School of Energy Systems
Energiatekniikan koulutusohjelma
BH10A0202 Energiatekniikan kandidaatintyö
Ainetta lisäävä valmistus ydintekniikassa Additive manufacturing in nuclear technology
Työn tarkastaja: Heikki Suikkanen Työn ohjaaja: Heikki Suikkanen Lappeenranta 10.03.2020
Jussi-Pekka Ikonen
Opiskelijan nimi: Jussi-Pekka Ikonen School of Energy Systems
Energiatekniikan koulutusohjelma
Opinnäytetyön ohjaaja: Heikki Suikkanen Ainetta lisäävä valmistus ydintekniikassa Kandidaatintyö 2020
33 sivua, 4 taulukkoa ja 12 kuvaa
Hakusanat: Materiaalia lisäävä valmistus, Ainetta lisäävä valmistus, 3D-tulostaminen, Ydintekniikka, Jauhepetisulatus, YVL-ohjeet, RCC-M
Tämän kandidaatintyön tavoitteena on tutkia ainetta lisävään valmistuksen mahdollisuudet ydintekniikassa. Laserpohjainen jauhepetisulatus on työn suurin painopiste, mutta muutkin tekniikat tutkitaan lyhyesti. Lisäksi työssä tutkitaan, millaisia lainsäädännöllisiä vaatimuksia ydinlaitoksen komponenteilta vaaditaan.
Ainetta lisäävälle valmistukselle löydettiin useita mahdollisuuksia. Ainetta lisävään valmistuksen avulla pystyttäisiin optimoimaan toimitusketjut, sekä tärkeitä osia pystyttäisiin valmistamaan lyhyellä varoitusajalla. Esimerkiksi varaosapuutteita pystyttäisiin paikkaamaan ainetta lisäävän valmistuksen avulla.
Teknologian suurimmat haasteet ovat ydintekniikan kannalta lainsäädännöllisten vaatimusten läpäisy. Teknologia on vielä tällä hetkellä uusi, joten sitä ei pidetä kovin luotettavana. Komponenttien käyttöönotto on pitkä prosessi, sillä ydinteollisuuden laadunhallintajärjestelmissä kuten RCC-M:ssä ei ole mainintaa tekniikasta. Tosin jauhepetisulatus-tekniikka on edistynyt paljon ja muiden teollisuudenalojen laadunhallinta järjestelmät ovat aloittaneet vastaavien tekniikoiden hyväksymisen, joten voidaan olettaa, että ydinteollisuuden laadunhallinta järjestelmät seuraavat perässä.
Ainetta lisäävä valmistus ei todennäköisesti tule valtaamaan perinteisiä valmistustapoja, sillä yksinkertaisten ja suurien erien tuotto on niillä paljon halvempaa. Tosin ainetta lisäävä valmistus loistaa monimutkaisten komponenttien valmistuksessa. Esimerkiksi putkistojen tuloaukkoja voidaan pyöristää, sekä vaativia hilarakenteita pystytään valmistamaan ilman lisäkustannuksia lisäävän valmistuksen avulla. Teknologia edistyy nopeaa vauhtia ja on vain ajan kysymys, milloin ainetta lisäävät valmistustavat otetaan käyttöön ydinvoimateollisuudessa muiden valmistustapojen rinnalle.
Tiivistelmä 2
Sisällysluettelo 3
Symboli- ja lyhenneluettelo 4
1 Johdanto 5
1.1 Taustatietoa ... 5
1.2 Työn tavoite ... 6
1.3 Työn rajaus ... 6
2 Ainetta lisäävät valmistustekniikat 8 2.1 Valmistusprosessi ... 9
2.2 Teknologian hyödyt ja haitat ... 10
2.3 Toimitusketjujen optimoiminen ... 11
2.4 Teknologian kustannustehokkuus ... 12
3 Jauhepetisulatus 14 3.1 Tulostettavat materiaalit ... 15
3.2 Jauhepetisulatuksen ongelmat ... 16
3.3 Jälkikäsittely ... 17
3.4 Mekaaniset ominaisuudet ... 17
3.4.1 Prosessin oikeanlaisuus ... 18
3.4.2 Säteilyn vaikutus ... 19
4 Vaatimukset ydinvoimalaitoksissa 20 4.1 Ydinturvallisuusohjeet ... 21
4.2 Teolliset standartit ... 22
4.3 Säteilyturvakeskus ... 22
4.4 Tuotteiden kelpuutus ... 22
5 Mahdollisuudet ydinvoimalaitoksilla 25 5.1 Vaativat komponentit ... 25
5.2 Varaosat ja uudet ydinvoimalat ... 28
5.2.1 Neljännen sukupolven reaktorit ... 29
6 Johtopäätökset 30
7 Yhteenveto 32
Lähdeluettelo 34
Lyhenteet
AM Additive Manufacturing, Ainetta lisäävä valmistus, lisäävä valmistus CAD Tietokone avusteinen suunnittelu, Computer aided design
EYT Ei ydinteknisesti luokiteltu STUK Säteilyturvakeskus
PBF Powder Bed Fusion, jauhepetisulatus YVL Ydinturvallisuusohjeet
1 JOHDANTO
Vielä muutama vuosi sitten ainetta lisäävä valmistus oli kuuluisa muovisista prototyypeistään, mutta nykyisin myös metallisten tuotteiden valmistus on mahdollista.
Ainetta lisäävä valmistus tai tuttavallisemmin 3D-tulostaminen on kerännyt paljon kiinnostusta eri teollisuuden aloilta. Suurimmat tekijät kiinnostukselle ovat tulleet teknologian ominaisuudesta valmistaa monimutkaisia tuotteita kustannustehokkaasti.
Toinen suuri tekijä on pienten erien valmistuksen helppous ja edullisuus. Tässä työssä tarkastellaan, miten ainetta lisäävää valmistusta voitaisiin hyödyntää ydintekniikassa.
1.1 Taustatietoa
Ainetta lisäävä valmistuksella tarkoitetaan tekniikkoja, jotka luovat kolmiulotteisia kappaleita kerroksittain. Valmistusprosessi on hyvin digitaalinen, eikä siinä ole niin montaa valmistusvaihetta verrattuna perinteisiin valmistustapoihin. Suuri etu teknologiassa on tietokoneavusteinen suunnittelu eli CAD. CAD:in avulla tuotteen suunnittelijalla on lähes rajattomat mahdollisuudet. (Gibson, Rosesen & Stucker 2015, 1- 2).
Ainetta lisäävä valmistus on vielä tuore teknologia. Vuosittain odotusten ja teknologian kehittymistä seuraa Gartnerin hype-sykli, joka on esitetty kuvassa 1. Tällä hetkellä kuluttajille suunnattu 3D-tulostus, materiaaliruiskutus-tekniikka on saavuttamassa pisteen, jossa teknologian edistys ja odotukset kohtaavat, eli tuottavuuden tasanteen.
Materiaaliruiskutuksen tulostimet ovat halvempaan päin ja valmistus on nopeaa ja suhteellisen laadukasta, mutta pääosin prototyyppien valmistukseen. Tuottavuuden tasanteella teknologiasta on paljon tutkimusta ja näyttöä kannattavuudesta. 3D-tulostus teollisuudessa ja jauhepetisulatus ovat tällä hetkellä menneet hypekäyrän huipun yli.
(Goehrke 2019)
Teollisuudessa käytettävistä teknologioista jauhepetisulatus on lupaavin.
Jauhepetisulatuksen avulla on mahdollista tuottaa tuotteita, joita ei perinteisimmillä valmistustavoilla ole mahdollista. Vaativien komponenttien ja laitteiden valmistaminen on suuri mahdollisuus yrityksille, jotka haluavat parantaa laitteitaan entistä tuottavammiksi ja tehokkaammiksi. Hyvänä esimerkkinä Siemens on aloittanut
kaasuturbiinissa käytettävien komponenttien sarjatuotannon. Yrityksen ensimmäiset 3D- tulostetut kaasuturbiinisiivet selvisivät suorituskyky kokeista (Siemens 2018).
Kuva 1. Gartnerin hype-sykli ainetta lisäävän valmistuksen tekniikoista vuodelta 2018.
(Goehrke 2019, muokattu)
1.2 Työn tavoite
Työn tavoitteena on selvittää ainetta lisäävän valmistuksen mahdollisuuksia ydintekniikassa. Työn yhteydessä tutkitaan millaisia vaatimuksia ydinala määrää komponenteilleen ja miten ainetta lisäävä valmistus pärjää näiden vaatimusten läpäisyssä.
Työssä tutkitaan ainetta lisäävän valmistuksen piirteitä, kuten mekaanisia ominaisuuksia, joita sitten verrataan perinteisiin valmistustapoihin.
1.3 Työn rajaus
Laserpohjainen Powder Bed Fusion -tekniikka, eli jauhepetisulatus-tekniikka tai lyhennettynä PBF-tekniikka on tämän työn suurin painopiste. Jauhepetisulatus-
tekniikkaa käytetään eniten metalliteollisuudessa ja tekniikkana se on edistynein metallia tulostavista tekniikoista (Gibson, Rosesen & Stucker 2015, 107). Tekniikoita tutkikaan kirjallisuuteen perehtymällä. Lisäksi työssä tutkitaan millaisia lainsäädännöllisiä vaatimuksia ydinlaitoksen komponenteilta vaaditaan.
