Juho Vanhatalo
AINETTA LISÄÄVÄN VALMISTUKSEN HAASTEET JA MAHDOLLISUUDET VALMISTAVASSA TEOLLISUUDESSA
Kandidaatintyö
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta
Toukokuu 2021
TIIVISTELMÄ
Juho Vanhatalo: Ainetta lisäävän valmistuksen haasteet ja mahdollisuudet valmistavassa teollisuudessa
Kandidaatintyö Tampereen yliopisto
Kone- ja tuotantotekniikan tutkinto-ohjelma Toukokuu 2021
Perinteisten ainetta poistavien menetelmien rinnalle on viime vuosikymmenten aikana kehittynyt uusi valmistusmenetelmä, joka tunnetaan nimellä ainetta lisäävä valmistus. Ainetta lisäävää valmistusta voidaan pitää kestävän kehityksen kannalta parempana vaihtoehtona, sillä ainetta lisäävässä valmistuksessa raaka-aineet voidaan käyttää tehokkaammin perinteisiin valmistusmenetelmiin verrattuna. Työ on luonteeltaan kuvaileva kirjallisuuskatsaus, jossa aihetta kuvaillaan laaja-alaisesti aiempien tutkimusten ja selvitysten pohjalta.
Tämän työn tarkoituksena on esitellä yleisimpiä metallimateriaalien ainetta lisääviä valmistusmenetelmiä ja selvittää, miten ne soveltuvat valmistavaan teollisuuteen. Työssä perehdytään ainetta lisäävää valmistusta käyttäviin teollisuudenaloihin ja valmistusprosesseihin laaja-alaisen kuvan aikaansaamiseksi. Luvussa 2 on myös perehdytty ainetta lisäävän valmistuksen kustannuksiin kaikkien sen kuluerien näkökulmista.
Kirjallisuuskatsauksen pohjalta on tehty analyysi ainetta lisäävän valmistuksen haasteista ja mahdollisuuksista valmistavassa teollisuudessa. Keskeisimmiksi haasteiksi valikoitui ainetta lisäävän valmistuksen valmistusnopeus sekä taloudelliset kulut. Keskeisimmiksi mahdollisuuksiksi esitettiin kestävää kehitystä sekä yhä kehittyneempiä teknologioita. Näiden pohjalta pohdittiin ainetta lisäävän valmistuksen tulevaisuutta, ja miten ainetta lisääviä valmistusmenetelmiä voitaisiin kehittää valmistavan teollisuuden tarpeisiin.
Työ osoittaa, että ainetta lisäävä valmistus soveltuu valmistavaan teollisuuteen, mutta valmistusmenetelmiä on kehitettävä, jotta ainetta lisäävää valmistusta voitaisiin hyödyntää entistä laajemmin. Ainetta lisäävä valmistus soveltuu parhaiten sellaisten komponenttien valmistukseen, joita on vaikea tuottaa perinteisillä valmistusmenetelmillä. Perinteisiin valmistusmenetelmiin verrattuna ainetta lisäävää valmistusta voidaan pitää ympäristöystävällisempänä, sillä se on resurssi- ja energiatehokkaampaa. Ainetta lisäävää valmistusta käytetään jo kaikilla teollisuudenaloilla, mutta erityisesti lentokoneteollisuudessa vaativia materiaaliominaisuuksia omaavien moottorikomponenttien valmistuksessa.
Jatkotutkimusehdotuksena esitettiin tutkimuksen kohdistamista erityisesti Suomen teollisuuteen.
Jos ainetta lisäävän valmistuksen mahdollisuuksia ja haasteita tutkittaisiin suomalaisten yritysten näkökulmasta, tutkimuksessa saataisiin tarkempaa tietoa siitä, miten ainetta lisäävä valmistus soveltuisi juuri Suomen teollisuuteen. Samalla saataisiin selvitettyä suomalaisten yritysten mielenkiintoa ainetta lisäävää valmistusta kohtaan.
Avainsanat: Ainetta lisäävä valmistus, valmistava teollisuus, valmistusmenetelmä Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck –ohjelmalla.
SISÄLLYSLUETTELO
1. JOHDANTO ... 1
1.1 Tutkimuksen tausta ... 1
1.2 Tutkimuksen tavoite ja tutkimuskysymykset ... 2
1.3 Tutkimuksen rajaukset ja tutkimusmenetelmä ... 2
2. AINETTA LISÄÄVÄ VALMISTUS ... 4
2.1 Ainetta lisäävä valmistus teollisuudessa ... 4
2.2 Ainetta lisäävän valmistuksen menetelmät ... 6
2.2.1Valmistusprosessi ... 7
2.2.2Jauhepetisulatus ... 8
2.2.3Suorakerrostus ... 10
2.2.4Sideaineen suihkutus ... 10
2.3 Ainetta lisäävää valmistusta käyttävät teollisuudenalat ... 11
2.3.1 Lentokoneteollisuus ... 12
2.3.2Autoteollisuus ... 13
2.3.3 Ainetta lisäävä valmistus Suomessa ... 14
2.4 Ainetta lisäävän valmistuksen kustannukset ... 15
3. TULOKSET ... 17
3.1 Haasteet ... 18
3.2 Mahdollisuudet ... 20
3.3 Tulevaisuus ... 20
4. YHTEENVETO ... 22
LÄHTEET ... 25
1. JOHDANTO
1.1 Tutkimuksen tausta
Nykypäivän kiertotaloustrendin ja kestävän kehityksen myötä teollisuudessa on yhä enemmän kiinnitetty huomiota muun muassa käytettyjen resurssien ja jätteiden määrään. Perinteisissä ainetta poistavissa menetelmissä, kuten sorvauksessa ja jyrsinnässä, joudutaan työstämään kappaleita paljon. Työstöstä syntyy suuria määriä raaka-aine jätettä, joka joudutaan kierrättämään ja tästä syystä valmistusprosessi kuluttaa paljon raaka-aineita sekä energiaa. Tämä on ongelmallista kestävän tuotannon ja maapallon rajallisten resurssien kannalta, mutta ongelmaan on kehitelty ratkaisua:
ainetta lisäävä valmistus.
Ainetta lisäävä valmistus (Additive Manufacturing) on yleistyvä menetelmä valmistavassa teollisuudessa. Moni pitää menetelmää hyvinkin uutena, mutta ensim- mäiset kaupalliset järjestelmät kehitettiin jo 1980-luvulla (Wohlers et al. 2018 s. 18). Siitä lähtien menetelmä on kehittynyt valtavasti ja nykypäivänä ainetta lisäävää valmistusta hyödynnetään kaikilla teollisuuden aloilla. Maailmanlaajuisesti ainetta lisäävästä valmistuksesta on tullut miljardiluokan liiketoimintaa ja sen ennustetaan edelleen kasvavan. (Frost & Sullivan 2016, s. 19)
Ainetta lisäävä valmistus on menetelmä, jossa kappaleita tuotetaan 3D-mallitiedon pohjalta materiaaleja yhteen liittämällä. Tyypillisesti tämä tapahtuu siten, että materiaalia levitetään tai ruiskutetaan kerros kerrokselta, jolloin syntyy kolmiulotteinen kappale. 3D- tulostus-termiä käytetään usein synonyyminä ainetta lisäävälle valmistukselle, vaikka 3D-tulostus on vain yksi ainetta lisäävän valmistuksen sovellus. (SFS-EN ISO/ASTM 52900:2017.) Tämä johtuu siitä, että 3D-tulostus-termi on yleisempi ja helpommin ymmärrettävissä kuin ainetta lisäävä valmistus -termi (Gebhardt et al. 2018). Tässä työssä käsitellään termejä erillisinä standardin SFS-EN ISO/ASTM 52900:2017 mukaisesti.
1.2 Tutkimuksen tavoite ja tutkimuskysymykset
Tutkimuksen tavoitteena on selvittää ainetta lisäävän valmistuksen haasteita ja mahdol- lisuuksia valmistavassa teollisuudessa. Tavoitteena on etsiä tietoa valmistusmenetelmistä ja siitä, miten niitä käytetään. Tietoa pyritään keräämään myös ainetta lisäävään valmistukseen liittyvistä haasteista. Ainetta lisäävän valmistuksen mahdollisuuksia ja hyötyjä valmistavassa teollisuudessa on syytä tutkia, jotta sitä voidaan tehokkaammin kehittää juuri valmistavan teollisuuden tarpeisiin.
