehtävään tulostamiseen löytyy useita erilaisia menetelmiä, mutta merkittävin haaste kokonaisen rakennuksen tulostamisessa on yleensä rakennusten suuri koko. Tulostimet, jotka liikkuvat joko autonomisesti tai niitä siirretään manuaalisesti rakennustyön edetessä eri kohtiin rakennustyömaata, ovat yksi ratkaisu ongelmaan. Täl- laisten tulostinlaitteiden tulee olla melko kompakteja ja helposti liikuteltavissa.
Liikuteltavat laitteet voivat tulostaa rakennusta joko sisä- tai ulkopuolelta ja tulostimen tulostinalue ei periaatteessa merkittävästi rajoita tulostettavan rakennuksen kokoa tai muotoa. Toinen lähestymistapa on saada koko tulostettava rakennus mahtumaan tulos- timen tulostusalueelle, eli käytännössä tulostimen sisään. Tällaista tulostustapaa kutsutaan gantry-tulostamiseksi. Termi gantry tarkoittaa siltanosturia ja viittaa 3D-tulos- tamisessa tulostimenpään liikkumiseen xyz-avaruudessa tulostuslaitteen sisällä. Gantry- menetelmässä tulostimen kapasiteetti kuitenkin sanelee tulostettavan rakennuksen mak- simikoon ja tulostimen kokoaminen sekä työmaan valmistelu itsessään ovat melko suuria työvaiheita. Etuna gantry-tulostimissa on mahdollisuus tulostaa koko rakennuk- sen runko täysin autonomisesti, kun tulostinta ei tarvitse liikutella työvaiheiden välissä.
[22] Kuvassa 11 on esitelty kahden eri yrityksen, Apis Corin ja Contour craftingin näke- myksiä edellä mainituista tulostusmenetelmistä sovellettuna betonin tulostamiseen.
Kuva 11. Apis Cor -yrityksen liikuteltava tulostin [24] ja Contour Crafting -yrityksen gantry-tulostin [25]
Työmaaolosuhteet tuottavat myös muita lisähaasteita 3D-tulostamiselle. Esimerkiksi lämpötilan muutokset, ilmankosteus, sade, pöly tai pakkanen saattavat vaikuttaa tulos- tusmateriaalien ja laitteiden käyttäytymiseen ennalta-arvaamattomasti.
3.2.1 Betonin tulostus
Betonin 3D-tulostamiseen rakennustuotannossa on tällä hetkellä kaksi suhteellisen pal- jon tutkittua ja testattua menetelmää, jotka ovat betonin pursotus ja sideaineen suihkutus. Näistä lähestymistavoista suositummalta vaikuttaa betonin pursotus, koska valtaosa betonin tulostamiseen tähtäävästä kehitys- ja tutkimustyöstä tehdään pursotus- menetelmää hyödyntäen tai siihen liittyen.
Betonin tulostus pursottamalla tapahtuu betonin pumppauksen avulla. Menetelmässä tu- lostinpää liikkuu yleensä xyz-avaruudessa, joko gantry-tyyppiseen tai liikuteltavaan tulostimeen kiinnitettynä. Tulostus etenee kerros kerrallaan edellisen kerroksen päälle ja materiaalin syöttönopeus sekä pumppauspaine määritellään kullekin työtavalle ja mate- riaalisekoitukselle sopiviksi. Suuttimen kokoa ja muotoa muuttamalla saadaan aikaan eripaksuisia ja muotoisia tulostuskerroksia. Kehittyneimmissä menetelmissä tulostettua pintaa viimeistellään tasoittamalla sitä tulostuksen yhteydessä automaattisesti tulostin- päähän sijoitetulla robotisoidulla lastalla. Lasta liippaa tulostuskerroksen näkyviin jäävän pinnan, jolloin viimeistelyyn tarvittava työmäärää pienenee. [26]
Tulostuskerrosten yhteen liimautuminen, kerrospaksuus ja tulostusaika sekä -nopeus vaikuttavat kaikki tulostetun rakenteen lopulliseen kestävyyteen. Tulostuskerrosten yh- teen liimautumiseen vaikuttaa erityisesti kerrosten välillä kuluva aika, sillä mitä pidempään tulostettu kerros ehtii kuivua, sitä huonommin uusi kerros tarttuu edelliseen.