2 AINETTA LISÄÄVÄT VALMISTUSTEKNIIKAT
Ainetta lisäävän valmistuksen tekniikat, eli AM-tekniikat jaetaan seitsemään luokkaan, jotka ovat esitetty seuraavassa taulukossa. Yrityksillä on omia lyhenteitä ja tuotemerkkejä, joita he käyttävät omien tekniikoiden markkinointiin, mutta loppujen lopuksi nämä tekniikat jakautuvat joihinkin näistä seitsemästä ASTM Internationalin määritellyistä luokista. (Gibson et al. 2015, 35)
Taulukko 1. Ainetta lisäävän valmistuksen seitsemän luokkaa. SFS-EN ISO/ASTM 52900 (2017)
Määritelmä Englanniksi Kuvaus
Sideaineen suihkutus
Binder Jetting Nestemäistä sideainetta suihkutetaan kerroksittain jauheen liittämiseksi.
Suorakerrostus Directed Energy Deposition
Kohdennetun lämpöenergian avulla sulatetaan materiaalia kerroksittain.
Materiaalin pursotus
Material Extrusion Materiaalia annostellaan kohdennetusti suuttimen tai reiän läpi kerros
kerrokselta.
Materiaalin suihkutus
Material Jetting Materiaalia suihkutetaan pisaroina kerroksittain.
Jauhepetisulatus Powder Bed Fusion Jauhepedille kohdennetaan lämpöenergiaa, joka sulattaa materiaalia kerroksittain.
Kerroslaminointi Sheet Lamination Materiaalileikkeitä liitetään toisiinsa kerroksittain.
Valokovetus altaassa
Vat
Photopolymerization
Nestemäinen muovi kovetetaan käyttäen valoaktiviista polymerointia.
Ydintekniikan kannalta metallisten tuotteiden valmistaminen on olennaisinta. Näistä seitsemästä luokasta jauhepetisulatus on kiinnostavin metallisten tuotteiden valmistuksen kannalta. PBF-tekniikan avulla on mahdollista valmistaa hyvin monimutkaisia tuotteita, joita ei muilla valmistustavoilla ole mahdollista tuottaa. Jauhepetisulatus on edistynyt nopeasti lasertekniikan, tietokoneiden, sekä ohjelmistojen kehittymisen ansiosta.
Teknologiasta on paljon näyttöä auto- ja ilmailuteollisuuden sovelluksissa. Käyttöönotto ydintekniikassa ei aikaisempien kokemusten perusteella ole mikään mahdottomuus varsinkin, kun huomioi ilmailuteollisuuden korkeat vaatimukset (Gibson et al. 2015, 468- 473).
2.1 Valmistusprosessi
Lähtökohta ainetta lisäävälle valmistukselle on kolmiulotteinen malli, joka on luotu CAD-ohjelmalla, kuten esimerkiksi SolidWorksilla tai AutoCADilla. Tämä 3D-malli siirretään tulostimeen, joka sitten rakentaa kappaletta liittämällä materiaalia yleensä yksi kerros kerrallaan. Suuri ero ainetta lisäävällä valmistuksella perinteisiin verrattuna on se, että AM-tekniikoilla ainetta lisätään toisin kuin muilla valmistustavoilla. Perinteisillä valmistustavoilla ainetta poistetaan tai puristetaan kasaan. (Gibson et al. 2015, 2-6) Kuten kuvasta 2 voidaan nähdä valmistusprosessiin ei sisälly kokoonpanovaiheita, kuten koneistusta tai komponenttien kokoonpanoa. Prosessi on hyvin yksinkertainen, joten kuluja ja aikaa säästyy paljon. Jälkikäsittely ei myöskään ole kaikilla tekniikoilla välttämätön, joten prosessia on mahdollista yksinkertaistaa yhden vaiheen lisää. Suuri rajoitustekijä AM-tekniikoissa on tulostettavan kappaleen koko, mutta tähän ongelmaan tulee ratkaisuja uusien isompien tulostimien tullessa markkinoille. Erilaisilla tekniikoilla voidaan rakentaa hyvinkin suuria kappaleita, esimerkiksi Mainen yliopistossa on rakennettu kokonainen vene (Valdivieso 2019). Tuotteen koon lisäksi tulostettavassa ei ole geometrisia rajoitteita. (Delva 2019)
Kuva 2. Yksinkertaisen 3D-tulostuksen valmistusprosessi.
2.2 Teknologian hyödyt ja haitat
Kappale voi olla hyvin monimutkainen ja vaativa rakentaa työstökoneilla, mutta silti helppo tulostaa. Esimerkiksi kappaleen rakenne voidaan optimoida ontoksi tai hilarakenteeksi, jolloin kappale tulee kevyemmäksi, säilyttäen silti hyvät mekaaniset ominaisuudet ilman lisäkustannuksia. Tuotteita pystytään yksinkertaistamaan vähentämällä komponenttien määrää, sillä tuote voidaan tulostaa yhtenä kappaleena kerroksittain ilman hitsauksia tai ruuveja. Tulostettavat tuotteet voidaan myös räätälöidä, kuten automerkki Mini on tehnyt tarjoamalla palvelua, jossa asiakkaat voivat tilata netistä erilaisia 3D-tulostettuja lisäosia personoimaan Mini-autojaan (Mini 2019). Tällainen räätälöinti ja personointi voidaan AM-tekniikoilla toteuttaa ilman suurempaa vaivaa tai kuluja, sillä muutosten teko tuotteisiin on vaivatonta ja nopeaa. Varaosien valmistus on myös yksi hyvä kohde AM-tekniikoille. Jos jollekin tuotteelle ei enää valmisteta varaosia, voidaan osia valmistaa AM-tekniikoilla helposti, kuten esimerkiksi Saksan rautateillä on alettu tekemään (Kingsland 2019). Ainetta lisäävä valmistus on myös ympäristölle ystävällisempää, sillä materiaalia rakennetaan kerros kerrokselta päällekkäin, eli kaikki
tarvittava materiaali käytetään itse tuotteen valmistukseen. Lisäksi arvokkailla materiaaleilla valmistaminen on kustannustehokasta, sillä valmistusprosessissa ei mene materiaalia lainkaan hukkaan. Taulukossa 2 on esitetty ainetta lisäävän valmistuksen hyödyt ja haitat. (Delva 2019)
Taulukko 2. Ainetta lisäävän valmistuksen hyödyt ja haittapuolet verrattuna muihin valmistustapoihin. (Delva 2019)
Jälkikäsittely riippuu tukirakenteiden käytöstä ja tarvittavasta laadusta. Tukirakenteiden käyttöä voidaan välttää järkevällä suunnittelulla ja tietyt 3D-tulostus menetelmät ovat hyvin tarkkoja, jolloin jälkikäsittelyä ei tarvita. Metallisien kappaleiden tulostuksessa jälkikäsittely on välttämätöntä, jotta päästään yhtä hyvään jälkeen kuin muilla valmistusmenetelmillä.
2.3 Toimitusketjujen optimoiminen
Ainetta lisäävillä valmistuksilla on helppoa valmistaa ainoastaan sen verran tuotteita, kun niitä tarvitaan. Tuotteiden varastoiminen ei ole välttämätöntä nopean valmistuksen ja yksittäisten tuotteiden matalien valmistuskustannusten ansiosta. Ainetta lisäävän valmistuksen tuotantolaitokset pystytään sijoittamaan helposti lähelle kysyntää, jolloin toimitusketjujen pituudet lyhenevät. (Kaltenbrunner 2014)
Ainetta lisäävän valmistuksen avulla voidaan hyödyntää Lean-ajattelua. Lean-ajattelu on kokoelma ohjeita, jotka pyrkivät parantamaan asiakastyytyväisyyttä, tuotteiden laatua ja pienentämään toiminnan kustannuksia, sekä lyhentämään tuotannon läpimenoaikoja.
Tiivistetysti Lean-ajattelu tähtää kaiken turhan eliminointiin. (Hujanen 2018, 10-11)
Hyödyt
• Kannattava tuottaa pieniä eriä, sekä monimutkaisia ja vaativia kappaleita
• Yksinkertainen valmistusprosessi (Poistaa kokoonpanovaiheita)
• Massa räätälöinti ja personointi
• Mahdollista tehdä varaosia
• Yksi kappale: ei ruuveja tai saumoja
• Ei rajoituksia tuotesuunnittelussa
• Ympäristöystävällisyys
Heikkoudet
• Suuret tuotantokustannukset, varsinkin suurillä erillä
• Hitaampi valmistusaika suurille erille
• Komponenttien koko voi olla rajoitettu pienemmäksi
• Pinnanlaatu
• Jälkikäsittely
• Huokoisuus
Imuohjaus on yksi Lean-ajattelun pääpiirteistä. Imuohjauksella vähennetään tuotannon epävarmuutta ja mahdollistetaan tuotteiden valmistaminen oikean kysynnän mukaan.
Yksinkertaisesti imuohjaus tarkoittaa järjestelemää, jossa yhden tuotteen asiakkaalle lähettämisen jälkeen aloitetaan heti seuraavan tuotteen valmistaminen. Tämän järjestelmän tarkoituksena on saada mahdollisimman suuri ja jatkuva virtaus tuotteille.