Tutkimuksen päätutkimuskysymys on seuraava: Miten ainetta lisäävä valmistus soveltuu valmistavaan teollisuuteen? Päätutkimuskysymykseen vastataan tutkimuksen alakysymysten avulla, jotka ovat seuraavat:
1. Mitä ainetta lisäävän valmistuksen tekniikoita ja teknologioita valmistavassa teollisuudessa käytetään?
2. Mitkä ovat ainetta lisäävän valmistuksen haasteita ja mahdollisuuksia?
3. Miten tekniikoita ja teknologioita voisi kehittää, jotta ne soveltuisivat paremmin valmistavaan teollisuuteen?
Ensimmäiseen alatutkimuskysymykseen pyritään vastaamaan luvussa 2 perehtymällä aiempiin aiheesta tehtyihin tieteellisiin tutkimuksiin ja teksteihin. Toiseen alatutkimuskysymykseen vastataan luvussa 3, jossa ryhmitellään haasteita ja mahdollisuuksia luvun 2 pohjalta. Kolmanteen alatutkimuskysymykseen vastataan luvun 3 viimeisessä alaluvussa, jossa esitellään pohdintaa ainetta lisäävän valmistuksen tulevaisuudesta. Tutkimuksen lopussa esitellään johtopäätökset sekä jatkotutkimusideat.
1.3 Tutkimuksen rajaukset ja tutkimusmenetelmä
Tutkimus keskittyy ainetta lisäävään valmistukseen valmistavassa teollisuudessa ja erityisesti keskitytään metallimateriaalien ainetta lisäävään valmistukseen. Aihetta lähestytään etenkin haasteiden ja mahdollisuuksien näkökulmasta, jolloin on mahdollisuus tutkia ainetta lisäävän valmistuksen soveltuvuutta valmistavaan
teollisuuteen. Erityisesti keskitytään ajankohtaiseen tietoon, ja tästä syystä monet lähteet ovat 2010-luvulta. Tuoreiden lähteiden avulla pystytään myös pohtimaan tulevaisuutta valmistavan teollisuuden näkökulmasta.
Työ keskittyy niihin aloihin, joilla ainetta lisäävää valmistusta käytetään eniten ja painotetaan osittain suomalaisen teollisuuden aloja. Lähteiden avulla selvitetään näillä aloilla yleisimmin käytetyt ainetta lisäävän valmistuksen tekniikat. Tämän jälkeen selvitettyjen tekniikoiden soveltuvuutta valmistavaan teollisuuteen tarkastellaan esimerkiksi haasteiden ja mahdollisuuksien avulla. Työssä otetaan huomioon myös kestävän kehityksen näkökulma.
Tutkimus suoritetaan kirjallisuusselvityksenä, koska kandidaatintyön luomissa rajoissa ainetta lisäävän valmistuksen haasteita ja mahdollisuuksia voidaan tutkia kattavammin tarkastelemalla aiheesta jo tehtyjä tutkimuksia ja selvityksiä. Työssä tehtyä kirjallisuusselvitystä voidaan luonnehtia kuvailevaksi kirjallisuuskatsaukseksi. Kuvaileva kirjallisuuskatsaus on yleisin kirjallisuuskatsaus, jota on kuvailtu yleiskatsaukseksi. Siinä tutkittava ilmiö voidaan kuvata laaja-alaisesti ja luokitella tutkittavan ilmiön ominaisuuksia. (Salminen 2011) Näiden ominaisuuksien vuoksi kuvaileva kirjallisuuskatsaus soveltuu tähän tutkimukseen luontevimmin.
2. AINETTA LISÄÄVÄ VALMISTUS
Varhaisimmat ainetta lisäävää valmistusta käyttävät sovellukset kehitettiin nopeaan prototyyppien valmistukseen (rapid prototyping). Nopea prototyyppien valmistus nopeutti tuotekehitystä, vähensi tuotekehityksen kuluja ja helpotti tuotteen elinkaaren suunnittelua. Sovelluksella pystyttiin tekemään monimutkaisia geometrioita, joita ei perinteisillä menetelmillä pystytty valmistamaan. Tämän takia ainetta lisäävää valmistusta on yleisimmin käytetty mallintamisessa ja prototyyppien sekä työkalujen valmistuksessa. (Gardan 2016)
2.1 Ainetta lisäävä valmistus teollisuudessa
Nykyajan ainetta lisäävän valmistuksen teknologiat on kehitetty alun perin nopeasta prototyyppien valmistuksesta. Uusien teknologisten ratkaisujen myötä menetelmää hyödynnetään laajasti valmistavassa teollisuudessa. Suurimpia ainetta lisäävää valmistusta käyttäviä aloja ovat teollisuus- ja yrityskoneita valmistava ala, ilmailuala, moottoriajoneuvoja valmistava ala sekä kuluttajatuotteita ja elektroniikkaa valmistava ala (Wohlers et al. 2018 s. 22). Kuva 1 havainnollistaa ainetta lisäävän valmistuksen käyttöä valmistavassa teollisuudessa.
20 %
18,9 %
16 % 11,7 %
11,3 % 7,9 %
5,1 % 1,9 %
7 %
Ainetta lisäävä valmistus aloittain
Teollisuus- ja yrityskoneet Ilmailuala
Moottoriajoneuvot
Kuluttaja tuotteet ja elektroniikka Lääketiede
Akateemiset laitokset Armeija
Arkkitehtuuri Muut
Kuva 1: Ympyräkaavio ainetta lisäävän valmistuksen jakautumisesta aloittain.
Muokattu lähteestä (Wohlers et al. 2018 s. 22).
Teollisuus- ja yrityskoneisiin kuuluvat toimistolaitteet, kuten tietokoneet, tulostimet ja reitittimet, sekä teollisuuden laitteet, kuten työstökoneet ja robotit. Ainetta lisäävän valmistuksen käyttö on tällä alalla kaikista yleisintä (20 %). Tämä johtuu siitä, että alan tuotteilla, kuten roboteilla ja automaatiota edistävillä välineillä, on jatkuvasti kasvava kysyntä teollisuuden aloilla. (Wohlers et al. 2018 s. 22)
Ilmailuala oli ensimmäisiä aloja, jotka alkoivat hyödyntämään ainetta lisäävää valmistusta tuotannossaan. Alan osuus ainetta lisäävän valmistuksen käytöstä onkin toiseksi suurin, 18,9 %. Ilmailualalla ainetta lisäävää valmistusta käytetään muun muassa rakettimoottoreiden sytyttimien, injektoreiden ja palotilojen valmistukseen, mutta myös sotilastason miehittämättömien ilma-alusten rakentamiseen. (Wohlers et al. 2018 s. 24)
Moottoriajoneuvojen valmistuksessa ainetta lisäävää valmistusta hyödynnetään suunnittelussa ja prototyyppien kehittämisessä sekä työkalujen valmistuksessa. Ainetta lisäävää valmistusta ei vielä kuitenkaan käytetä autojen sarjatuotannossa, koska tuotantomäärät olisivat liian suuria ainetta lisäävälle valmistukselle. Moottoriajoneuvoja valmistavan alan osuus on suhteellisen suuri (16 %). (Wohlers et al. 2018 s. 23)
Kuluttajatuotteisiin ja elektroniikkaan kuuluu monenlaisia tuotteita, kuten matkapuhelimet, keittiölaitteet sekä käsityökalut. Tällä alalla ainetta lisäävän valmistuksen käyttö ei vielä ole yleisimmästä päästä (11,7 %). Alalla ainetta lisäävä valmistus mahdollistaa tuotteiden nopean suunnittelun. Ainetta lisäävää valmistusta ei vielä hyödynnetä laajasti tuotteiden valmistamisessa vaan se painottuu enemmän tuotteiden suunnitteluun. (Wohlers et al. 2018 s. 22)
Lääketieteessä ainetta lisäävä valmistus on mahdollistanut erilaisten implanttien valmistamisen, kuten polvi-, lonkka- ja hammasimplantit. Monet akateemiset instituutiot käyttävät ainetta lisäävää valmistusta tutkimuksessa ja kehitystyössä, sekä opetuksessa. Lääketieteen osuus ainetta lisäävän valmistuksen vertailussa oli vain 11,3
%, mutta koska ainetta lisäävän valmistuksen tuotteita käytetään tutkimuksissa, voidaan niitä kenties tulevaisuudessa käyttää enemmän käytännössäkin. (Wohlers et al. 2018 s.
23, s.301)
Kuvasta (1) voidaan havaita, että ainetta lisäävä valmistus on levinnyt laajasti useille eri aloille ja sen avulla valmistetaan hyvin erilaisia tuotteita, kappaleita ja osia. Ainetta lisäävässä valmistuksessa pystytään hyödyntämään useita erilaisia materiaaleja, jolloin saadaan halutunlaiset materiaaliominaisuudet käyttötarkoituksen mukaiseksi.