Vastaavasti alemman kerroksen on kestettävä ylempien kerrosten aiheuttama tulostus- aikainen kuorma, joten uusia kerroksia ei voida tulostaa päällekkäin rajattua määrää enempää, ennen kuin materiaali on ehtinyt kuivua tarpeeksi. Ohuempi kerrospaksuus tuottaa paremmin puristusta kestävämpiä rakenteita, mutta tulostukseen kuluva koko- naisaika kasvaa sitä pidemmäksi, mitä ohuempia tulostuskerroksia käytetään.
Paksummalla tulostuskerroksella päästään parempaan kerrostenväliseen tartuntaan ja lyhempiin tulostusaikoihin. [27] Näiden ja muiden ominaisuuksien tasapainon löytä- miseksi tarvitaan tutkimusta ja testausta, jotta päästäisiin mahdollisimman tehokkaaseen tuotantoon kuitenkaan lujuuskehitystä ja laatua liiaksi heikentämättä. Kuvassa 12 näkyvä betonin pursotuksen periaate ja tapa, jolla tulostettavan rakenteen ulko- ja sisäkuori voi- daan yhdistää sekä stabiloida niiden väliin tehtävällä siksak-kuviolla.
Kuva 12. Apis Cor -yrityksen betonin pursotusmenetelmä [24]
Betonin pursotus esimerkiksi pitkissä ulokkeissa ja muissa niin kutsutuissa negatiivisissa pinnoissa ei onnistu tyhjän päälle, vaan tulostettava rakenne tarvitsee tällöin tulostusai- kaista tuentaa [12]. Valmisosatulostamisessa kappaleen asento tulostettaessa voidaan määritellä siten, että tulostusaikaisia tukia tarvittaisiin mahdollisimman vähän. Periaa- tetta voidaan soveltaa käytännössä esimerkiksi tulostamalla holvikaari kyljellään.
Työmaalla tapahtuvassa rakennustulostamisessa joudutaan tukemaan negatiiviset pin- nat tulostamisen aikana. Tuet voidaan tehdä joko tulostamalla tai manuaalisesti tulostustyön edetessä. Manuaalinen tukeminen on nopea tapa yksinkertaisten rakentei- den, kuten aukon ylityspalkkien tukemiseen. Tulostettavat tuet soveltuvat hyvin monimutkaisempien geometrioiden tukemiseen.
Betonin pursotusta soveltavan rakennustulostamisen pioneerina voidaan pitää Etelä-Ka- lifornian yliopistossa vaikuttavaa professori Behrokh Khoshevisiä, joka aloitti AM-
menetelmien tutkimisen jo 1990-luvun puolella. 2000-luvun vaihteessa Khoshnevis ke- hitti betonin pursotukseen pohjautuvan menetelmän contour craftingin. Contour crafting -menetelmässä betonia pursotetaan suuttimella, joka muodostaa ulko- ja sisäkuoren sa- manaikaisesti sekä tekee kuorien väliin stabiloivan täyttörakenteen, joka yhdistää kuoret.