Lisääviä valmistustapoja ja Lean-ajattelua hyödyntäessä voidaan saavuttaa teoriassa tuotanto kokonaan kysynnän mukaan. (Hujanen 2018, 12)
Toinen suuri hyöty on jätteiden vähentäminen. Ainetta lisäävissä valmistusprosesseissa ei synny ylimääräistä jätettä, joten Lean-ajattelua hyödyntämällä on mahdollista eliminoida jätteiden syntyminen kokonaan (Ghobadian et al. 2020, 466). Tuotteita valmistetaan kysynnän perusteella, jolloin ylimääräisiä tuotteita varastoihin ei synny lainkaan. Tällä tavalla saadaan pienennettyä kuluja turhan poistamisen avulla. Ainetta lisäävällä valmistuksella on suuri potentiaali edistää Lean-tuotantoa ja kiertotaloutta.
2.4 Teknologian kustannustehokkuus
Tuotantokustannukset vaihtelevat paljon riippuen tulostettavasta kappaleesta. Yleisesti ainetta lisäävä valmistus pystyy tuottamaan monimutkaisia tuotekomponentteja kustannustehokkaasti, mutta jokaista valmistettavaa tuotetta on hyvä tutkia tapauskohtaisesti. Suurien erien tulostaminen on hidasta ja kallista, mutta sarjatuotanto on silti mahdollista tapauskohtaisesti. Esimerkiksi Etteplan laski pölynpoiston kanavien valmistuskustannuksia yli 40 prosenttia lisäävän valmistuksen avulla. Komponentit pinottiin päällekkäin rakennusalustalle kuvan 3 mukaisesti (Etteplan 2019). Pinoamisen avulla pystytään tuottamaan suuria eriä korkealaatuisia tuotteita edulliseen hintaan.
Ainetta lisäävän valmistuksen tuotantoa voidaan lisätä ainoastaan lisäämällä tulostimien määrää, jolloin suurien erien tulostaminen ei ole yhtään halvempaa kuin pienempien erien tulostaminen. Muilla valmistustavoilla tuotantokustannukset laskevat suurien erien myötä, kuten kuvasta 4 voidaan havaita. Toisaalta perinteisimmillä valmistustavoilla kustannukset nousevat tuotteen vaativuuden ja monimutkaisuuden kasvaessa.
Tulevaisuudessa teknologian edistyessä AM-tekniikoiden tuotantokustannukset voivat laskea tehden ainetta lisäävästä valmistuksesta entistä kilpailukykyisemmän. Lisäksi jos tuote tarvitaan markkinoille mahdollisimman nopeasti, on ainetta lisäävä valmistus
parempi vaihtoehto. Kaikki ylimääräiset kokoonpanovaiheet, mitkä vievät paljon aikaa, voidaan ohittaa.
Kuva 3. Komponenttien sarjatuotanto pinoamalla komponentteja päällekkäin. (Etteplan 2019)
Kuva 4. Valmistustapojen kustannusvertailu. (Alkaios, Bournias & Varotsis 2019, muokattu)
3 JAUHEPETISULATUS
Jauhepetisulatus-tekniikkaa käyttävät tulostimet olivat ensimmäisiä tulostimia, joita aloitettiin käyttämään kaupallisesti metalliteollisuudessa. Rajoittava tekijä jauhepetisulatuksessa on tulostettavan koko. 3D-tulostimen koko määrittelee, kuinka iso kappale on mahdollista tulostaa ja isommat tulostimet maksavat enemmän. PBF- tekniikalla pystytään tuottamaan komponentteja, jotka ovat niin vaativia, että muilla valmistustavoilla näiden komponenttien valmistaminen ei ole mahdollista ja vielä kaiken lisäksi ilman lisäkustannuksia.
Seuraavassa kuvassa on esitetty jauhepetisulatus-tekniikkaa käyttävän tulostimen toimintaperiaate. Jauhepetiin kohdistetaan lasersäde, joka energiallaan saa materiaalijauheen partikkelit sulautumaan yhteen luoden aina kerroksen materiaalia.
Kerroksen rakentumisen jälkeen rakennusalusta laskeutuu ja jauheen levitin, eli tasausrulla tai terä, levittää tasaisesti uuden kerroksen jauhepedille. Samalla jauheenannostelija nousee syöttäen materiaalijauhetta levitettäväksi. Materiaalijauheen yhteensulautumisen helpottamiseen käytetään yleensä myös lämmittimiä, kuten infrapunalämmittimiä, jotka ovat sijoitettu rakennusalustan päälle. (Gibson et al. 2010, 107-109.)
Lämmittimiä ja rakennusalustan esilämmittimiä käytetään, jotta tarvittava energiamäärä laserista saadaan mahdollisimman pieneksi. Prosessi tapahtuu suljetussa kotelossa.
Laitteeseen syötetään kaasua, joka minimoi materiaalin hapettumisen tai hajoamisen mahdollisuuden. (Gibson et al. 2010, 107-109.)
Kuva 5. Metallia tulostavan jauhepetisulatus-tekniikkaa käyttävän tulostimen toimintaperiaate.
(Gibson et al. 2010, 108, muokattu)
3.1 Tulostettavat materiaalit
Jauhepetisulatuksen avulla voidaan valmistaa monilla eri materiaaleilla, kuten polymeereillä, metalleilla, keramiikoilla ja komposiiteilla. Jauhepetisulatus on erinomainen monien erilaisten tulostettavien materiaalien ansiosta. Monia metalleja on testattu toimivaksi ja on huomattu, että hitsaantuvat metallit ovat hyviä ehdokkaita tulostettavaksi materiaaliksi. Tämä johtuu siitä, että hyvin hitsaantuva metalli on hyvin vastustuskykyinen halkeamien muodostumiselle tulostuksen aikana. Esimerkkejä toimivista materiaaleista on lukuisia, kuten ruostumaton teräs, titaani ja kobolttikromi- seokset. Jalometallit kuten hopea ja kulta ovat kanssa todistettu käyttökelpoisiksi.
(Gibson et al. 2010, 110-113.)
Jauhepetisulatuksella on useita eri materiaaleja, joita voidaan hyödyntää erilaisten vaativuuksien mukaan. Titaani on hyvin kestävä materiaali ja se kestää korroosiota erittäin hyvin. Materiaalin suuri ongelma on sen korkea hinta. GE valmisti toimivan
suihkumoottorin pienoismallin 3D-tulostetuista titaanikomponenteista. Testimoottori selvisi NASA:n suorituskykyä mittaavasta testistä, jossa käytettiin palavaa polttoainetta, jonka lämpötila oli 3300 °C ja nestemäisen vetyä, jonka lämpötila oli -250 °C. Titaanin hyödyntäminen on suuri etu, sillä perinteisillä valmistustavoilla sen käyttäminen on kallista. Titaanin ja muiden kalliiden metalliyhdisteiden tulostaminen PBF-tekniikalla on hyvin kustannustehokasta, sillä valmistusprosessissa ei mene lainkaan materiaalia hukkaan, eikä valmistuserän tarvitse olla suuri kannattavuuden takaamiseksi. (GE Additive 2020)
3.2 Jauhepetisulatuksen ongelmat
Jauhepetisulatuksen yksi suurimmista ongelmista on tuotteissa havaittu heikompi pinnanlaatu verrattuna perinteisimmillä tavoilla tuotettuihin komponentteihin. Huono pintalaatu johtuu kappaleen tiheydestä ja huokoisuudesta.
Lasersäteen energian kohdistuessa materiaalijauheeseen materiaali ensin sulaa ja sitten jähmettyy nopeasti. Nopean jähmettymisen ja tarkalle alueelle kohdistuvan lämpöenergian takia jauhepetisulatuksella valmistetuilla komponenteilla on erilainen mikrorakenne kuin perinteisillä tavoilla valmistetuilla komponenteilla. Tällaisen mikrorakenteen takia tuotteiden mekaaniset ominaisuudet ja sisäiset rasitukset ovat erilaisia.
3D-tulostetuilla komponenteilla on havaittu erilainen kiderakenne ja korkeampi dislokaatiotiheys. Dislokaatio tarkoittaa kiteisessä metallissa olevia viivamaisia virheitä.
Dislokaatiotiheys tarkoittaa edellä mainittujen viivamaisten virheiden pituutta yksikkötilavuudessa. Kiderakenne taas tarkoittaa atomien järjestystä kiteisessä aineessa.