Nykypäivänä kappaleita voidaan valmistaa lukuisista eri materiaaleista, mutta yleisimmin käytetyt materiaalit ovat polymeerit, metallit, keraamit ja komposiitit (Thompson et al.
2016).
2.2 Ainetta lisäävän valmistuksen menetelmät
Ainetta lisäävä valmistus voidaan jakaa yksivaiheisiin ja monivaiheisiin valmistusprosesseihin. Yksivaiheisessa valmistusprosessissa kappale saa perusgeometriansa ja materiaaliominaisuutensa yhdessä prosessivaiheessa.
Monivaiheisessa valmistusprosessissa kappale saa geometriansa ensimmäisessä prosessivaiheessa ja sen jälkeen materiaaliominaisuutensa toisessa prosessivaiheessa.
Sovelluskohteen mukaan sekä yksivaiheinen että monivaiheinen prosessi voi vaatia yhden tai useamman jälkikäsittelytoimenpiteen, jotta tuote saavuttaa kaikki sille asetetut ominaisuutensa ja mittatoleranssinsa. (SFS-EN ISO/ASTM 52900 2017)
Yksivaiheinen valmistusprosessi on mahdollista tehdä sellaisille tuotteille, jotka koostuvat kauttaaltaan samanlaisesta materiaalista, koska eri materiaalit pysyvät koossa eri atomisidoksilla. Esimerkiksi metallit pysyvät koossa metallisidoksilla ja polymeerit yleensä kovalenttisilla sidoksilla. Valmistusprosessi riippuu myös siitä, missä muodossa raaka-aine toimitetaan prosessiin. Raaka-aine voidaan syöttää prosessiin esimerkiksi jauheena, nauhana tai levyinä ja valmistus voidaan toteuttaa monella erilaisella mene- telmällä, kuten sulattamalla jauhemateriaali kerroksittain tai pinoamalla levymateriaali.
Näiden lisäksi materiaalin liitokseen tarvittava energia voidaan tuoda prosessiin erilaisilla menetelmillä. Metalleilla energianlähteenä toimivat elektronisuihkut, laserit tai ultraääni.
(SFS-EN ISO/ASTM 52900 2017) Muoveilla sula materiaali voidaan pursottaa tulostin- päällä, jolloin muodostuu kolmiulotteinen kappale. Tätä menetelmää kutsutaan 3D- tulostukseksi, ja se on tunnetuin ainetta lisäävän valmistuksen menetelmä (Wohlers et al. 2018 s. 17).
2.2.1 Valmistusprosessi
Valmistusprosessin keskeisimpiä vaiheita on tietokoneavusteinen suunnittelu (computer aided design, CAD). Tietokoneavusteinen suunnittelu on vakiintunut osaksi ainetta lisäävää valmistusta, sillä järjestelmät toimivat 3D-mallitiedon pohjalta.
Tietokoneavusteinen suunnittelu on mahdollistanut suunnittelun joustavuuden, sillä ainetta lisäävällä valmistuksella pystytään tekemään lähes minkälaisia geometrioita tahansa, eikä suunnittelu rajoitu valmistustekniikan luomiin rajoihin. Esimerkiksi ainetta poistavilla menetelmillä on vaikeaa tai jopa mahdotonta tehdä sisäisiä rakenteita työstöpään ja vapausasteiden rajoittaessa valmistusprosessia. (Gao et al. 2015)
Kuva 2 havainnollistaa ainetta lisäävän valmistusprosessin vaiheita. Ensimmäiseksi suunnitellaan virtuaalinen 3D-malli tietokoneavusteisesti mallinnusohjelmalla. Malli voidaan suunnitella käyttäen hyväksi myös fyysistä kappaletta, jos esimerkiksi halutaan suunnitella tuotteen rakenne uudelleen. Tällöin fyysisen kappaleen 3D-tiedot hankitaan käänteisellä suunnittelulla (Gardan 2016). Tämän jälkeen 3D-mallitieto muunnetaan valmistusjärjestelmälle sopivaksi, kuten STL-, AMF- tai 3MF-tiedostoksi. STL- tiedostomuoto on käytännössä yleisin ainetta lisäävässä valmistuksessa käytetty tiedostomuoto, jonka pohjalta useimmat järjestelmät rakentavat kappaleen (Wohlers et al. 2018 s. 325).
Valmis kappale Jälkikäsittely Ainetta lisäävä valmistus
Valmistusjärjestelmän asetusten määrittäminen mallitiedon pohjalta Ainetta lisäävän valmistustekniikan valinta
3D-mallitiedon muuttaminen valmistusjärjestelmälle sopivaksi Tietokoneavusteinen suunnittelu (CAD)
Kuva 2: Ainetta lisäävä valmistusprosessi. Muokattu lähteestä (Gardan 2016).
Kun kappaleen suunnittelu on valmis, valitaan valmistustekniikka. Valmistustekniikan valintaan vaikuttavat seuraavat tekijät: käytettävä materiaali, saatavilla oleva teknologia, haluttu pinnan laatu, halutut materiaaliominaisuudet, valmistuksen tarkkuus ja kesto sekä mahdolliset jälkikäsittelyprosessit. Esimerkiksi keraamisten kappaleiden valmistukseen sopii parhaiten sideaineen suihkutus, kun taas metallisten kappaleiden valmistukseen voidaan käyttää esimerkiksi suorakerrostusta. Myös valmistettavan kappaleen koko vaikuttaa valmistustekniikan valintaan, sillä eri valmistustekniikoiden valmistusalustat- ja -kammiot ovat erikokoisia. (Gokuldoss et al. 2017)
Sopivan valmistustekniikan valitsemisen jälkeen kappaleen rakentamiseen käytettävät tiedot syötetään valittuun valmistusjärjestelmään. Järjestelmä laskee kappaleiden ja mahdollisten tukirakenteiden paikat ja asennot. Ainetta lisäävässä valmistuksessa kappale on usein kiinnitetty valmistusalustaan tukirakenteilla, jotta kappale ei menetä muotoaan valmistuksen aikana. Tukirakenteet tukevat valmistettavia kappaleita ja vähentävät kappaleissa muodostuvia jännitteitä. Tukirakenteita käytetään etenkin metallikappaleiden valmistuksessa. (Gardan 2016)
Kun järjestelmä on saanut kaikki tarvittavat tiedot, aloitetaan valmistus. Valmistuksessa kappale saa perusgeometriansa, mutta voi vaatia jälkikäsittelyä riippuen käyttökohteesta. Yksi jälkikäsittelyvaihe on esimerkiksi tukirakenteiden poistaminen.
Muita jälkikäsittelyprosesseja ovat esimerkiksi kovettaminen, jauheenpoisto, sintraus ja hehkutus. Jälkikäsittelyssä kappaleen materiaaliominaisuudet paranevat ja usein valmis kappale kiillotetaan sileän pinnan aikaansaamiseksi. Näiden vaiheiden jälkeen kappale on valmis. (Gardan 2016; Gokuldoss et al. 2017)
2.2.2 Jauhepetisulatus
Jauhepetisulatus (powder bed fusion, PBF) on ainetta lisäävän valmistuksen menetelmä, jossa jauhemainen raaka-aine sulatetaan yhteen lämpöenergian avulla.
Jauhepetisulatuksessa jauhetta levitetään yhden valmistuskierron aikana ohut kerros valmistusalustalle. Tämän jälkeen jauhe sulatetaan lämpöenergialla, jonka jälkeen se jäähdytetään. Jauhepetisulatuksen ideana on jatkaa uusien kerrosten lisäämistä niin kauan, kunnes kappale on valmis. (Ngo et al. 2018) Menetelmää voidaan käyttää
keraamisten, metallisten ja polymeeristen kappaleiden valmistukseen (Thompson et al.
2016).