Tulostinpäähän on asennettu myös ulkopinnan molemmin puolin automaattisesti liippaa- vat lastat. [12] Vuonna 2004 julkaistussa tutkimuksessa Khoshnevis pohti erilaisia mahdollisuuksia betonin tulostamiseen ja toi ilmi menetelmiä, joita sittemmin on hyödyn- netty käytännön sovellutuksissa Contour Craftingin ja muiden betonintulostukseen erikoistuneiden yritysten toimesta. Tutkimuksessa käydään läpi pursotetun pinnan liip- paus tulostuksen yhteydessä, gantry-tyyppinen tulostus ja liikuteltaviin tulostimiin perustuva tulostus sekä muita menetelmiä. [22] Myöhemmin Khoshnevis perusti myös yrityksen nimeltä Contour Crafting, jonka toimitusjohtajana hän toimii edelleen. Contour Crafting -yritys on erikoistunut gantry-tyyppisten betonitulostimien kehittämiseen ja val- mistamiseen. Ensimmäisenä yrityksen on tarkoitus julkaista pientalojen tulostamiseen soveltuva laite ja myöhemmin laajentaa valikoimaansa käsittämään myös laajarunkois- ten sekä korkeiden rakennusten tulostamiseen kykeneviä laitteita kuvassa 13 esitetyn mukaisesti. [25]
Kuva 13. Contour crafting yrityksen visioita erityyppisistä tulevaisuuden rakennus- tulostimista [25]
Yrityksen oman arvion mukaan tavanomainen noin 185 neliömetrin laajuinen yksikerrok- sinen talon runko voitaisiin tulostaa noin 24 tunnin aikana. Menetelmällä olisi mahdollista saada säästöjä rakennuskustannuksista noin 20−25 % tavanomaiseen rakentamiseen verrattuna. Materiaaleja kuluisi noin 25−30 % vähemmän, koska tulostusmenetelmän materiaalihukka on lähes olematon. Lisäksi työvoimakuluja voisi olla jopa 45−55 % vä- hemmän. [25] On huomioitava, että nämä lukemat ovat valmistajan omia arvioita, eikä niiden perustaksi ole esitetty ainakaan toistaiseksi tarkempia tutkimuksia tai todellisia referenssikohteita. Mikäli arviot ovat oikeita, countor crafting -menetelmällä voitaisiin päästä huomattaviin aika- ja kustannussäästöihin verrattuna tavanomaiseen rakennus- tuotantoon, jos ei huomioida itse tulostuslaitteiden hankinta- ja ylläpitokustannuksia, joista ei ole tietoja saatavilla.
Alun perin Venäjällä vuonna 2016 perustettu, mutta sittemmin Yhdysvaltoihin siirtynyt, yritys Apis Cor lähestyy rakennustulostusta liikuteltavien betonitulostimien ideologian kautta. Tulostin käyttää betonin pursotusperiaatetta materiaalin toimittamiseen ja tulos- tinpäässä on, contour crafting menetelmän tapaan, näkyviin jäävän pinnan viimeistelevä lasta. Tulostin tulostaa yksittäistä 25x25 millimetrin kokoista tulostuskerrosta noin 170 millimetriä sekunnissa. [12] Tulostusnopeuden ollessa ilmoitettu päästäisiin tulostimella tuottavuuteen, joka on annetuista arvoista suoraan laskemalla noin 1000 kg tunnissa.
Tulostusalue muodostuu tulostimen 360 astetta liikkuvan teleskooppisen tulostinvarren ansiosta 132 neliömetrin renkaaksi tulostimen ympäri. Kuvan 14 mukainen tulostin pys- tyy tulostamaan 4−8,5 metrin etäisyydelle sen keskipisteestä ja tulostuskorkeus rajoittuu 1,5 metristä 3,1 metriin. Tulostusmateriaali syötetään laitteelle ulkopuolisestä säiliöstä, johon tulostin on kiinnitetty letkun avulla. Tulostin painaa noin kaksi tonnia, joten sen liikuttelu onnistuu esimerkiksi autonosturilla. [24] Tulostimen paino tulee muistaa huomi- oida rakennusaikaisten kuormien mitoituksessa tulostusta suunniteltaessa. Apis Corin valmistaman tulostinlaitteen myynnin pitäisi alkaa vuoden 2020 aikana ja laitteen on ar- vioitu maksavan noin 250 000 euroa [28].