Dislokaatiotiheys ilmenee jähmettymisen aikana ja yleiseksi syyksi on todettu lämmön aiheuttama rasitus. Lämpörasituksen estäminen on hankalaa ainetta lisäävässä valmistuksessa, sillä materiaalin kerroksittainen jähmettyminen ja sulaminen luo toistuvaa lämpörasitusta komponentille. Samainen ilmiö luo myös venyvää kiderakennetta rakennussuuntaa pitkin. (Gorsse 2017, 590-591)
Erilaisen mikrorakenteen lisäksi jauhepetisulatuksella tuotetuilla komponenteilla toinen suuri ongelma on komponenteissa havaittu huokuisuus. Huokoisuutta syntyy, kun
energiaa kohdistetaan liian paljon tai liian vähän. Tämä huokoisuuden syntyminen on esitetty seuraavassa kuvassa. (Gorsse 2017, 587)
Pinnanlaatu on myös yleisesti huonompi verrattuna muihin valmistustekniikkoihin. PBF- tekniikalla valmistetuilla komponenteilla syntyy myös karkeampi pinta kuin perinteisillä tavoilla valmistetuilla komponenteilla. Varsinkin pinta, joka valmistuu rakennusalustaan päin, on karkea. (Yasa 2011, 312-313)
Kuva 6. Metallihiukkasten yhdistymisessä syntyy huokoisia, jotka heikentävät tuotteen pinnanlaatua. (Gibson et al. 2010. 113, muokattu)
3.3 Jälkikäsittely
Edellisen kappaleen avulla voitaisiin tulla johtopäätökseen, että PBF-tekniikalla valmistetut tuotteet eivät ole riittävän laadukkaita teollisuuden käyttöön, mutta hyvän jälkikäsittelyn avulla voidaan korjata komponentteihin syntyneitä vikoja. Kuvassa 6 esitettyä huokosta voidaan pienentää entisestään kuuman isostaattisen puristuksen avulla.
Kuuman isostaattisen puristuksen ja liuotushehkutuksen avulla saadaan komponentin mikrorakenne muiden valmistustapojen kaltaisiksi. Sisäisiä rasituksia saadaan vähennettyä erilaisilla lämpökäsittelyillä. (Sutton 2019)
3.4 Mekaaniset ominaisuudet
3D-tulostettujen komponenttien mekaanisiin ominaisuuksiin suhtaudutaan hieman epäilevästi, mutta todellisuudessa oikein tulostetut komponentit voivat olla jopa parempia kuin perinteisillä tavoilla valmistetut komponentit. Gorssen tutkimuksen mukaan 3D- tulostetuilla komponenteilla on korkeampi vetolujuus kuin takomalla tai valamalla
valmistetuilla komponenteilla (Gorsse 2017, 605-606). Vetolujuus tarkoittaa kappaleen kykyä vastustaa vastakkaisiin suuntiin vetävää voimaa.
Väsymislujuus on myös hyvä 3D-tulostetuissa komponenteissa, eli komponentin rakenneominaisuudet eivät heikkene, vaikka komponentti olisi vaihtuvan kuormituksen alaisena pitkiäkin aikoja. Tosin väsymislujuus on riippuvainen komponentin pinnan karheudesta ja huokoisuudesta, mutta yleisesti oletetaan, että 3D-tulostetun komponentin väsymislujuus on korkeampi kuin taotun version väsymislujuus. Jälkikäsittelyn tärkeyttä ei pidä unohtaa väsymislujuutta ajatellen, sillä pienikin määrä huokoisuutta komponentissa aiheuttaa mekaanisten ominaisuuksien heikentymisen. (Gorsse 2017, 605-606)
Jauhepetisulatuksen avulla komponenttien lämmönsiirto ominaisuuksia pystytään parantamaan vaativien rakenteiden avulla. GE Research kehitti 3D-tulostetun kompaktin lämmönsiirtimen, joka hyödyntää ainetta lisäävän valmistuksen kykyä luoda monimutkaisia biologisia muotoja. Tutkimuksen mukaan monimutkaisen rakenteiden avulla lämmönsiirtimet tuottavat vähemmän päästöjä ja kuluttavat vähemmän energiaa, sekä termistä hyötysuhdetta voidaan parantaa tietyissä työkierroissa. (Carlota 2019) Tosin pitää ottaa huomioon, että erot prosessin oikeanlaisuudessa saattaa muuttaa mekaanisia ominaisuuksia. Vertaaminen perinteisiin valmistustapoihin on hankalaa, sillä erot 3D-tulostetun kappaleen mekaanisista ominaisuuksista voi vaihtua riippuen valmistusprosessista. Örnek kertoo, että tutkimuksia metalliyhdisteiden mikrorakenteista tarvitaan lisää, jotta todellinen suorituskyky saadaan selville (Örnek 2018, s. 534).
3.4.1 Prosessin oikeanlaisuus
Prosessin oikeanlaisuus on hyvin tärkeä, jotta metallin happipitoisuus saadaan mahdollisimman pieneksi, sillä korkea happipitoisuus tuo mukanaan huonoja piirteitä tuotteeseen. 3D-tulostettujen komponenttien iskusitkeys on heikompi kuin taotuilla versioilla. Tämä johtuu 3D-tulostetun metallin korkeammasta happipitoisuudesta.
Komponenttien korkeampi happipitoisuus johtuu metallijauheen hapettumisesta ja jäännöshappipitoisuudesta. Hapen poistaminen jauheesta on lähes mahdotonta, joten näiden ilmiöiden välttäminen on hyvin vaikeaa. Korkeampi happipitoisuus aiheuttaa korkeamman alttiuden jännityskorroosiolle, mutta tarvittaessa kuuman isostaattisen
puristuksen ja liuotushehkutuksen avulla alttius jännityskorroosiolle voidaan saada yhtä hyväksi kuin taotuilla metalleilla. (Lou 2018, 185-189)
Prosessia valvomalla voidaan varmistaa prosessin oikeanlaisuus. Uusissa tulostimissa on järjestelmiä, joiden avulla prosessia pystytään valvomaan. Esimerkiksi EOS:in 3D- tulostimiin on asennettu kameroita, jotka monitoroivat valmistusprosessin jokaista kerrosta tarkasti. Tulostimen ohjelmisto ilmoittaa käyttäjälle, jos jossain vaiheessa tulostusta on tapahtunut virheitä. Myöhemmin dataa voidaan käyttää tuotteiden kelpuutuksessa. Lisäksi monitoroinnin avulla voidaan kehittää tulostusprosessia entistä tehokkaammaksi. (EOS 2019)
3.4.2 Säteilyn vaikutus
Jauhepetisulatuksella valmistetuilla komponenteilla ei ole hirveästi kokemusta säteilyn vaikutuksesta. Westinghouse testasi jauhepetisulatuksella valmistettujen komponenttien käyttäytymistä ydinreaktorin läheisyydessä. 3D-tulostetut komponentit asetettiin Massachusetts Institute of Technology:n tutkimusreaktoriin vuonna 2014 ja poistettiin vuonna 2015. Komponenttien mekaaniset ominaisuudet arvioitiin uudelleen.
Komponentit olivat valmistettu ruostumattomasta teräksestä 317L ja nikkeli- kromiseoksesta inconel 718. Vetolujuus ja väsymislujuus käyttäytyivät samoin tavoin, kuin vertaillut perinteisillä tavoilla valmistetut komponentit. Korroosion vaikutukset eivät myöskään eronneet. (Cleary & Karoutas 2017)
4 VAATIMUKSET YDINVOIMALAITOKSISSA
Ainetta lisäävä valmistus on vielä uusi teknologia, joten käsitys komponenttien luotettavuudesta ei vielä ole itsestään selvä. Tosin teknologia edistyy nopeaa vauhtia ja lisäävä valmistus voi olla ainut mahdollinen valmistustapa korvatessa vanhentuneita järjestelmiä.
Jotta 3D-tulostetut komponentit voidaan ottaa käyttöön, täytyy komponenttien läpäistä erilaisten tahojen määräämät vaatimukset ja edellytykset. Kuvassa 7 on esitetty säännöstöhierarkia. Pyramidin pohjalla ensimmäinen edellytys uudelle tuotteelle on laadunhallintajärjestelmän käyttöönotto. Ydinturvallisuusohjeet, eli YVL-ohjeet ovat pakollisia lainsäädäntöön perustuvia vaatimuksia ja yksi näistä vaatimuksista on laadunhallintastandardin käyttöönotto, joten käytännössä myös teolliset standardit ovat lakivelvoitteisia. Seuraavana on säteilyturvakeskuksen laatimat määräykset ja huipulla lait, kuten ydinenergia- ja säteilylaki, joita eri asetukset seuraavat. (Saikkonen 2013, 24.)
Kuva 7. Ydinalan säännöstön hierarkia. (STUK 2019a)
4.1 Ydinturvallisuusohjeet
Säteilyturvakeskus on esittänyt YVL-ohjeissa ydinlaitosten, ydinmateriaaleja ja ydinjätteitä turvallisuutta koskevat vaatimukset. YVL-ohjeet koskevat myös ydinenergian käyttöön liittyviä turvajärjestelyitä sekä valmiusjärjestelyitä.
Vaatimukset komponentille kasvavat riippuen sen sijainnista laitoksessa. Uusia tuotteita valmistaessa on selvitettävä mihin turvallisuusluokkaan osa voi kuulua.
Turvallisuusluokat ovat jaettu luokkiin 1, 2 ja 3 sekä luokkaan EYT, eli ei ydinteknisesti luokiteltu. Vaativimmat komponentit sijaitsevat primääripiirissä. Primääripiirin komponenteilla on suuremmat vaatimukset, sillä komponenttien täytyy kestää rasitusta säteilystä, korkeasta lämpötilasta ja suuresta paineesta. (Laitinen 2017)
Järjestelmillä tarkoitetaan toiminnallisia tai rakenteellisia kokonaisuuksia.
Ydinvoimalaitoksen jokainen rakenne tai laite sisältyy johonkin järjestelmään. alla olevassa taulukossa on esitetty järjestelmien sijoittuminen turvallisuusluokkiin.