Menetelmällä saadaan aikaiseksi monimutkaisia rakenteita. Jauhepetisulatusta käytetään laajasti teollisuudenaloilla edistyneisiin sovelluksiin, kuten ilmailu- ja elektroniikkalaitteisiin. Metallikappaleita valmistettaessa kappale kiinnitetään alustaan tukirakenteilla, koska metalleilla on korkeat sulamispisteet. Korkeista lämpötiloista johtuen, kappaleeseen kohdistuu lämpökuormitusta sekä vääntymistä ellei kappaletta ankkuroida valmistusalustaan. Valmistusalusta toimii siis lämpönieluna, jolla johdetaan lämpöä pois valmistettavasta kappaleesta. Polymeerejä käytettäessä ei tarvita erillisiä tukirakenteita, koska valmistettavaa kappaletta ympäröivä jauhe toimii itsessään tukirakenteena. (Wohlers et al. 2018 s. 42)
Kirjallisuudessa metallikappaleiden jauhepetisulatukselle esiintyy eri nimityksiä riippuen käytettävästä teknologiasta. Yleisimpiä nimityksiä ovat lasersädesulatus (laser beam melting, LBM) ja elektronisuihkusulatus (electron beam melting, EBM). (Emmelmann et al. 2016) Elektronisuihkusulatuksella pystytään tuottamaan kappaleita hauraista materiaaleista, kuten erilaisista metalliyhdisteistä, joita ei lasersädesulatuksella pystytä valmistamaan. Lasersädesulatuksessa sulan materiaalin jäähtyminen tapahtuu yleensä nopeasti, jonka takia hauraisiin materiaaleihin muodostuu helpommin jähmettymishalkeamia. Elektronisuihkusulatuksessa jauhepeti kuumennetaan, jolloin jäähtyminen on hitaampaa. Koska elektronisuihkua käytetään useita kertoja jokaisella jauhepetikerroksella, valmistuskammion lämpötila nousee hyvin korkeaksi ja jäädytysaika on pitkä. Elektronisuihkusulatus onkin usein hitaampaa kuin lasersädesulatus, mutta käytännössä valmistusprosessi toteutetaan samalla tavalla molemmissa menetelmissä. (Gokuldoss et al. 2017)
Valmistusprosessissa saadaan tehokkaasti käytettyä raaka-aine, koska tarkasti kohdennettu lämpöenergia sulattaa yhteen vain tarvittavan materiaalin. Kappaleen valmistumisen jälkeen, ylimääräinen jauhemainen raaka-aine, joka ei ole sulanut, voidaan kerätä talteen ja käyttää se uuden kappaleen valmistamiseen.
2.2.3 Suorakerrostus
Suorakerrostus (directed energy deposition, DED) on menetelmä, jossa metallista raaka- ainetta sulatetaan samaan aikaan kun sitä tuodaan prosessiin. Menetelmässä energian- lähteenä toimii yleensä laser tai elektronisuihku, ja raaka-aine syötetään järjestelmään usein jauheena tai lankana. Menetelmässä käytetty tulostinpää syöttää raaka-ainetta ja energiaa samaan aikaan kohdennetusti, jolloin tarvittava raaka-aine saadaan tarkasti kerrostettua. Useimmat suorakerrostusjärjestelmät ovat 4- tai 5-akselisia, mikä tarkoittaa sitä, että valmistusalustaa voidaan pyörittää joko X-akselin tai Y-akselin tai molempien ympäri. Myös robottikäsiä hyödynnetään suorakerrostusjärjestelmissä, jolloin robottikäden avulla pystytään tarkasti kohdentamaan tulostinpää. Tämä mahdollistaa monimutkaisten geometrioiden valmistuksen, eikä valmistusprosessi rajoitu vain vaakasuoraan tasoon. Moniaksiaalisuus mahdollistaa aineen lisäyksen jo olemassa oleviin kappaleisiin ja siksi menetelmää käytetään myös esimerkiksi osien korjaukseen.
(Wohlers et al. 2018 s. 44)
Suorakerrostukselle käytettyjä nimiä ovat esimerkiksi LENS (Laser Engineered Net Shaping), LMD (laser metal deposition) ja DMD (direct metal deposition) (Emmelmann et al. 2016). Menetelmille syntyy myös muita nimiä, kun yritykset kehittävät ja kaupallistavat omia menetelmiään. Yleisesti menetelmät toimivat samalla periaatteella ja nimi viittaa yleensä käytettyyn teknologiaan eli lasersäteeseen tai elektronisuihkuun.
(Wohlers et al. 2018 s. 44)
2.2.4 Sideaineen suihkutus
Sideaineen suihkutuksessa (binder jetting) jauhemainen raaka-aine liitetään yhteen nestemäisen sideaineen avulla (Wohlers et al. 2018 s. 37). Tätä menetelmää voidaan käyttää sellaisten tuotteiden valmistamiseen, joiden raaka-aine voidaan tuoda prosessiin jauheena, kuten metalli-, keraami- ja polymeerituotteet. Sideaineen suihkutuksessa raaka-aine levitetään samalla tavalla tasoksi, kuin jauhepetisulatuksessa, mutta raaka- ainetta ei sulateta yhteen, vaan se liitetään yhteen sideaineen avulla. Sideaine on yleensä nestemäistä polymeeriä, joka pystyy imeytymään jauhemaiseen raaka- aineeseen. Yhden valmistuskierron aikana sideainetta suihkutetaan haluttuihin kohtiin, jolloin raaka-aine sitoutuu yhteen. Tämän jälkeen levitetään uusi jauhepetikerros, johon
suihkutetaan sideainetta. Prosessia jatketaan, kunnes kappale on valmis ja ylimääräinen raaka-aine kerätään talteen valmiin kappaleen ympäriltä. (Gao et al. 2015)
Prosessissa syntynyt kappale on usein hauras, koska sideaine on sitonut vain jauhe- maisen raaka-aineen yhteen. Jotta kappale saisi sille vaaditut ominaisuutensa, tarvitaan jatkokäsittelyä. Kappale jatkokäsitellään yleensä sintraamalla, jolloin pyritään poistamaan kappaleen huokoisuutta ja vahvistamaan sen rakennetta, kuitenkaan sulattamatta sitä. Sintrauksessa materiaalirakeet sulautuvat yhteen ja muodostavat kiinteän kappaleen. (Bhuvanesh Kumar & Sathiya 2021)
Sideaineen suihkutuksella valmistetuilla kappaleilla ei ole huokoisen mikrorakenteen takia yhtä vahvoja mekaanisia materiaaliominaisuuksia kuin esimerkiksi jauhepetisulatuksella valmistetuilla kappaleilla. Tästä syytä sideaineen suihkutuksella valmistetut osat eivät välttämättä sovellu yhtä hyvin ilmailualalla ja autoalalla käytettäviksi. Menetelmä itsessään on nopeampi kuin jauhepetisulatus, mutta jatkokäsittelyprosessit pidentävät sideaineen suihkutuksella valmistettavien kappaleiden tuotantoaikaa. (Gokuldoss et al. 2017)
2.3 Ainetta lisäävää valmistusta käyttävät teollisuudenalat
Teollisuuden alat käyttävät ainetta lisäävää valmistusta, koska sillä voidaan valmistaa sellaisia kappaleita, joita ei perinteisillä menetelmillä voida valmistaa. Raaka-aineet voidaan hyödyntää tehokkaasti, sillä esimerkiksi suorakerrostuksessa sulatetaan vain kappaleen valmistukseen tarvittava raaka-aine. Ylimääräiset raaka-ainemateriaalit voidaan kerätä talteen ja käyttää uudelleen. Menetelmä ei myöskään rajoitu käytettäviin raaka-aineisiin, vaan sitä voidaan hyödyntää moniin materiaaleihin. Tässä luvussa esitellään hieman enemmän metallikappaleiden ainetta lisäävää valmistusta.
Kuvassa 3 on esitetty metallikappaleiden ainetta lisäävien valmistusjärjestelmien myyntilukuja vuosilta 2007–2017. Kuvasta huomaa, että vuosina 2007–2012 valmistusjärjestelmien myynti on ollut maltillisessa nousussa, mutta tämän jälkeen se on noussut hyvin paljon verrattuna edellisvuosiin. Varsinkin metallikappaleiden ainetta lisäävät valmistusjärjestelmät ovat siis huomattavasti yleistyneet viime vuosina uusien laitevalmistajien tullessa markkinoille. Vuoden 2017 nousu voidaankin selittää osittain sillä, että markkinoille tuli useita uusia laitevalmistajia, jotka tarjoavat suhteellisen halpoja metallikappaleiden ainetta lisääviä valmistusjärjestelmiä. (Wohlers et al. 2018 s. 149)
2.3.1 Lentokoneteollisuus
Lentokoneteollisuudessa ainetta lisäävää valmistusta käytetään etenkin moottori- komponenttien valmistuksessa. Moottorikomponentit valmistetaan suorakerrostuksella, koska komponenteilla on vaativat materiaaliominaisuudet ja tuotanto on suhteellisen pientä. Komponentit valmistetaan yleensä metalleista, kuten titaani-, alumiini- ja teräs- sekoituksista (Bhuvanesh Kumar & Sathiya 2021). Komponenteilta vaaditaan keveyttä, lujuutta, sitkeyttä, energiatehokkuutta sekä korroosion- ja lämmönkestoa (Ford &
Despeisse 2016).