Kuva 14. Apis Cor yrityksen tulostuslaite [24]
Loppuvuodesta 2019 Apis Cor valmisti Dubaihin toistaiseksi suurimman rakennuspai- kalla 3D-tulostetun rakenneuksen maailmassa. Rakennus on laajuudeltaan 640 neliömetriä ja sen korkeus on 9,5 metriä jakautuen kahteen kerrokseen. Tulostus tehtiin ilman sääsuojausta, jolloin ilmankosteus, hiekkapöly ja lämpötilavaihtelut pääsivät vai- kuttamaan tulostuslaitteeseen ja materiaaliin. Kantavat rakenteet mitoitettiin maanjäristys, tuuli ynnä muut rasitteet huomioiden. Tasot ja perustus valmistettiin perin- teisiä paikallavalu- ja elementtirakenteita hyödyntäen. Yrityksen sivulta löytyvästä videosta käy ilmi, että itse tulostustyö jatkui ympäri vuorokauden ja vaati toimiakseen huomattavan vähän henkilökuntaa. Koko rakennuksen pystyrunko tulostettiin käyttäen yhtä valmistajan omaa betonitulostinta, jota siirreltiin työmaan eri kohtiin nosturin avulla.
Kuormituksen kannalta oleelliset kantavat runkorakenteet raudoitettiin perinteisillä beto- niraudoitteilla ja valettiin umpeen manuaalisesti hyödyntäen tulostettua rakennetta
muottina. [29] Kohteesta julkaistun kuvamateriaalin perusteella aukkojenylitykset tuettiin rakennusaikana manuaalisesti. Kuvassa 15 on esitelty yllä mainittuja yksityiskohtia ra- kennuksesta. Projektin kokonaiskestosta ja kustannuksista ei löytynyt tarkempaa selvitystä.
Kuva 15. Apis Cor yrityksen valmistama toistaiseksi suurin työmaalla 3D-tulostettu rakennus [24]
Vuonna 2002 perustettu Kiinalaisyhtiö Winsun (Yingchuang Building Technique Co.
Ltd) on toiminut myös pitkään betonin AM-tulostamisen parissa. Yhtiön menetelmä pe- rustuu betonielementtien 3D-tulostamiseen, jotka asennetaan työmaalla perinteisen elementtiasennuksen tapaan. Tulostusmassa on lasikuidulla vahvistettua betonia, jonka runkoaineena toimii murskattu kierrätysbetoni. Menetelmässä hyödynnetään myös ta- vanomaisia teräsbetonirakenteita esimerkiksi kantavissa rakenteissa, joiden avulla rakennukset saadaan täyttämään paikalliset rakennuslainsäädännön vaatimukset. Tu- lostukseen käytetään gantry-tyyppistä betonia pursottavaa tulostinta, jonka tulostinalue on massiivinen 150 metriä pitkä, 10 metriä leveä ja 6 metriä korkea. [12]
Kuva 16. Winsun yrityksen elementteinä tulostettu toimistorakennus Dubaissa [23]
Yritys on tuottanut menetelmällään erilaajuisia rakennuksia, joista tunnetuin lienee ku- van 16 Dubaihin tehty 250 neliömetrin laajuinen yksikerroksinen toimistorakennus.
Toimistotalon tulostustyö kesti yrityksen antamien tietojen mukaan 17 vuorokautta ja asennustyö vain 2 vuorokautta. Tulostetun rungon kokonaishinnaksi jäi noin 140 000 dollaria. Arvion mukaan kohteen työvoimakustannukset olivat noin 50−80 % pienemmät ja rakennusjätettä tuotettiin 30−60% vähemmän verrattuna perinteisiin rakennustapoihin.
[23] Yrityksen käyttämästä tulostusmenetelmästä ja laitteistosta on julkaistu niukasti vi- rallista tietoa, joka on johtanut spekulointiin tietojen paikkansa pitävyydestä [12]. Tietoja salataan todennäköisesti kilpailuteknisistä syistä.