Taulukko 3. Ydinlaitoksen järjestelmien luokittelu turvallisuusluokkiin. (STUK 2019b)
Turvallisuusluokkaan 1 luokitellaan järjestelmät:
• joiden vika tai vaurio voi aiheuttaa reaktorin eheyttä vaarantavan onnettomuuden ja vaatisi siten turvallisuusjärjestelmien pikaista käynnistämistä.
• Ydinpolttoaine, reaktorin painesäiliö ja ne primääripiiriin osat, joiden
vaurioituminen johtaa sellaiseen primääripirin vuotoon, jota ei voida korvata laitoksen normaalin käyttöön liittyvillä järjestelmillä.
Turvallisuusluokkaan 2 luokitellaan järjestelmät:
• joiden eheyttä vaaditaan reaktorin jälkilämmön poistoon tai radioaktiivisten aineiden pidättämiseen laitoksen sisälle turvallisuusluokan 1 laitteen tai putkiston vaurion jälkeen.
• joiden vaurio aiheuttaa vaaran hallitsemattomasta ketjureaktiosta, vaarantaa ydinpolttoaineen tai turvallisuusluokan 1 leviämisesteen eheyden.
• Reaktorin hätäjäähdytysjärjestelmien päälaitteet ja putkistot, tukirakenteet ja sammutusjärjestelmien rakenteet.
• Primääripiirin putkistojen tuennat ja ydinpolttoaineen varastotelineet.
• Reaktorin suojarakennus mukaan lukien suojarakennuksen erityistoimintoon liittyvät rakenteet ja muut suojarakennuksen välittömästi liittyvät rakenteet.
4.2 Teolliset standartit
Ydinvoimalaitostoimittajien kannalta tärkein edellytys on vaadittavien teollisten standardien käyttöönotto. Tällä hetkellä jauhemetallurgisesta valmistuksesta, kuten jauhepetisulatuksesta ei ole vielä mainintaa ydinteollisuuden standardeissa kuten RCC- M standardissa. RCC-M standardi on primääripiirin mekaanisissa komponenteissa käytettävä laadunhallintajärjestelmä. Tulevaisuudessa voidaan olettaa, että RCC-M sallii jauhemetallurgiset valmistusprosessit, sillä muut kansainväliset teolliset standardit ovat alkaneet teknologian hyväksynnän. (D’Souza-Mathew 2016, 100)
4.3 Säteilyturvakeskus
Kun laadunhallintajärjestelmä hyväksyy muutospyynnön, täytyy saada ydinvoimalaa valvovien viranomaisten hyväksyntä. Suomessa säteilyturvakeskus, eli STUK valvoo ydinvoimaloiden uusien komponenttien käyttöönottoa ja muutostöitä.
Muutostyöt kattavat ikääntyvien järjestelmien korvauksista laitteiden uusintoihin, joiden tarkoituksena voi olla esimerkiksi ominaisuuksien parantaminen, kuten energiantuotannon tehostaminen tai turvallisuuden parantaminen. STUK tarkistaa asiakirjat, jotka osoittavat, että komponentti on läpäissyt pätevyysvaiheet. Asiakirjojen lisäksi STUK toteuttaa tarkastuksia joko laitospaikalla tai valmistajien luona. Näiden tarkastusten testausten ja asiakirjojen arvioinnilla selvitetään, onko komponentin laatutaso riittävä ydinvoimaloiden käyttöön. (STUK 2019c)
4.4 Tuotteiden kelpuutus
Jokaiselle komponentille on laadittava kelpoistussuunnitelma, jotta voidaan varmistua turvallisuuden kannalta tärkeiden järjestelmien vaatimusten läpäisystä.
Turvallisuusluokkaan 3 luokitellaan järjestelmät:
• joiden radioaktiivisten aineiden leviämisesteisiin tai radioaktiivisen materiaalin käsittelyyn liittyvät rakenteet ja laitteet, jotka eivät kuulu ylempiin
turvallisuusluokkiin
• joiden vaurio voi aiheuttaa merkittävän radioaktiivisten aineiden leviämisen laitostiloihin tai ympäristöön.
• jotka varmistavat turvallisuusluokan 2 järjestelmien toimintakyvyn, sekä järjestelmien fyysistä erottelua varmistavat rakenteet.
• Rakenteet ja laitteet, jotka varmistavat turvallisuusluokan 3 toiminnot.
Kelpoistussuunnitelmassa otetaan huomioon järjestelmän turvallisuusmerkitys ja luotettavuusvaatimukset.
Kelpoistussuunnitelma koostuu neljästä osa-alueesta:
1. Järjestelmien, rakenteiden ja laitteiden suunnittelun ja toteutuksen yhteydessä tuotettava aineisto, jota käytetään kelpuutuksessa
2. kelpuutusta varten suunnitellut arviot, testit, analyysit ja koestukset sekä näihin käytetyt menetelmät, niiden soveltuvuus ja suorittaja
3. kelpuutuksen etenemissuunnitelma aikatauluarvioineen ja riippuvuuksineen suhteessa projektin etenemiseen
4. kelpuutuksessa tuotettu tai tuotettava dokumentaatio ja tämän esittäminen viranomaiskäsittelyyn. (STUK 2019d)
Koska AM-tekniikoista ei ole vielä mainintaa laadunhallintajärjestelmissä on lisäävillä valmistuksilla tuotettujen komponenttien perusteltava miksi ne eivät vielä kuulu laadunhallintajärjestelmiin. Asiantuntijoiden täytyy arvioida puutteellisuudesta syntyvä vaikutus ydinturvallisuuteen. Prosessi on riskialtis kelpuutuksen kannalta, varsinkin järjestelmille, jotka sijaitsevat turvallisuudelle merkittävissä paikoissa, kuten primääripiirissä. (STUK 2019d)
Toinen vaihtoehto on saada hyväksyntä laadunhallinta järjestelmään. Seuraavassa kuvassa on jauhemetallurgialla valmistetun komponentin reitti hyväksyntään ja käyttöön eurooppalaisessa ydinvoimalassa. Prosessi on pitkä ja komponentin on läpäistävä jokainen kuvassa esitetty pätevyysvaatimus suunnitellulle sovellukselle ominaisella tavalla. (D’Souza-Mathew 2016, 100-101)
Molemmat vaihtoehdot ovat hankalia AM-tekniikoilla valmistettujen komponenttien kelpuutuksen kannalta. Tosin ainetta lisäävän valmistuksen avulla voidaan myös valmistaa tuotteita ei niin vaativiin järjestelmiin, kuten turvallisuusluokkaan 3 tai luokkaan EYT, jolloin vaatimuksia saadaan karsittua ja mahdollisuudet kelpuutukseen lisääntyvät.
Kuva 8. Uuden osan toi valmistusprosessin hyväksymisprosessi eurooppalaiseen ydinvoimalaan.
(D’Souza-Mathew 2016, 101, muokattu)
5 MAHDOLLISUUDET YDINVOIMALAITOKSILLA
Ainetta lisäävä valmistus on automatisoitu. helpottaa toimitusketjujen kulkua ja tuotesuunnittelua, sekä mekaaniset ominaisuudet voivat olla jopa parempia kuin perinteisillä valmistustavoilla tuotetut komponentit. 3D-tulostus on ollut menestys useissa teollisuudenaloissa, ja kiinnostus on alkanut kasvamaan myös energiayhtiöillä.
Ainetta lisäävällä valmistuksella tuotettuja komponentteja on otettu käyttöön vaativissa järjestelmissä hiili- ja öljyvoimalaitoksissa, joten ydinvoimalaitokset voisivat olla seuraava paikka, jossa jauhepetisulatusta ja muita lisäävän valmistuksen tekniikoita voitaisiin soveltaa.
5.1 Vaativat komponentit
Jauhepetisulatus-tekniikka on epäilemättä edistynein ja suurimmat rajoittavat tekijät ydinalalla ovat tuotantokustannukset ja tulostettavan kokorajoitukset. Suurimpina mahdollisuuksina on hilarakenteen ja muiden vaativien rakenteiden hyödyntäminen ydinteollisuuden sovelluksissa. Jauhepetisulatuksen avulla vaativien rakenteiden, kuten hilarakenteiden valmistaminen ei lisää kustannuksia lainkaan (Gibson et al. 2010, 405).
Hilarakenteet luovat kevyemmän rakenteen ja paremman jäähdytyksen komponenteille, mutta silti säilyttäen hyvät mekaaniset ominaisuudet. Tulostetut komponentit viimeisteltäisiin kuumalla isostaattisella puristuksella, jolloin tuotteiden mekaaniset ominaisuudet paranisivat edelleen. Kustannustehokas sarjatuotanto on mahdollista pinoamalla komponentteja päällekkäin.
Ydinvoimaloiden pääkiertopiirin putkiston virtausdynamiikkaa voitaisiin parantaa optimoimalla putkistot ja suodattimet ainetta lisäävän valmistuksen avulla. Alla olevan kuvan 9 mukaisesti ainetta lisäävällä valmistuksella voidaan pyöristää putkistojen sisääntulo aukkoja. Pyöristyksen seurauksena virtaus muuttuu sulavammaksi, jolloin painehäviö pienenee. Samat hyödyt voidaan saavuttaa myös suodattimille ainetta lisäävällä valmistuksella. Optimoimalla geometria voidaan estää kavitaation syntymistä, jolloin tuotteiden elinikää saadaan pidemmiksi. Sulavampi virtaus vähentää pumppaamiseen kuluvaa energiaa ja pienentää hiilijalanjälkeä. Hyvänä esimerkkinä on Metso, joka on korvannut virtaustekniikan komponentteja 3D-tulostetuilla versioilla.