115 114 125 135 177 202 353 551 808 983 1768
2 0 0 7 2 0 0 8 2 0 0 9 2 0 1 0 2 0 1 1 2 0 1 2 2 0 1 3 2 0 1 4 2 0 1 5 2 0 1 6 2 0 1 7
METALLIKAPPALEIDEN AINETTA LISÄÄVÄT VALMISTUSJÄRJESTELMÄT
Kuva 3: Metallikappaleiden ainetta lisäävien valmistusjärjestelmien myyntiluvut vuosina 2007–2017. Muokattu lähteestä (Wohlers et al. 2018 s. 149).
Ainetta lisäävää valmistusta on hyödynnetty myös tuotteiden uudelleen suunnittelussa, koska menetelmällä pystytään valmistamaan uudenlaisia materiaalirakenteita, kuten verkkorakennetta. Tietokoneavusteinen suunnittelu mahdollistaa valmistettavan kappaleen topologisen optimoinnin, mikä tarkoittaa sitä, että kappaleesta suunnitellaan vähän materiaalia tarvitseva ja kevyt, mutta luja (Thompson et al. 2016).
Verkkorakennetta on lisätty komponenttien sisään, jolloin komponenteista on tullut kevyempiä ja kestävämpiä aiempaan rakenteeseen verrattuna (Ford & Despeisse 2016).
Kestävän kehityksen kannalta yksi merkittävä onnistuminen on ollut jätteen vähene- minen komponenttien valmistuksessa. Fraunhofer lasertekniikan instituutin mukaan suorakerrostuksella valmistetut turbiinien siivekkeet säästävät materiaalikuluissa arviolta 60 % ja lyhentävät tuotantoaikaa 30 % perinteisiin jyrsinnällä valmistettuihin siivekkeisiin verrattuna. Toinen esimerkki ainetta lisäävän valmistuksen hyödyistä on GE Aviationin suorakerrostuksella valmistetut lentokoneiden polttoainesuuttimet, jotka ovat 25 % kevyempiä ja vahvempia aikaisempaan muotoiluun verrattuna. (Ford & Despeisse 2016)
Lentokoneteollisuuden komponenttien valmistuksessa käytetyt materiaalit ovat kalliita ja vaikeasti koneistettavia, koska materiaaleilta vaaditaan lujuutta, sitkeyttä sekä keveyttä.
Monimutkaiset rakenteet tekevät koneistuksesta vaikeaa ja osien valmistuksessa syntyy suuria määriä jätettä suhteessa käytettyyn materiaaliin ja jopa 95 % raaka-aineesta menee hukkaan ja joudutaan kierrättämään lentokoneiden osien valmistuksessa. Ainetta lisäävä valmistus mahdollistaa lentokoneteollisuudessa tuotantoaikojen lyhenemisen, materiaalikustannusten vähenemisen sekä osien materiaaliominaisuuksien paranemisen. (Wimpenny et al. 2017 s. 40–43)
2.3.2 Autoteollisuus
Autoteollisuudessa ainetta lisäävää valmistusta on käytetty ajoneuvojen komponenttien suunnittelussa ja kehityksessä. Sen avulla on onnistuttu lyhentämään suunnittelun kestoa ja laskemaan tuotantokustannuksia. Ainetta lisäävää valmistusta on myös käytetty pienissä määrin ylellisyysautojen rakenteellisten ja toiminnallisten osien valmistukseen, kuten moottorin, vetoakselin ja vaihdelaatikon osiin. (Guo & Leu 2013)
Erityisesti moottoriurheilussa ainetta lisäävää valmistusta on hyödynnetty komponenttien kehityksessä ja valmistuksessa. Esimerkiksi F1-autojen vaihdelaatikoita ja jousitus- järjestelmiä, sekä MotoGP-moottoripyörien kojelautoja ja tukirakenteita on valmistettu ainetta lisäävällä menetelmällä. Kilpa-ajoneuvoista on näin saatu kevyempiä ja kestävämpiä, vaikka samanaikaisesti raaka-aine kustannukset sekä tuotantoaika ovat huomattavasti laskeneet. Esimerkiksi F1-autoihin valmistetut vaihdelaatikot ovat keventyneet 20 % - 25 %, koska ne ovat 20 % pienempiä, mutta kestävät silti vääntöä paremmin kuin vanhoilla menetelmillä valmistetut vaihdelaatikot. (Guo & Leu 2013)
2.3.3 Ainetta lisäävä valmistus Suomessa
Suomessa ainetta lisäävää valmistusta on ryhdytty käyttämään yhä enemmän tuotannossa, prototyyppien valmistuksen sijaan. Ainetta lisäävää valmistusta tarjoavat yritykset investoivat alan johtaviin valmistusjärjestelmiin. Myös yliopistolliset sairaalat ja tekniset instituutiot ovat tutkineet ainetta lisäävän valmistuksen mahdollisuuksia biomateriaalien prosessoinnissa. (Wohlers et al. 2018 s. 238)
Suomessa toimii vuonna 1998 perustettu Suomen Pikavalmistusyhdistys (Finnish Rapid Prototyping Association FIRPA ry), joka pyrkii edistämään ainetta lisäävän valmistuksen tunnettavuutta Suomessa. Yhdistys toimii ainetta lisäävän valmistuksen puolueettomana tiedon välittäjänä, ja sen tarkoituksena on edistää jäsentensä osaamista ja yhteistoimintaa. FIRPA esimerkiksi pitää kirjaa Suomessa olevista ainetta lisäävistä valmistusjärjestelmistä.
Suomessa toimii myös FAME (Finnish Additive Manufacturing Ecosystem), jonka tarkoituksena on edistää ainetta lisäävän valmistuksen käyttöä suomalaisessa koneteollisuudessa. FAME tekee yhteistyötä suomalaisten ainetta lisäävää valmistusta käyttävien yritysten kanssa ja yhteistyökumppanit jakavat kokemustaan, tietoaan, dataa ja laitteistoaan toisilleen. Näin FAME luo avoimen ja yhteisen alustan, joka kokoaa yhteen keskeiset toimijat Suomen ainetta lisäävän valmistuksen alalla. FAME:n ydinkumppaneita ovat seuraavat suomalaiset toimijat: Andritz Savonlinna Works Oy, CITEC, Elomatic, EOS Finland, Etteplan, Lillbacka Powerco / Finn-Power, Patria, Raute, SME Elektro-Group, Valmet, VILPE ja Wärtsilä. Suomalaisiin ainetta lisäävän
valmistuksen toimijoihin kuuluu konsultointi ja suunnittelu yrityksiä, kuten Etteplan ja Elomatic sekä eri teollisuuden alojen yrityksiä, kuten Valmet ja Wärtsilä.
2.4 Ainetta lisäävän valmistuksen kustannukset
Teknologian tutkimuskeskus (VTT) on tutkinut ainetta lisäävää valmistusta ja julkaissut useita selvityksiä muun muassa ainetta lisäävän valmistuksen teknologioista, haasteista ja trendeistä. Heidän mukaansa valmistuskoneet ovat vielä melko kalliita, koska valmistuskoneissa käytetään kallista huipputeknologiaa. (Kujanpää 2015) Metallikappaleiden valmistukseen käytettävät valmistusjärjestelmät maksavat ominaisuuksiensa mukaan noin 115 000 $ - 1 900 000 $ ja vuonna 2017 keskimääräinen hinta kyseisille valmistusjärjestelmille oli 407 883 $ (Wohlers et al. 2018 s. 149, s. 219) Hinta riippuu siitä, minkälaiseen teknologiaan järjestelmät perustuvat, kuinka suuria kappaleita järjestelmillä voidaan tuottaa ja minkälaisia muita ominaisuuksia järjestelmällä on (Gardan 2016).