Betonitulostamisessa sideaineen suihkutusmenetelmällä tulostusjauheena käytetään yleensä hiekkaa, jota on lisäaineistettu esimerkiksi sementillä, rautaoksideilla tai muilla lisäaineilla. Ruiskutettava sideaine on tavallisesti vettä, veden ja sementin yhdistelmää tai muuta nestemäistä sideainetta riippuen tulostusmetodista. Sideaineen suihkutuksen etuna verrattuna betonin pursotukseen on huomattavasti vapaampi geometria tulostus- kappaleelle, koska tulostusjauhe toimii kappaleen tukena tulostuksen aikana.
Menetelmällä voidaan tehdä myös yksityiskohtaisempia tulosteita kuin pursottamalla.
Menetelmän haittapuolena on sen työläs toteuttaminen. Tulostusvaiheessa jauhekerrok- set tulee saada levitettyä tasaisesti ja lopuksi tuloste pitää vielä putsata ylimääräisestä irtoaineesta. [30] Sideaineen suihkutusmenetelmä betonitulostamisessa toimii peruspe- riaatteeltaan kuten tutkimuksen kappaleessa 2.3 kuvataan, sillä erolla että tulostuslaite liikkuu pystysuunnassa tulostusalustan sijaan. Toistaiseksi sideaineen suihkutusta on testattu lähinnä betonin valmisosatuotantoon. Kokonaisen rakennuksen tulostamaan ky- keneviä laitteita ei ole vielä olemassa. Menetelmän käyttö työmaaolosuhteissa olisi todennäköisesti myös melko haastavaa muuttuvien sääolojen ja etenkin ilmankosteuden takia, joka saattaisi kovettaa tulostusjauheen. Sääolot tulisi saada estettyä sekä lämpö- tila ja ilmankosteus tasattua, jotta tulostus olisi teoreettisesti mahdollista toteuttaa
työmaaolosuhteissa. Tulostusjauhetta tarvitaan myös huomattavasti enemmän, kuin lo- pullinen elementti on tilavuudeltaan, koska koko tulostusalue tulee täyttää jauheella tulostettavan kappaleen koosta riippumatta. Ylimääräisen tulostusjauheen tuominen ja pois vieminen aiheuttaa lisää logistisia kuluja. Sideaineen tulostusmenetelmän suurin potentiaali rakennustuotannossa lieneekin monimutkaisia muotoja sisältävien element- tien ja rakenneosien tehdastulostamisessa, joita olisi muilla toteutustavoilla kallis tai hankala toteuttaa.
Italialainen Enrico Dini aloitti sideaineensuihkutukseen perustuvan D-shape−tulostinlait- teen kehitystyön vuonna 2007. Menetelmä perustuu gantry-tyyppiseen tulostimeen, joka koostuu kevyestä alumiinirungosta ja koko tulostinalueen levyisestä tulostinpäästä, jossa on 300 suutinta 20 millimetrin välein. Laite kykenee tulostamaan maksimissaan 6x6x6 metrisen tulostusalueen sisään mahtuvia kappaleita. Tulostukseen käytettävä runkoaine on melko hienojakoista 0,2−4 mm raekooltaan. Tulostuskerroksen paksuus on vuosien testauksen myötä asettunut 5 millimetriin. [30] Tulostimen tulostusnopeudesta ei löytynyt tarkempaa selvitystä. Kuvassa 17 on esitetty D-shape−tulostin ja -tulostuspää, sekä tu- lostusprosessin eri vaiheita suunnittelusta valmistukseen ja valmiiseen tuotteeseen.
Kuva 17. D-shape−sideaineen suihkutusmenetelmä [30]
Suomalaisella yrityksellä Fimatec Oy:llä oli kehitteillä ja osittain myös konseptikäytössä Robocatt−niminen 3D-tulostin, joka oli tarkoitettu betonielementtien tulostamiseen. Ro- bocatt pystyi valamaan betonikuoren, lisäämään siihen raudoitteet ja asentamaan
eristeet autonomisesti tulostettaviin elementteihin. [31] Fimatec Oy hakeutui kuitenkin konkurssiin vuonna 2019, mikä osittain kertoo alan haastavuudesta. Robocatt-tulostimen kehitystyön mahdollisesta jatkosta ei löytynyt enempää tietoa.