Komponentit ovat esitetty kuvassa 10. Suodattimet ovat vaikeita valmistaa perinteisillä
valmistustavoilla. 3D-tulostettujen suodattimien hyödyt on huomattu myös ydinvoimaloissa, sillä yritykset GE Hitachi ja Westinghouse ovat aloittaneet ainetta lisäävän valmistuksen tutkimisen. (Metal AM 2014)
Kuva 9. Muotopoikkeamat aiheuttavat virtauksen painehäviötä, joten pyöristetyssä tuloaukossa virtaus kulkee sujuvammin. (Çengel & Cimbala 2016, muokattu)
Kuva 10. Virtausdynamiikan kannalta optimoituja 3D-tulostettuja komponentteja, joita Metso on ottanut käyttöön. (Metso 2018)
GE Hitachi on aloittanut tutkimuksen suorituskykyä parantavista 3D-tulostetuista roskasuodattimista. Suihkupumppuihin on esitetty 3D-tulostettuja komponentteja, joiden avulla tärinänestoa saadaan paremmaksi kiehutusvesireaktoreissa (Thomas 2016). Myös Westinghouse on aloittanut 3D-tulostamalla valmistettujen suodattimien tutkimisen.
Yritys kertoo painehäviön laskeneen merkittävästi 3D-tulostettujen suodattimien avulla
(Cleary 2017). Kyseinen suodatin on esitetty seuraavassa kuvassa. Westinghouse on myös sijoittanut 3D-tulostettuun ydinreaktorin sormustinlaitteeseen. Sormustinlaite on esitetty kuvassa 12. Yritys kertoo laskeneen kustannuksia jopa 50 prosenttia lisäävän valmistuksen avulla. Lisäksi läpimenoaikoja on saatu pienennettyä jopa 90 prosenttia.
(Rushabh 2017)
Kuva 11. Jauhepetisulatuksella valmistettu suodatin, jonka avulla pienennetään painehäviötä.
(Cleary 2017)
Kuva 12. Westinghousen suunnitteleman sormustinlaitteen komponenttien määrä laskettiin 30 kolmeen. (Cleary 2017)
5.2 Varaosat ja uudet ydinvoimalat
Yksi suurimmista hyödyistä AM-tekniikasta ydinvoimaloissa on varaosien valmistaminen. Komponentteja ei tarvitsisi varastoida ja tarvittavat komponentit voitaisiin tulostaa vuosihuollon aikaan, kun tarve osalle ilmenee. Samalla riippuvuus toimitusketjuihin vähenisi. Siemens teki juuri näin Kroatian Krško:n ydinvoimalaitoksessa. Ydinvoimalaitoksessa oli vanhentuneita komponentteja, tärkeitä juoksupyöriä, joita alkuperäinen valmistaja ei enää valmistanut. Siemens ratkaisi ongelman valmistavalla komponentit 3D-tulostamalla. Krško teki 3D-tulostetulle juoksupyörälle testejä ja tuli lopputulokseen, että 3D-tulostettu juoksupyörä on odotettua parempi. Tällaisen toiminnan avulla ydinvoimaloiden ikää saataisiin pidennettyä, sillä vanhentuneet tai käytöstä poistuneet komponentit pystyttäisiin korvaamaan kätevästi 3D- tulostetuilla komponenteilla (Siemens 2017). Ainetta lisäävän valmistuksen erilainen toimintaketjumalli voisi tulla eduksi uusien voimaloiden rakentaessa, sillä ydinvoimaloiden viivästymiset maksavat miljardeja euroja tai dollareita. Olkiluoto 3 on viivästynyt useita kertoja ja yksi syistä viivästyksiin on ollut varaosien puute (Laakso 2019). Ainetta lisäävän valmistuksen avulla Olkiluoto 3:n tapaisia varaosien puutteita voitaisiin ratkaista kätevästi tuottamalla komponentit läheisellä 3D-tulostimella.
Komponenttien läpimenoaikoja voitaisiin lyhentää vuosista kuukausiin ja yksittäisten komponenttien valmistaminen olisi nopeampaa kuin muilla valmistustavoilla. Varaosa puutteita pystyttäisiin paikkaamaan kätevästi läheisellä 3D-tulostimilla. Lisäksi ainetta lisäävä valmistus voisi olla avaintekijä pienten modulaaristen reaktoreiden teollistumisessa juuri nopean läpimenoajan ansiosta. (Thomas 2016)
Toinen luotettava tapa hyödyntää ainetta lisäävää valmistusta on muottien valmistaminen.
Sideaineen suihkutuksen avulla voidaan valmistaa hiekkavalumuotteja. Tätä tekniikkaa voitaisiin käyttää, kun tuotetta ei enää valmisteta tai tuote tarvitaan nopeasti, mutta samalla halutaan käyttää luotettavia perinteisiä valmistustapoja. Tämän tekniikan avulla ohitetaan lainsäädännölliset ongelmat ja yhdistetään ainetta lisäävät- ja perinteiset valmistustavat. Westinghouse Electric Companyn mukaan tällaisen tekniikan avulla on säästetty jopa 50 prosenttia kustannuksissa ja 75 prosenttia läpimenoajoissa. (Nuclear Engineering International 2017)
Yksinkertaisempien komponenttien valmistuksessa perinteisten valmistustapojen sijaan voitaisiin käyttää suorakerrostus-tekniikkaa. Suorakerrostus-tekniikan avulla voidaan vähentää läpimenoaikaa ja materiaalia. Lisäksi arvokkaita komponentteja ja tukipintoja pystytään korjaamaan ja vahvistamaan tämän tekniikan avulla. Esimerkiksi suorakerrostus-tekniikan avulla pystytään pinnoittamaan materiaaleja korroosiota- ja kulumista estävällä pinnoitteella. (Nuclear Engineering International 2017)
5.2.1 Neljännen sukupolven reaktorit
Pienten modulaaristen reaktoreiden reaktoripaineastioiden valmistus perinteisillä valmistustavoilla kestää noin kolme vuotta. Ainetta lisäävän valmistuksen avulla läpimenoaika voitaisiin pienentää alle kuuteen kuukauteen. Läpimenoaikojen lyhentämisen lisäksi monimutkaisten komponenttien valmistuksessa voitaisiin käyttää kustannustehokasta jauhepetisulatus-tekniikkaa. Prototyyppien valmistaminen tutkimus- ja kehitystyöhön on edullista ja nopeaa. Havaitessa parannuskohteita prototyypin muokkaaminen paremmaksi on vaivatonta tietokoneavusteisen suunnittelun ansiosta.
(Thomas 2016)
Ainetta lisäävää valmistusta voitaisiin myös käyttää tutkimustyössä tulevaisuuden reaktoreiden kehittämiseen. Esimerkiksi tutkimusta on tehty ydinpolttoaineen valmistuksesta 3D-tulostimilla neljännen sukupolven reaktoreihin. Neljännen sukupolven reaktoreilla hyödynnetään ydinpolttoainetta enemmän esimerkiksi kierrättämällä.
Shaman tutkimuksen mukaan ainetta lisäävän valmistuksen avulla tuotetulla ydinpolttoaineella voisi olla parempi onnettomuuden sietokyky, sekä suorituskykyä nostavia ominaisuuksia. Valmistusprosessi perustuu 3D-tulostimen kykyyn yhdistää erilaisia materiaaleja sisäisen geeliytymisen avulla. (Shama, Pouchon & Clifford 2019, 1-2)
6 JOHTOPÄÄTÖKSET
Ainetta lisäävän valmistuksen mahdollisuudet ydintekniikassa ovat suuret.
Jauhepetisulatus-tekniikalla 3D-tulostetun komponentin mekaaniset ominaisuudet voivat olla vähintään yhtä hyviä tai jopa parempia kuin muilla menetelmillä valmistetuilla komponenteilla, kunhan komponentit saavat riittävän jälkikäsittelyn ja tulostusprosessi on oikeanlainen. Tulostusprosessin oikeanlaisuus on suuri vaatimus varsinkin vanhoille tulostimille. Teknologian edistyessä uudet tulostimet tuottavat entistä parempaa jälkeä, jolloin valmistusprosessin seuraaminen ei enää ole niin välttämätöntä. Lisäksi laadunhallinta on helppoa ja vaivatonta uusilla 3D-tulostimilla, jotka monitoroivat valmistusprosessia kerroksittain.
Monia tämän hetkisiä ydinalan ongelmia olisi mahdollista ratkaista, kuten läpimenoaikojen lyhentäminen ja puuttuvien varaosien valmistaminen ainetta lisäävällä valmistuksella. Yritykset ovatkin huomioineet tämän ja vanhojen komponenttien korvaaminen 3D-tulostetuilla versioilla on alkanut. Tulevaisuuden rakennusurakoissa AM-tekniikoilla pystyttäisiin vähentämään riippuvuutta toimitusketjuista, sekä tärkeitä osia pystyttäisiin valmistamaan lyhyellä varoitusajalla. Ainetta lisäävän valmistuksen avulla on mahdollista vähentää jätteiden syntymistä varastoinnissa ja tuotteiden valmistuksessa, joten tulevaisuudessa AM-tekniikoiden hyödyntäminen voi olla olennainen tapa edistää kiertotaloutta ja Lean-tuotantoa.