Ainetta lisäävässä valmistuksessa metallijauheiden hinnat voivat maksaa 1–3 kertaa enemmän ja muovit 50–100 kertaa enemmän verrattuna vastaaviin perinteisissä valmistusmenetelmissä käytettyihin raaka-aineisiin, vaikka muovien kustannuksia voidaankin laskea käyttämällä kierrätettyjä materiaaleja. Raaka-ainekustannukset ovatkin suoraan verrannollisia tuotantomäärään, mikä ei ole yleistä perinteisissä valmistusmenetelmissä. (Savolainen & Collan 2020)
Ainetta lisäävä valmistus ei kuitenkaan välttämättä osoittaudu perinteisiä valmistusmenetelmiä kalliimmaksi, sillä vaikka materiaalit ovat kalliimpia kuin perinteisissä menetelmissä, materiaalien kulutus on vähäisempää perinteisiin valmistusmenetelmiin verrattuna kuten luvussa 2.3.1 mainitaan. (Ford & Despeisse 2016)
Tuotteiden suunnittelu tietokoneavusteisesti mahdollistaa valmistettavien kappaleiden topologisen optimoinnin, jolloin valmistuksessa käytetty materiaalin kulutus voidaan minimoida. Ainetta lisäävän valmistuksen tuotantonopeus ja valmistusjärjestelmän investointikustannukset ovat tällä hetkellä merkittävimmät kustannustekijät alan
toiminnassa. Tuotannon nopeutuminen alentaisi kustannustasoa ja nopeuttaisi investointikustannusten takaisinmaksua. Nopeammalla tuotannolla ainetta lisäävää valmistusta voitaisiin hyödyntää enemmän myös sarjatuotannossa. (Kujanpää 2015)
Ainetta lisäävän valmistuksen investointikustannukset eivät rajoitu pelkästään valmistusjärjestelmän hankintakustannuksiin. Ainetta lisäävässä valmistusprosessissa yksi tärkeimmistä vaiheista on jatkokäsittely, koska jatkokäsittelyssä tuotteelle saadaan aikaan sille vaaditut materiaaliominaisuudet. Tukirakenteiden poistoon ja kappaleiden irrottamiseen käytetyt laitteet voivat maksaa 10 000 $ - 200 000 $, riippuen laitteiden teknologiasta. Esimerkiksi vannesaha maksaa yleisesti 10 000 $ - 30 000 $, mutta elektronipurkauksiin perustuva järjestelmä maksaa 50 000 $ - 200 000 $.
Lämpökäsittelyuunit maksavat 15 000 $ - 30 000 $, mutta titaanikappaleiden lämpökäsittelyyn tarkoitetut uunit voivat maksaa 100 000 $. Erityiset isostaattiset kuumapuristuslaitteet (hot isostatic pressing system), joilla metallikappaleista eliminoidaan huokoisuutta ja halkeamia, voivat maksaa 1 500 000 $ - 3 000 000 $.
Isostaattisia kuumapuristuslaitteita käytetäänkin lähinnä ilmailualan tuotannossa, koska osien tulee saavuttaa tiukat materiaaliominaisuudet. Myös tietokoneavusteisten suunnitteluohjelmien sekä valmistusjärjestelmien ohjelmistojen lisenssimaksut tuovat lisäkustannuksia, mutta kustannukset vaihtelevat laajasti ohjelmistoista riippuen.
(Wohlers et al. 2016 s. 219–221)
3. TULOKSET
Perinteisillä ainetta poistavilla valmistusmenetelmillä, kuten sorvauksella ja jyrsinnällä on vaikeaa, tai jopa mahdotonta, valmistaa sellaisia rakenteita, joita ainetta lisäävällä valmistuksella voidaan tuottaa. Valmistusmenetelmät ja -tekniikat ovat kehittyneet paljon viime vuosien aikana, ja ainetta lisäävää valmistusta kehitetään ja tutkitaan jatkuvasti yhä enemmän.
Työssä esiteltyjen aineistojen pohjalta on pystytty havaitsemaan ainetta lisäävän valmistuksen keskeisimpiä haasteita ja mahdollisuuksia. Luetun aineiston perusteella keskeisimmiksi haasteiksi on valittu taloudelliset kulut sekä valmistusnopeus ja keskeisimmiksi mahdollisuuksiksi kestävä kehitys sekä uudet teknologiat. Kuvassa 4 on havainnollistettu nämä tuloksien esittelyyn valitut näkökulmat.
HAASTEET MAHDOLLI- SUUDET
Uudet teknologiat
Kestävä kehitys
Valmistus- nopeus Taloudelliset
kulut
Kuva 4: Tärkeimmät huomiot ainetta lisäävän valmistuksen haasteista ja mahdollisuuksista.
Näiden näkökulmien pohtiminen perustuu luettuun ja luvussa 2 esitettyyn aineistoon.
Pohdinta koskee tästä syystä erityisesti ainetta lisäävän valmistuksen nykytilaa.
Nykytilan pohjalta on hahmoteltu ainetta lisäävän valmistuksen tulevaisuuden kehityspolkuja, joita pohditaan tämän luvun viimeisessä alaluvussa. Ainetta lisäävän valmistuksen tulevaisuutta pohtiessa keskitytään erityisesti kehitystrendeihin ja sen kehitykseen valmistavassa teollisuudessa.
3.1 Haasteet
Ainetta lisäävän valmistuksen haasteisiin lukeutuu pääasiassa teknologisia ja rahallisia haasteita. Vaikka ainetta lisäävällä valmistuksella on mahdollista valmistaa lähes minkälaisia rakenteita tahansa, on tuotanto usein hyvin hidasta. Tästä syystä ainetta lisäävää valmistusta käytetään loppukäyttötuotteiden valmistamiseen esimerkiksi lentokoneteollisuudessa, huippuluokan autoteollisuudessa ja biolääketieteessä. Näillä aloilla tuotanto on pientä ja tuotteilta vaaditaan tiukkoja materiaaliominaisuuksia. (Gao et al. 2015)
Ainetta lisäävässä valmistuksessa valmistusnopeus on noussut yhtenä merkittävänä haasteena esille. Valmistusprosessi on yleensä pitkä ainetta lisäävässä valmistuksessa perinteisiin valmistusmenetelmiin verrattuna. Ainetta lisäävä valmistus vaatii yleensä erilaisia jälkikäsittelyprosesseja, joita ovat esimerkiksi tukirakenteiden ja jauheen poisto, hehkutus ja kovetus. Jälkikäsittelyvaiheet ovat kriittinen osa valmistusprosessia, jotta valmiit kappaleet saavat niille asetetut materiaaliominaisuutensa. Itsessään myös kappaleiden valmistus on hidasta, koska esimerkiksi suorakerrostuksessa raaka-ainetta joudutaan sulattamaan ja lisäämään kerros kerrokselta.
Toisaalta valmistusnopeutta on voitu kasvattaa joissain tapauksissa kappaleiden tuotannossa ainetta lisäävän valmistuksen ansiosta. Tietokoneavusteinen suunnittelu mahdollistaa topologisen optimoinnin, jolloin raaka-aineen kulutus saadaan minimoitua.
Tällöin raaka-ainetta ei tarvitse lisätä kuin tarvittaviin kohtiin, jolloin valmistusnopeus kasvaa verrattuna perinteisiin menetelmiin, vaikka ainetta lisäävät valmistusmenetelmät ovatkin usein hitaita. Esimerkiksi luvussa 2.3.1 mainitaan suorakerrostuksella valmistetut turbiinien siivekkeet, joiden tuotantoajat ovat lyhentyneet ja saman aikaisesti raaka-
aineiden kulutus laskenut verrattuna aikaisempiin valmistusmenetelmiin. Tämä johtuu siitä, että turbiinien siivekkeet valmistetaan kehittyneistä ja kovista materiaaleista, joiden koneistaminen on vaikeaa. Ainetta lisäävä valmistus soveltuukin hyvin vaativia materiaaliominaisuuksia sekä monimutkaisia geometrioita omaavien kappaleiden valmistukseen.
Laserteknologiaan perustuvat ainetta lisäävät valmistusjärjestelmät ovat alkaneet hyödyntää valmistuksessa useaa laseria. Usean laserin käyttö mahdollistaa nopeamman valmistuksen verrattuna yksi laserisiin valmistusjärjestelmiin. Usean laserin valmistusjärjestelmät ovat kuitenkin huomattavasti kalliimpia yksi laserisiin valmistusjärjestelmiin verrattuna korkean teknologiansa vuoksi. (Roland Berger GmBH 2016 s. 39)
Ainetta lisäävän valmistusjärjestelmän hankintakustannukset ovat korkeita, sillä valmistusjärjestelmät ovat suhteellisen kalliita. Ainetta lisäävään valmistusjärjestelmän hintaa nostavat myös jatkokäsittelyyn tarvittavat laitteet, jos valmistusjärjestelmään ei ole integroitu jatkokäsittelylaitteistoja. Korkeaan teknologiaan perustuvat laitteet maksavat paljon, mikä tekee laitteiden investointikustannusten takaisinmaksusta pitkää.
Ainetta lisäävää valmistusta käytetäänkin lähinnä korkeatasoisten ja kalliiden lopputuotteiden valmistuksessa, koska tällöin investointikustannukset saadaan suhteellisen nopeasti maksettua takaisin.
Jotta ainetta lisäävää valmistusta voitaisiin soveltaa enemmän kappaletuotantoon valmistavassa teollisuudessa, tulisi valmistusjärjestelmien hintojen olla kohtuullisia.