Betonin tulostamiseen on kehitteillä myös monia muita menetelmiä. Esimerkiksi Lon- toossa Bartlettin yliopistossa testataan pursotusta ja jauhepetimenetelmää yhdistävää tulostuskäytäntöä. [12] Zürichin teknillisessä yliopistossa kehitetään älykästä liukuvalu- menetelmää (engl. smart dynamic casting, SDC), joka eroaa tavallisesta liukuvalusta siten, että muottia voidaan ohjailla tietokoneavusteisesti valun aikana. SDC-menetelmä mahdollistaa esimerkiksi poikkileikkauksen koon muuttamisen tulostuksen aikana, sekä muotin kääntämisen ja kiertämisen, jota hyödyntäen saadaan aikaan erilaisia muotoja.
[32] Testauksen ja kehitystyön myötä tietotaito betonin 3D-tulostusmenetelmistä kasvaa tällä vuosikymmenellä varmasti eksponentiaalisesti ja rakennustuotantokäyttöön saa- daan yhä hienostuneempia ja tehokkaampia menetelmiä.
3.2.2 Metallin tulostus
Toistaiseksi metallin tulostamiseen rakennustuotannossa sovelletaan pääasiallisesti kahta tulostusmenetelmää, jotka ovat suorakerrostus ja jauhepetisulatus. Metallia hyö- dyntäviä lisääviä tuotantomenetelmiä käytetään rakennusalalla vielä suhteellisen vähän, mutta muilla aloilla, kuten lääketieteessä ja koneteollisuudessa, metallin tulostaminen on yleisempää. Rakennustuotantoon soveltuvia menetelmiä kehitettäessä voidaankin siksi hyödyntää muilta teollisuuden aloilta saatua kokemusperäistä tietoa. Metallin tulostami- sessa suuri energian kulutus suhteessa tuotettuun rakennemäärään ja prosessin suhteellinen hitaus tekee menetelmistä useasti epätaloudellisia verrattuna tavanomai- seen kuuma- tai kylmävalssattuun teräkseen perustuvaan rakennustuotantoon. [33]
Kantavien rakenteiden tuotannossa tulevaisuudessa metallin tulostusta voitaisiin parhai- ten soveltaa ehkäpä monimutkaisten geometristen muotojen saavuttamiseen ja yksilöllisten liitososien luomiseen, sekä hybridirakenteisiin.
Jauhepetisulatusmenetelmää sovelletaan yleensä pienempien ja monimutkaisten tulos- tuskappaleiden, kuten liitososien, tulostamiseen. Menetelmä sallii erittäin tarkkojen tulosteiden tekemisen, mutta menetelmän skaalaaminen suurempien osien tuotantoon ei onnistu ainakaan nykyisillä tulostusmenetelmillä, johtuen tulostimien kapasiteettirajoi- tuksista ja prosessin suhteellisesta hitaudesta. Metallien tulostus tulee tehdä suljetussa tilassa, joka täytetään suojakaasulla. Tästä syystä tulostimen kapasiteetti rajoittaa oleel- lisesti tulostettavan kappaleen kokoa. Menetelmän etuna on vähäinen materiaalihukka, sillä jopa 98 % ylijäämämateriaalista, eli irtojauheesta ja tulostusaikaisista tuista, voidaan
uusiokäyttää tulostamisessa. Erittäin ohuet, keskimäärin noin 20 mikrometriä, paksut tu- lostuskerrokset tekevät menetelmästä erittäin tarkan, mutta samalla tulostusprosessista erittäin hitaan. Tulostuskapasiteetti on keskimäärin vain 0,05 kilogrammaa tunnissa, eikä menetelmä siksi sovellu esimerkiksi suuren volyymin valmisosatuotantoon. [33] Tutki- muksen kappaleessa 2.3 kuvattu jauhepetisulatusmenetelmä on hyvin pitkälle se, jota sovelletaan myös rakennustuotannon sovellutuksissa.