Ydinvoimaloissa on paljon kohteita, joihin ainetta lisäävää valmistusta voitaisiin soveltaa. Esimerkiksi jauhepetisulatus-tekniikan kyvyllä valmistaa hilarakenteita voitaisiin parantaa jo tämän hetkisiä virtaustekniikan sovelluksia, kuten esimerkiksi suodattimia. Toinen suuri kohde on putkistot, joiden geometria voitaisiin parantaa tehokkaammaksi pyöristämällä tuloaukkoja lisäävän valmistuksen avulla.
Monimutkaisten tuotteiden tulostaminen lisäävän valmistuksen avulla on myös kustannustehokasta. Vaativien komponenttien valmistuksessa kustannuksia voi säästä useita kymmeniä prosentteja jopa suurilla erillä lisäävän valmistuksen avulla.
Ainetta lisäävällä valmistuksella on paljon hyötyjä ja mahdollisuuksia, mutta uhkia ja heikkouksia ei pidä unohtaa, sillä niitäkin löytyy kuten taulukosta 4 voidaan havaita. AM- tekniikoilla valmistettujen tuotteiden käyttöönotto ydinvoimaloissa voi olla hankalaa,
mutta vanhentuneiden ja käytöstä poistuneiden komponenttien korvaaminen 3D- tulostetuilla komponenteilla voi silti olla nopeampaa ja edullisempaa.
Taulukko 4. Nelikenttäanalyysi ainetta lisäävästä valmistuksesta.
Jokaiselle komponentille on mietittävä tarkkaan, onko tuote kannattavaa 3D-tulostaa. Isot erät ja yksinkertaiset tuotekomponentit voivat olla epäkäytännöllisiä valmistaa lisäävillä valmistustavoilla. Hyvällä suunnittelulla voidaan saada tulostusaikoja ja kustannuksia laskettua myös suurille erille, esimerkiksi pinoamalla komponentteja päällekkäin. Myös kalliiden materiaalien, kuten titaanin kustannustehokkuus pitää huomioida suurena vahvuutena ainetta lisäävälle valmistukselle.
Suurien erien ja yksinkertaisten tuotteiden valmistaminen ei ole halpaa lisäävillä valmistustavoilla, joten voidaan olettaa, että teknologia ei tule korvaamaan CNC-koneita tai ruiskuvalukoneita. Ennemminkin 3D-tulostimia voitaisiin ottaa muiden valmistustapojen rinnalle ja kaikista koneista otettaisiin maksimaalinen hyöty irti.
Ruiskuvalukoneilla tuotettaisiin yksinkertaiset komponentit ja 3D-tulostimilla monimutkaiset komponentit. Varaosapuutteen ilmetessä 3D-tulostin pystyisi valmistamaan varaosan nopeasti ilman suurempia viivästyksiä.
VAHVUUDET:
Ei kokoonpanovaiheita Läpimenoaika Tuotesuunnittelu
Monipuolisuus
HEIKKOUDET:
Isot erät Pinnan laatu
Huokoisuus Koko rajoitukset
MAHDOLLISUUDET:
Pienet erät Varaosat Vaativat komponentit
UHAT:
Korkeat kustannukset Pätevyys vaatimukset
Uutuus Ainetta lisäävä
valmistus
7 YHTEENVETO
Työn tavoitteena oli selvittää ainetta lisäävän valmistuksen mahdollisuudet ydintekniikassa. Lisäksi selvitettiin miten lisäävillä valmistustavoilla tuotetut komponentit pärjäävät ydinvoimateollisuuden lainsäädännöllisten vaatimusten läpäisyssä.
Työssä kävi ilmi, että ainetta lisäävälle valmistukselle löydettiin paljon mahdollisuuksia ydintekniikassa. Suurimmat hyödyt ovat varaosien ja monimutkaisten komponenttien tuotannossa. Ydinvoimaloissa on myös paljon pienen erän vaativia komponentteja, joita on mahdollista valmistaa kustannustehokkaasti lisäävän valmistuksen avulla. Lisäksi ainetta lisävään valmistuksen avulla pystyttäisiin muuttamaan toimitusketjuja joustavimmiksi. Tärkeitä osia pystyttäisiin valmistamaan lyhyellä varoitusajalla esimerkiksi varaosapuutteen ilmetessä, sekä tuotteiden läpimenoaikoja saataisiin lyhyemmiksi. Kalliita materiaaleja, kuten titaania voitaisiin käyttää kustannustehokkaasti jauhepetisulatuksen avulla. Tutkimuksessa havaittiin myös, että komponenttien optimoiminen ja kehittäminen lisäävillä valmistustavoilla on mahdollista. Esimerkiksi putkien ja suodattimien virtausdynaamisia ominaisuuksia pystyttäisiin parantamaan monimutkaisten rakenteiden avulla. Havaittiin myös mahdollisuus, jossa lämmönsiirto ominaisuuksia pystyttäisiin parantamaan biologisten muotojen avulla. Monimutkaisten rakenteiden potentiaali on suuri ja on todennäköistä, että rakenteille löytyy tulevaisuudessa paljon lisää käyttökohteita.
Vaikka ainetta lisäävät valmistus on uusi teknologia, oli teknologiaa otettu käyttöön monissa paikoissa. Siemens on todistanut, että ainetta lisäävää valmistusta voi soveltaa teollisuudessa niin varaosien tuotannossa, kuin vaativien komponenttien sarjatuotannossa. Etteplan todisti, että ainetta lisäävän valmistuksen avulla voidaan laskea kustannuksia, vaikka komponentteja tuotettaisiin sarjatuotantona.
Teknologian suurimmat haasteet ovat ydintekniikan kannalta lainsäädännöllisten vaatimusten läpäisy. Teknologia on vielä niin uusi, että siitä ei ole vielä mainintaa ydinteollisuuden laadunhallintajärjestelmissä. Tosin muiden teollisuudenalojen laadunhallintajärjestelmät ovat alkaneet jauhemetallurgisten valmistusprosessien hyväksynnän, joten voidaan olettaa ydinteollisuuden laadunhallinta järjestelmien
seuraavan muiden järjestelmien esimerkkiä. Lisäksi sideaine suihkutuksen avulla voidaan ohittaa lainsäädännölliset ongelmat ja yhdistää ainetta lisäävät- ja perinteiset valmistustavat. Hiekkavalumuottien valmistaminen sideaine suihkutuksen avulla on luotettava tekniikka, kun varaosia ei esimerkiksi enää valmisteta tai kun varaosa halutaan nopeasti.
Toinen haaste on tuotantokustannusten minimointi. Tuotantokustannukset vaihtelevat paljon tapauskohtaisesti, joten aina ei ainetta lisäävä valmistus ole paras vaihtoehto.
Suurien erien tuottaminen ei 3D-tulostimilla laske samalla tavalla kuin perinteisillä valmistustavoilla. Toisaalta kustannukset nousevat tuotteen monimutkaisuuden ja vaativuuden kasvaessa.
Suurien erien ja yksinkertaisten tuotteiden valmistaminen ei ole halpaa lisäävillä valmistustavoilla, joten ainetta lisäävä valmistus ei todennäköisesti tule korvaamaan CNC-koneita, ruiskuvalukoneita tai hiekkavaluja. 3D-tulostimia voitaisiin ottaa muiden valmistustapojen rinnalle ja kaikista koneista otettaisiin maksimaalinen hyöty irti.
Valamalla valmistettaisiin yksinkertaiset komponentit ja 3D-tulostimilla monimutkaiset komponentit. Varaosapuutteen ilmetessä 3D-tulostin pystyisi valmistamaan varaosan nopeasti ilman suurempia viivästyksiä.
Alkaios, Bournias & Varotsis. 2019. 3D Printing vs. CNC machining. [verkkojulkaisu].
[Viitattu 28.10.2019]. Saatavissa: https://www.3dhubs.com/knowledge-base/3d- printing-vs-cnc-machining/#intro
Carlota, V. 2019. GE Research 3D printed a heat exchanger for more efficient energy conversion. [verkkojulkaisu]. [Viitattu 17.02.2020]. Saatavissa:
https://www.3dnatives.com/en/ge-research-heat-exchanger-240420195/
Çengel, Y. A. & Cimbala, J. M. 2006. Fluid mechanics: Fundamentals and applications.
New York: McGraw-Hill Higher Education. 956 s. ISBN 0-07-111720-2 Cleary, W & Karoutas, Z. 2017. Fuelling additive manufacturing. [verkkojulkaisu].
[Viitattu 20.01.2020]. Saatavissa:
https://www.neimagazine.com/features/featurefuelling-additive-manufacturing- 5945496/
Cleary, W. 2017. Fabrication, Irradiation, and Testing of Zircaloy-2. [verkkojulkaisu].
[Viitattu 19.02.2020]. Saatavissa: https://nsuf.inl.gov/documents/Review2017/Cleary Fabrication.pdf
Delva. 2019. Metallituloste - kestävä, luotettava ja laadukas. [yrityksen www-sivut].