Ainetta lisäävä valmistus on suhteellisen kallista verrattuna perinteisiin valmistusmenetelmiin ja siksi yritykset eivät välttämättä halua investoida ainetta lisäävään valmistukseen. Ainetta lisäävän valmistuksen käyttöönotto vaatii työntekijöiden koulutusta, valmistusjärjestelmien ja -ohjelmistojen hankintaa sekä jälkikäsittelylaitteistoja. Näin ollen investointikulut ovat hyvin korkeita ja vaativat paljon pääomaa. Ainetta lisäävän valmistuksen käyttöönotto on pitkä prosessi, koska valmistettavat kappaleet pitää suunnitella uudelleen ainetta lisääville valmistusjärjestelmille sopiviksi.
3.2 Mahdollisuudet
Ainetta lisäävän valmistuksen mahdollisuuksia ovat varsinkin tuotteiden uudelleensuunnittelu ja kestävyyden parantuminen, paikallisen valmistuksen yleistyminen sekä huomattavat materiaali- ja energiasäästöt (Ford & Despeisse 2016).
Ainetta lisäävä valmistus tuo mahdollisuuksia kestävän kehityksen toteuttamiseen.
Ainetta lisäävä valmistus vähentää raaka-aineiden käyttöä ja energian kulutusta, mikä on keskeinen tekijä ympäristön kestävyyden kannalta (Huang et al. 2013). Ainetta lisäävä valmistus mahdollistaa paikallisen tarvittaessa tuotannon (on-demand manufacturing), jonka seurauksena varastoinnin, kuljetuksen ja pakkaamisen tarvetta voidaan vähentää merkittävästi, kun tuotteet valmistetaan paikallisesti lähellä markkinoita (Ford & Despeisse 2016). Tällöin tuotteet voidaan valmistaa suoraan 3D- mallitiedon pohjalta, jolloin puhutaan suorasta digitaalisesta valmistamisesta (direct digital manufacturing) (Chen et al. 2015).
Topologinen optimointi mahdollistaa raaka-aine säästöt sekä kevyiden ja kestävien osien valmistuksen. Tästä esimerkkinä luvussa 2.3.1 mainittu verkkorakenne, joka pystytään toteuttamaan käyttämällä hyödyksi topologista optimointia.
Tietokoneavusteisten mallinnusohjelmien kehittyessä topologinen optimointi tulee olemaan merkittävässä roolissa ainetta lisäävässä valmistuksessa. Kun topologinen optimointi voidaan toteuttaa jo suunnitteluvaiheessa, voidaan 3D-mallin tiedot siirtää suoraan ainetta lisäävään valmistusjärjestelmään, jolloin voidaan tuottaa kestäviä ja lujia kappaleita, pienillä materiaalikustannuksilla. Ainetta lisäävällä valmistuksella tuotetut kevyet osat saavat aikaan polttoainesäästöjä esimerkiksi lentokoneteollisuudessa, jonka myötä myös hiilidioksidipäästöt laskevat (Gebler et al. 2014).
3.3 Tulevaisuus
Ainetta lisäävän valmistuksen voidaan odottaa yleistyvän tulevaisuudessa niin valmistavassa teollisuudessa kuin muillakin teollisuuden aloilla. Teknologisen kehityksen myötä ainetta lisääviä valmistusmenetelmiä voidaan kehittää massatuotannolle sopivaksi, jolloin sillä olisi laajat mahdollisuudet yleistyä.
Edellä mainittujen mahdollisuuksien ja luvussa 2 esitetyn aineiston pohjalta voidaan todeta, että ainetta lisäävä valmistus sopii valmistavan teollisuuden tarpeisiin. Ainetta lisäävä valmistus on kuitenkin vasta kehittyvä valmistusmenetelmä, jonka haasteet ovat rahallisia ja teknologisia. Kehittyneempien teknologioiden ja ainetta lisäävän valmistuksen yleistymisen myötä voitaisiin vaikuttaa esille nousseisiin haasteisiin.
Tämän seurauksena ainetta lisäävän valmistuksen hyödyt voitaisiin ottaa laaja- alaisemmin käyttöön. Esimerkiksi usean laserin valmistusjärjestelmät nopeuttavat valmistusprosessia huomattavasti, jolloin tuotantoajat lyhenevät. Myös valmistuskammioiden ja -alustojen koon suurentaminen mahdollistaisi edelleen suurempien kappaleiden valmistamisen.
Rahallisiin haasteisiin voidaan vaikuttaa niin teknologisten ratkaisujen kuin kilpailun myötä. Ainetta lisäävät valmistusjärjestelmät käyttävät nykypäivä huipputeknologiaa, joka tekee valmistusjärjestelmistä suhteellisen kalliita verrattuna perinteisiin valmistusjärjestelmiin. Uusien laitevalmistajien tullessa markkinoille syntyy kilpailua, joka edesauttaa ainetta lisäävien valmistusjärjestelmien hinnan laskua. Huipputeknologian sekä kilpailun yleistymisen myötä valmistusjärjestelmien hinnat saattaisivat laskea, jolloin useammalla yrityksellä olisi mahdollisuudet investoida ainetta lisäävään valmistukseen.
Vallitsevan kiertotaloustrendin ja kestävän kehityksen vaikutuksesta teollisuudessa on syytä kehittää resurssi- ja energiatehokkuutta. Ainetta lisäävä valmistus olisi yksi ratkaisu kestävän kehityksen ongelmiin valmistavassa teollisuudessa, koska suurin osa ainetta lisäävistä valmistusmenetelmistä ovat ympäristön kannalta kestävämpiä kuin perinteiset valmistusmenetelmät. Perinteisiin valmistusmenetelmiin verrattuna ainetta lisäävällä valmistuksella on vähäisemmät päästöt sekä vähäisemmät resurssien- ja energiankulutukset. (Agrawal & Vinodh 2019)
4. YHTEENVETO
Työn tavoitteena oli selvittää ainetta lisäävän valmistuksen haasteita ja mahdollisuuksia valmistavassa teollisuudessa. Työssä erityinen mielenkiinto suunnattiin siihen, miten ainetta lisäävä valmistus soveltuu valmistavaan teollisuuteen. Kirjallisuusselvityksessä etsittiin tietoa ainetta lisäävästä valmistuksesta teollisuuden näkökulmasta. Erityisesti keskityttiin kuitenkin metallimateriaalien ainetta lisäävään valmistukseen. Aiempien tieteellisten tutkimusten pohjalta saatiin laaja-alainen kuva ainetta lisäävän valmistuksen haasteiden ja mahdollisuuksien nykytilasta.
Päätuloksina löydettiin keskeisimmät ainetta lisäävän valmistuksen haasteet ja mahdollisuudet valmistavassa teollisuudessa. Keskeisimmiksi haasteiksi nousivat taloudelliset kulut ja valmistusnopeus. Keskeisimmiksi mahdollisuuksiksi valittiin kestävä kehitys sekä tulevaisuuden kehittyneemmät teknologiat. Näiden pohjalta tehtiin päätelmä, että ainetta lisäävä valmistus soveltuu valmistavaan teollisuuteen.
Valmistusmenetelmiä on kuitenkin syytä kehittää, jotta ainetta lisäävää valmistusta voitaisiin tulevaisuudessa hyödyntää entistä laajemmin.
Tämän työn pohjalta voidaan todeta, että ainetta lisäävää valmistusta voidaan tällä hetkellä parhaiten hyödyntää lentokoneteollisuudessa moottorien osien ja rakenteellisten osien valmistuksessa. Lentokoneteollisuudessa käytetyiltä moottorien ja turbiinien osilta vaaditaan tiukkoja ja vaativia materiaaliominaisuuksia. Vaativien ja kovien materiaalien perinteinen työstö on yleensä kovin hankalaa ja siksi ainetta lisäävä valmistus sopii osiin hyvin. Lentokoneteollisuuden moottorikomponenttien valmistuksessa perinteisessä ainetta poistavassa työstössä jopa 95 % raaka-aineesta joudutaan kierrättämään. Moottorikomponenttien ainetta lisäävän valmistuksen valmistusnopeuskaan ei tuota ongelmia, vaan päinvastoin ainetta lisäävällä valmistuksella on pystytty lyhentämään tuotantoaikoja. Esimerkiksi työssä esitellyt suorakerrostuksella valmistetut turbiinien siivekkeet säästävät materiaalikuluissa 60 % ja lyhentävät tuotantoaikaa 30 % verrattuna perinteisillä menetelmillä valmistettuihin siivekkeisiin.
Lentokoneteollisuus on pystynyt ottamaan ainetta lisäävän valmistuksen käyttöönsä taloudellisista kuluista huolimatta, koska sen avulla voidaan säästää monesta muusta
menoerästä. Kestävän kehityksen kannalta lentokoneteollisuus on hyvä esimerkki siitä, kuinka uusien valmistusmenetelmien avulla pystytään vähentämään esimerkiksi raaka- aineiden kulutusta. Uudelleen suunnitellut ja topologisesti optimoidut kevyet osat vähentävät lentokoneiden massaa, jolloin myös liikenteen polttoaineen kulutusta voidaan vähentää.