Suorakerrostus on jauhepetisulatukseen verrattuna huomattavasti nopeampi metallien tulostusmenetelmä. Tulostuskapasiteetti on jauhetta käyttävillä menetelmillä noin 1 kilo- grammaa tunnissa, mutta lankamateriaalia hyödyntävillä menetelmillä voidaan päästä jopa 9 kilogrammaan tunnissa. Nopeamman prosessin myöstä lopputuotteen tarkkuus on vastaavasti huonompi kuin jauhepetisulatuksessa. Lankamateriaalia hyödyntävä suo- rakerrostusmenetelmä on suhteellisen halpa tuotantotapa verrattuna muihin metallin tulostustapoihin, johtuen halvasta ja helposti saatavasta lähtömateriaalista sekä suh- teellisen yksinkertaisesta laiteteknologiasta. Suorakerrostus soveltuu myös suurten rakenneosien tulostamiseen, koska tulostus ei vaadi suljettua tulostusaluetta toisin kuin jauhepetisulatuksessa. Suorakerrostuksen suurin etu, verrattuna lähes kaikkiin muihin rakennustuotannossa sovellettaviin AM-tulostusmenetelmiin, on mahdollisuus tulostaa vapaasti lähes mihin tahansa suuntaan ja siten luoda myös negatiivisia pintoja ilman erillisiä tulostusaikaista tuentaa. Tämä on mahdollista, koska tulostusmateriaali syöte- tään kohdistetusti ja se saavuttaa mekaaniset ominaisuutensa lähes välittömästi tulostustapahtuman jälkeen. [33] Kuvassa 18 on havainnollistettu tätä ominaisuutta.
Suorakerrostus rakennustuotannon sovellutuksissa noudattaa pääperiaatteeltaan koh- dassa 2.3 esitettyä menetelmää.
Kuva 18. MX3D:n havaintoesitys suorakerrostuksen tulostettavuudesta lähes mihin tahansa suuntaan ilman tuentaa [34]
Suorakerrostusmenetelmän haasteena on suurten lämpötilanvaihtelujen aiheuttamat ra- kenteiden sisäiset jännityksen sekä lämpölaajenemisesta ja -kutistumisesta aiheutuvat
muodonmuutokset. Näitä voidaan vähentää lämpökäsittelyllä ja tulostuksen jaksottami- sella siten, että tulostettava kappale ehtii jäähtyä riittävästi tulostussyklien välissä. Tämä kuitenkin hidastaa prosessia. [33]
Alankomaalainen vuonna 2014 perustettu yritys nimeltä MX3D on keskittynyt lankama- teriaalia hyödyntävien teräksen suorakerrostusmenetelmien ja tulostinlaitteiden kehittämiseen sekä rakenneosien tulostamiseen. Yrityksen kehittämä tulostinlaite yhdis- tää ABB:n valmistaman 6-vapausasteisen teollisuusrobotin ja tavanomaisen mig/mag- hitsauslaitteen kokonaisuudeksi, jolla pystytään tulostamaan suhteellisen vapaasti eri kokoisia ja muotoisia kappaleita. Yrityksen ilmoittamien tietojen mukaan heidän laitteiden keskimääräinen tulostusnopeus on yli kaksi kilogrammaa tunnissa. Tulostuksen kustan- nukset ovat noin viidesosa metallien jauhepetisulatusmenetelmän kustannuksiin verrattuna. Materiaalina sovellettava ruostumattomasta teräksestä valmistettu hitsaus- lanka maksaa noin 5 euroa kilogrammalta, kun vastaava jauhepetisulatukseen tarkoitettu materiaali maksaa noin 50 euroa kilogrammalta. [34]
Kuva 19. MX3D:n valmistama ruostumattomasta teräksestä suorakerrostamalla tu- lostettu silta [34]