[Viitattu 28.10.2018]. Saatavissa: https://delva.fi/fi/tietoa/
D’Souza-Mathew, M. 2016. D6.2.9 Material properties determined.
Testing and code-acceptance defined. FP7 2007- 2013 Project Nugenia – plus, Powderway Consortium. Saatavissa:
https://www.epma.com/document-archive/sectoral-groups/eurohip/589-nugenia-plus- project-d6-2-9-material-properties-determined-testing-and-code-acceptance-defined/file EOS. 2019. EOSTATE MeltPool: Real-time process monitoring at the melting point.
[yrityksen www-sivut]. [Viitattu 08.01.2020]. Saatavissa:
https://www.eos.info/software/monitoring-software/meltpool-monitoring
Etteplan. 2019. Additive Manufacturing Design Case for Optimized Production.
[yrityksen www-sivut]. [Viitattu 08.01.2020]. Saatavissa:
https://www.etteplan.com/references/additive-manufacturing-design-case-optimized- production
Gandy, D & Stover, S. 2017. ICME & Process Monitoring for Qualification of Nuclear Components via LPB-AM. Electric Power Research Institute. [verkkojulkaisu]. [Viitattu 20.01.2020]. Saatavissa: https://www.nrc.gov/docs/ML1733/ML17338A885.pdf
GE Additive. 2020. Metals in Additive Manufacturing. [yrityksen www-sivut]. [Viitattu 17.02.2020]. Saatavissa: https://www.ge.com/additive/additive-
manufacturing/information/metal-additive-manufacturing-materials
Ghobodian, A., Talavera, I., & et al. 2020. Examining legitimatisation of additive manufacturing in the interplay between innovation, lean manufacturing and sustainability. International Journal of Production Economics. 457-468 s.
https://doi.org/10.1016/j.ijpe.2018.06.001
Gibson, I., Rosen, D. & Stucker, B. 2015. Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. 2nd ed. 2015. New York, NY: Springer New York. 459. ISBN 978-1-4419-1120-9.
Goehrke, S. 2019. A Look Ahead in 3D Printing with Gartner’s Pete Basiliere.
[verkkojulkaisu]. [Viitattu 25.10.2019]. Saatavissa:
https://www.fabbaloo.com/blog/2019/1/10/a-look-ahead-in-3d-printing-with-gartners- pete-basiliere
Gorsse, S., Hutchinson, C., Goune, M., & Banerjee, R. 2017. Additive manufacturing of metals: a brief review of the characteristic microstructures and properties of steels, Ti- 6Al-4V and high-entropy alloys. Science and Technology of Advanced Materials. 584- 610 s. ISSN 1468-6996-1878-5514.
Hujanen, J. 2018. Lean-ajattelun hyödyntäminen Engineer-to-order tuotannon kehittämisessä. Kandidaatintyö. Lappeenrannan teknillinen yliopisto, tuotantotalous.
Lappeenranta. 34 s.
Kaltenbrunner, H-G. How 3D printing is set to shake up manufacturing supply chains.
[verkkojulkaisu]. [Viitattu 17.02.2019]. Saatavissa:
https://www.theguardian.com/sustainable-business/2014/nov/25/how-3d-printing-is-set- to-shake-up-manufacturing-supply-chains
Kingsland, P. 2019. 3D printing in the railway sector with Deutsche Bahn.
[verkkojulkaisu]. [Viitattu 25.10.2019]. Saatavissa: https://www.railway- technology.com/features/3d-printing-in-the-railway-sector/
Laakso, A. 2019. Olkiluoto 3 lykkääntyy jälleen – säännöllinen sähköntuotanto alkaa 2021. [verkkojulkaisu]. [Viitattu 10.01.2020]. Saatavissa: https://yle.fi/uutiset/3- 11126984
Laitinen, V. 2017. Turvallisuusluokiteltujen toimitusten vaikutus yrityksen
toimintajärjestelmään. Diplomityö. Lappeenrannan teknillinen yliopisto, LUT School of Energy Systems, Energiatekniikan koulutusohjelma. Mikkeli. 89s.
Lou, X., Andresen, P. L. & Rebak, R. B. 2018. Oxide inclusions in laser additive manufactured stainless steel and their effects on impact toughness and stress corrosion cracking behavior. Journal of Nuclear Materials, 499(C). 182-190 s.
https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.11.036
Metal AM. 2014. Additive Manufacturing and filtration: Innovations in filter design at Croft. [verkkojulkaisu]. [Viitattu 01.11.2019]. Saatavissa: https://www.metal-
am.com/additive-manufacturing-and-filtration-innovations-in-filter-design-at-croft/
Metso. 2018. First Metso valves with 3D printed parts shipped to a customer. [yrityksen www-sivut]. [Viitattu 25.10.2019]. Saatavissa:
https://www.metso.com/news/2018/12/first-metso-valves-with-3d-printed-parts- shipped-to-a-customer/
Mini. 2019. MINI Yours Customised | Next Level of Individualisation. [yrityksen www-sivut]. [Viitattu 28.10.2018]. Saatavissa: https://yours-
customised.mini/#app/en/home
Nuclear Engineering International. 2017. Printing nuclear parts. [Verkkojulkaisu].
[Viitattu 13.01.2020]. Saatavissa:
https://www.neimagazine.com/features/featureprinting-nuclear-parts-5861118/
Rushabh, H. 2017. Westinghouse chooses nuclear option for 3D printing projects due in 2018. [Verkkojulkaisu]. [Viitattu 09.11.2019]. Saatavissa:
https://3dprintingindustry.com/news/westinghouse-chooses-nuclear-option-3d-printing- projects-due-2018-123864/
Saikkonen, J (toim.). 2013. Miten tulla ydinvoima-alan alihankkijaksi? Pori:
Prizztech Oy. 92 s. ISBN 978-952-67160-4-6.
SFS-EN ISO/ASTM 52900. 2017. Materiaalia lisäävä valmistus. Yleiset periaatteet.
Terminologia. Suomi: Suomen standardisoimisliitto SFS ry. 16-20 s.
Shama, A., Pouchon, M. A. & Clifford, I. 2019. Simulation of the microfluidic mixing and the droplet generation for 3D printing of nuclear fuels. Additive Manufacturing, 26.
1-14 s. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.12.011
Siemens. 2017. Siemens sets milestone with first 3D-printed part operating in nuclear power plant. [yrityksen www-sivut]. [Viitattu 01.11.2019]. Saatavissa:
https://press.siemens.com/global/en/pressrelease/siemens-sets-milestone-first-3d- printed-part-operating-nuclear-power-plant
Siemens. 2018. Additive Manufacturing: Siemens uses innovative technology to produce gas turbines. [yrityksen www-sivut]. [Viitattu 25.10.2019]. Saatavissa:
https://press.siemens.com/global/en/feature/additive-manufacturing-siemens-uses- innovative-technology-produce-gas-turbines
STUK. 2019a. Säännöstö. [verkkojulkaisu]. [Viitattu 14.11.2019]. Saatavilla:
https://www.stuk.fi/saannosto
STUK. 2019b. Ydinlaitoksen järjestelmien, rakenteiden ja laitteiden luokittelu.
[verkkojulkaisu]. [Viitattu 09.01.2019]. Saatavissa:
https://www.stuklex.fi/fi/ohje/YVLB-2
STUK. 2019c. Laitosmuutosten valvonta. [verkkojulkaisu]. [Viitattu 20.01.2019].
Saatavilla: https://www.stuklex.fi/fi/ohje/YVLB-1
STUK. 2019d. Ydinvoimalaitoksen turvallisuussuunnittelu. [verkkojulkaisu]. [Viitattu 14.11.2019]. Saatavilla: https://www.stuk.fi/stuk-valvoo/ydinturvallisuus/stukin- ydinturvallisuusvalvonnan-tehtavat/laitosmuutosten-valvonta
Sutton, B., Herderick, E., Thodla, R., Ahlfors, M. & Ramirez, A. 2019. Heat Treatment of Alloy 718 Made by Additive Manufacturing for Oil and Gas Applications. JOM, 71(3). 1134-1143 s. https://doi.org/10.1007/s11837-018-03321-7
Thomas, K. 2016. 3D printers could slash SMR lead times from years to months.
Nuclear Energy Insider. [verkkojulkaisu]. [Viitattu 08.11.2019]. Saatavissa:
https://analysis.nuclearenergyinsider.com/3d-printers-could-slash-smr-lead-times-years- months
Yasa, E., Deckers, J. & Kruth, J. 2011. The investigation of the influence of laser re- melting on density, surface quality and microstructure of selective laser melting parts.
Rapid Prototyping Journal, 17(5), 312-327 s.
https://doi.org/10.1108/13552541111156450
Valdivieso, C. 2018. University of Maine creates the world’s largest 3D printed boat.
[verkkojulkaisu]. [Viitattu 25.10.2019]. Saatavissa: https://www.3dnatives.com/en/3d- printed-boat-university-of-maine-161020195/
Örnek, S. 2018. Additive manufacturing – a general corrosion perspective. Corrosion Engineering, Science and Technology, 53:7. 531-535 s.
https://doi.org/10.1080/1478422X.2018.1511327