Työ tehtiin aiempien tieteellisten tutkimusten pohjalta ja se pyrittiin rajaamaan siten, että saatiin yleinen kuva ainetta lisäävästä valmistuksesta. Lisäksi pyrittiin etsimään tietoa myös metallimateriaalien ainetta lisäävästä valmistuksesta. Työtä voidaan luonnehtia onnistuneeksi kandidaatin tutkielman asettamissa rajoissa. Työ tehtiin kuvailevana kirjallisuuskatsauksena, jossa käsiteltävää aihetta kuvattiin laaja-alaisena tieteellisten tekstien sekä raporttien pohjalta. Kirjallisuuskatsauksessa esiteltiin yleisimpiä metallikappaleiden valmistuksessa käytettäviä ainetta lisääviä valmistusmenetelmiä ja niitä käyttäviä teollisuudenaloja. Yleisimmiksi ainetta lisääviksi valmistusmenetelmiksi löytyi kirjallisuudesta jauhepetisulatus, suorakerrostus sekä sideaineen suihkutus.
Ainetta lisäävää valmistusta käytetään jo laajasti kaikilla teollisuuden aloilla, varsinkin metallimateriaalien ainetta lisäävät valmistusjärjestelmät ovat yleistyneet viime vuosien aikana. Ainetta lisäävän valmistuksen voidaankin odottaa yleistyvän myös tulevaisuudessa.
Kandidaatintyön laajuus ohjasi rajaamaan aihetta, joten kaikkia aiheeseen liittyviä näkökulmia ei voinut tutkia syvällisesti. Ainetta lisäävään valmistukseen liittyviä haasteita ja mahdollisuuksia on myös enemmän kuin mitä tässä työssä on esitelty. Työssä on kuitenkin pyritty objektiivisesti etsimään yleisimpiä ainetta lisäävään valmistukseen liittyviä haasteita ja mahdollisuuksia. Työssä voi kuitenkin vaikuttaa kirjoittajan subjektiivisuus, koska esimerkiksi tuloksissa on pyritty keskittymään vain muutamaan kirjoittajan mielestä keskeiseen tulokseen.
Laajemmassa tutkimuksessa voitaisiin keskittyä tarkemmin myös valmistustekniikoiden matemaattiseen ja fysikaaliseen taustaan, joita ei tässä työssä ole huomioitu. Tällöin teorian pohjalta voitaisiin tehdä tarkempaa analyysiä esimerkiksi ainetta lisäävän valmistuksen soveltuvuudesta tietyn alan tuotteiden valmistukseen. Koska ainetta lisäävä valmistus on suhteellisen uusi valmistustekniikka, suurin osa lähteistä on viime vuosilta. Tuloksissa esitellyt mahdollisuudet ovatkin enemmän lähitulevaisuuden näkökulmia, koska ainetta lisäävä valmistus ei ole vielä yhtä yleisesti käytössä kuin
perinteiset valmistusmenetelmät. Ainetta lisäävä valmistus mahdollistaa kuitenkin tulevaisuudessa kestävämmän tuotteiden valmistuksen verrattuna perinteisiin valmistusmenetelmiin.
Aihetta voisi tulevaisuudessa tutkia erityisesti Suomen teollisuuden näkökulmasta.
Työssä ei paneuduttu Suomen valmistavaan teollisuuteen kovin tarkasti, joten jatkotutkimuksessa voitaisiin selvittää ainetta lisäävän valmistuksen soveltuvuutta Suomen teollisuuteen. Tämä voitaisiin toteuttaa esimerkiksi haastattelemalla suomalaisia teollisuuden yrityksiä ja selvittämällä, kuinka laajasti ainetta lisäävää valmistusta käytetään Suomessa. Samalla voitaisiin saada selville, kuinka kiinnostuneita suomalaiset teollisuuden yritykset ovat ainetta lisäävästä valmistuksesta ja onko sillä mahdollisuuksia yleistyä Suomessa.
LÄHTEET
Agrawal, R. & Vinodh, S. (2019). State of art review on sustainable additive manufacturing. Rapid prototyping journal, 25 (6), 1045–1060.
Bhuvanesh Kumar, M. & Sathiya, P. (2021). Methods and materials for additive manufacturing: A critical review on advancements and challenges. Thin-walled structures, 159, 107228.
Chen, D., Heyer, S., Ibbotson, S., Salonitis, K., Steingrímsson, G. & Thiede, S. (2015).
Direct digital manufacturing: definition, evolution, and sustainability implications. Journal of cleaner production, 107, 615–625.
Ford, S. & Despeisse, M. (2016). Additive manufacturing and sustainability: an exploratory study of the advantages and challenges. Journal of cleaner production, 137, 1573–1587.
Frost & Sullivan (2016). Concept to Production—Future of Additive Manufacturing.
Gao, W., Zhang, Y., Ramanujan, R., Ramani, K., Chen, Y., Williams, C. B., Wang, C. C.
L., Shin, Y. C., Zhang, S. & Zavattieri, P. D. (2015). The status, challenges, and future of additive manufacturing in engineering. Computer aided design, 69, 65–89.
Gardan, J. (2016). Additive manufacturing technologies: state of the art and trends.
International journal of production research, 54(10), 3118–3132.
Gebhardt, A., Kessler, J. & Thurn, L. (2018). 3D Printing: Understanding Additive Manufacturing. München: Hanser Publications.
Gebler M., Schoot Uiterkamp, A. J. M., Visser, C. (2014). A global sustainability perspective on 3D printing technologies. Energy policy, 74, 158–167.
Gokuldoss, P. K., Kolla, S. & Eckert, J. (2017). Additive Manufacturing Processes:
Selective Laser Melting, Electron Beam Melting and Binder Jetting-Selection Guidelines.
Materials, 10(6), 672.
Guo, N. & Leu, M. C. (2013). Additive manufacturing: technology, applications and research needs. Frontiers of Mechanical Engineering, 8(3), 215–243.
Herzog, D., Seyda, V., Wycisk, E. & Emmelmann, C. (2016). Additive manufacturing of metals. Acta materialia, 117, 371-392.
Huang, S. H., Liu, P., Mokasdar A. & Hou, L. (2013). Additive manufacturing and its societal impact: a literature review. International journal of advanced manufacturing technology. 67(5), 1191–1203.
Kujanpää, V. (2015). Ainetta lisäävä valmistus – lisäarvoa tuotteisiin, VTT Workshop of Opportunities – 3D printing Edupower Oy, Vaasa, Saatavissa (viitattu 31.3.2021):
https://docplayer.fi/8229874-Ainetta-lisaava-valmistus-lisaarvoa-tuotteisiin.html
Ngo, T. D., Kashani, A., Imbalzano, G., Nguyen, K. T. Q. & Hui, D. (2018). Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges. Composites Part B: Engineering, 14(3), 172–196.
Roland Berger GmbH (2016). Additive Manufacturing – next generation, April 2016
Salminen, A. (2011). Mikä kirjallisuuskatsaus? Johdatus kirjallisuuskatsauksen tyyppeihin ja hallintotieteellisiin sovelluksiin. Vaasa: Vaasan yliopisto.
Savolainen, J. & Collan, M. (2020). How Additive Manufacturing Technology Changes Business Models? – Review of Literature. Additive manufacturing, 32, 101070.
SFS-EN ISO/ASTM 52900 (2017). Materiaalia lisäävä valmistus, Yleiset periaatteet, Terminologia, Suomen standardisoimisliitto, Helsinki
Suomen Pikavalmistusyhdistys, Finnish Rapid Prototyping Association FIRPA ry, Saatavissa (viitattu 31.3.2021): http://www.firpa.fi/index.html
Thompson, M. K., Moroni, G., Vaneker, T., Fadel, G., Campbell, R. I., Gibson, I., Bernard, A., Schulz, J., Graf, P., Ahuja, B. & Martina, F. (2016). Design for Additive Manufacturing:
Trends, opportunities, considerations, and constraints. CIRP annals, 65(2), 737–760.
Verhoef, L. A., Budde, B. W., Chockalingam, C., Nodar, B. G., van Wijk, A. J. M. (2018).
The effect of additive manufacturing on global energy demand: An assessment using a bottom-up approach. Energy policy. 112, 349–360.
Wimpenny, D. I., Pandey, P. M. & Kumar, L. J. (2017). Advances in 3D Printing & Additive Manufacturing Technologies (1st ed. 2017). Singapore: Springer Singapore.
Wohlers, T., Campbell, I., Diegel, O. & Kowen, J. (2018). Wohlers Report 2018. Wohlers Associates Inc.