Yrityksen tunnetuin projekti on Amsterdamiin suunniteltu, ruostumattomasta teräksestä valmistettu, 12 metriä pitkä ja 4500 kilogrammaa painava kävelysilta. Projektissa on yh- distetty rakenteen kuormitusoptimointia muodon kautta kuvan 19 mukaisesti ja samalla haluttu esitellä menetelmän tuomia etuja, kuten geometristä vapautta. Sillan suunnitte- lussa hyödynnettiin algoritmista ja generatiivista suunnittelua lopullisen muodon löytämiseksi ja materiaalimenekin optimoimiseksi. Suunnittelutyöstä vastasi Arup Group
Ltd. [35] Tulostustyö aloitettiin maaliskuussa 2017 ja se valmistui lokakuussa 2018. Sil- lan rakenteellinen kestävyys tullaan varmistamaan kuormituskokeilla, jotka suorittavat Twenten yliopisto. MX3D:n mukaan rakenne on läpäissyt kuormitustestin ensimmäisen vaiheen, joka oli 20 tonnin staattinen kuormitus. [34]
Yrityksen ilmoittamien lukujen perusteella voidaan laskea teoreettinen tuotantoaika ja materiaalikustannukset vastaavanlaisen sillan tulostamiseksi. Tulostamiseen kuluisi ai- kaa noin 2250 tuntia eli noin 94 vuorokautta ja pelkät raaka-ainekustannukset olisivat laskennallisesti 22500 euroa. Kun lisätään tähän suunnittelukustannukset, laitekulut, työ- voimakulut ynnä muut tuotantokustannukset, nousevat menetelmän kokonaiskustannukset nopeasti hyvin suuriksi. Menetelmän hitaus ja suuret kustannuk- set rajoittavat sen soveltumista tavanomaisen rakennustuotannon käyttötarpeisiin, joissa tuotannon nopeus ja kustannustehokkuus on ensisijaisen tärkeitä tekijöitä kannatta- vuutta arvioitaessa. Menetelmä soveltuu todennäköisesti parhaiten uniikkien ja monumentaalisten rakenneosien ja rakennusten valmistamiseen, joiden kustannuste- hokkuus ei ole ensisijainen vaatimus.
3.2.3 Muovien tulostus
Erilaisia muoveja ja muoviin pohjautuvia komposiittimateriaaleja soveltavia menetelmiä on käytetty ja kehitetty pisimpään materiaalia lisäävistä tuotantotavoista. Tästä syystä muovin tulostaminen on hyvin pitkälle kehittynyttä ja siitä on olemassa useita erilaisia menetelmiä. [36] Toistaiseksi muovit ovat myös yksi kustannustehokkaimpia lisäävän tuotannon materiaaleista. Muovien ja komposiittimateriaalien tulostamiseen rakennus- käytössä on toistaiseksi sovellettu lähinnä materiaalin pursotukseen perustuvia menetelmiä. [37] Muovin pursotusmenetelmä on rakennustuotannossa yleensä hyvin sa- mankaltainen kuin kohdassa 2.3 kuvattu periaate. Tulostinlaite itsessään voi olla, joko gantry-tyyppinen tai esimerkiksi robotiikkaan perustuva, jolloin tulostinalue ei rajoita tu- lostettavan kappaleen kokoa. Muovin muokkaus onnistuu melko matalassa lämpötilassa, minkä takia siihen perustuvat menetelmät ovat suhteellisen nopeita. Muovi materiaalina on myös edullista. Sama ominaisuus, mikä tekee muovista hyvin soveltuvan AM-tekniikoihin, tekee siitä myös huonosti soveltuvan kantavien rakenteiden rakennus- materiaaliksi. Korkeiden lämpötilojen heikko kesto aiheuttaa sen, ettei muovista valmistetut rakenneosat kestä palokuormaa käytännössä lainkaan, ilman merkittävää palonsuojausta. Muovin käyttö kantavien rakenteiden rakennustuotannossa lieneekin parhaiten sovellettavissa esimerkiksi monimuotoisten valumuottien luomisessa tai lii- tososien mittaprototyyppien tekemiseen, ennen kuin lopullinen osa tulostetaan
