17.05.2019

Materiaalia lisäävä valmistus (AM)

Mukaillen ISO/ASTM 52900:2017 materiaalia lisäävä valmistus on yhteinen nimitys menetelmille, joissa kappale valmistetaan digitaalisen mallin perusteella liittämällä materiaalia yhteen kerros kerrokselta. Yleisesti käytetään myös termejä 3D -tulostus ja AM (additive manufacturing). Nykyisin 3D -tulostus liitetään terminä usein harrasteluun joten teollisessa yhteydessä on mielekkäämpää käyttää lyhennettä AM. Oli termi mikä tahansa, kappaleen tuottamiseksi tarvitset vähintään osan digitaalisen mallin (usein .STL -tiedostomuodossa), AM -laitteen ja raaka-aineen. Näiden lisäksi tarvitset usein tueksi muita ”perinteisiä” valmistusmenetelmiä sillä AM riittää harvoin yksinään täyttämään kaikki toiminnalliset kriteerit.

AM -teknologian kehitys

AM -teknologia ei ole itsessään tuore. Ensimmäiset laitteistot nähtiin 80 -luvulla ja jo silloin oli orastavaa hypepuhetta menetelmän mahdollisuuksista. Teollisen tason käyttökohteet jäivät kuitenkin vähiin lukuisista syistä, joista varmasti yksi isoimmista oli tietokoneavusteisen suunnittelun vähäisyys. Hinta, saatavat ominaisuudet, materiaalivalikoima ja menetelmän saatavuus eivät myöskään pystyneet vastaamaan teollisuuden tarpeisiin. Kymmenkunta vuotta sitten arvioitiin, että kuluttajamarkkinat valjastaisivat AM -teknologiat käyttöönsä ja kyse ei olisi siitä, kenellä olisi kotona 3D -tulostin vaan, missä huoneessa se sijaitsee. Tämäkään ei sellaisenaan toteutunut ja nyt näyttää vahvasti siltä, että teollisuus on ottanut isännän roolin materiaalia lisäävien menetelmien potentiaalin valjastamisessa. Tästä kertoo alla oleva kuvaaja, jossa näkyy vuosittain myydyt metallin tulostamiseen käytetyt AM -laitteet maailmanlaajuisesti. Jos seurasit alaa tiiviisti viime vuonna, niin tiedät varmasti, että vuosi 2018 ei kääntänyt kaaviota laskusuuntaan. Te, joille alla oleva kuvaaja on uutta tietoa: huomioi, että kyseessä on laitteistot, joiden hankintahinta ovat pääasiassa välillä 100 000 € – 2 000 000 €. Samalla ala nauttii vuosittain yli 20 % kasvusta.

Puhuttaessa 3D -tulostuksesta useimmille nousee mieleen kuva laitteesta, jossa ”materiaali annostellaan kohdennetusti suuttimen tai reiän läpi”. Materiaali on usein PLA tai ABS -pohjainen muovilanka ja kappale kooltaan kymmenen sentin kolikon ja työläppärisi välillä. On syytä kuitenkin muistaa, että FDM on vain yksi teknologia lukuisien muiden joukossa, vaikka se sopiikin hyvin tiettyihin kohteisiin. Tällä hetkellä teollisuudessa metallimateriaaleilla käytetään yleisimmin jauhepetisulatukseen (selective laser melting) perustuvia teknologioita, joissa tehon lähteenä on yksi tai useampi laser. Kappaleet ovat edelleen pienehköjä (n. 250 x 250 x 300 mm), mutta trendi on selvä: valmistuskammioiden koko kasvaa. Vastaavasti hyvää pinnan laatua ja tarkkoja yksityiskohtia saadaan esimerkiksi valokovetuksella altaassa (VAT Photopolymerization). Toisaalta korjauksiin, pinnoitteisiin ja suuriin kappaleisiin on jälleen omat teknologiansa (suorakerrostus eng. direct energy deposition). Tärkeää on, että suunnittelutyön alkaessa on ajatus käytettävästä teknologiasta, koska siten voidaan vaikuttaa suoraan tuotteen valmistettavuuteen ja tätä kautta kustannuksiin. Hubs on kasannut eri teknologioista tiiviin tietopaketin. Kannattaa tutustua!

AM -alan tilanne Suomessa

Viime vuosina materiaalia lisäävä valmistus on nostanut kovasti päätään myös Suomessa. Auto- ja lentoteollisuus ovat vetäneet alaa eteenpäin, mutta viime aikoina myös muut teollisuuden alat ovat valjastaneet AM:n käyttöönsä. Vuonna 2018 Suomessa kaupalliset metallilaitteistot lähes tuplaantuivat. 2019 vuoden alku ei näytä hidastumisen merkkejä, kun useampi laitteisto on jo asennettu. Materiaalien kirjo laajenee toimijoiden ja teollisten käyttökohteiden lisääntyessä. Usein vastaan tulee kysymyksiä tiettyjen laitteiden edustuksesta ja materiaalivaihtoehdoista. Tätä varten olemme luoneet tietopankin toimijoista, laitteista sekä materiaaleista, jonka avulla kehitystyö saadaan nopeasti alkuun. Metalleista saatavilla on nyt esimerkiksi: AlSi10Mg, 316L, 17-4PH koboltti kromi, inconel, pronssi, hopea ja aiempieneri seokset. Tarvittaessa on mahdollista tehdä asiakaskohtaisia materiaalitestejä ja parametrikehitystä. Muita materiaaleja ovat muun muassa: ABS, PLA, Nylon (+hiilikuitu/lasikuitu/kevlar), hiekka, keraamit, selluloosakuitu sekä lukuisat muut.

Lisääntyneestä kiinnostuksesta kertoo myös lukuisat hankkeet, jotka tähtäävät osaamiskeskusten kautta AM:n syvällisempään ymmärtämiseen ja ympäristön luomiseen. Muutamia mainitakseni: Lisäävä valmistus Pohjois-Savossa (LIVA) -hanke, jossa on 3,2 miljoonan euron budjetti laiteinvestoinneille. Vastaavasti Lappeenrannan teknillinen yliopisto (LUT) rakentaa 3D-tulostus osaamiskeskittymää Etelä-Karjalaan Teollisuuden 3D-tulostus (Me3DI) -hankkeessa. Vastaavan tyyppisiä hankkeita on lukuisia ja pinnan alla tapahtuu paljon.

Miten materiaali lisääviin valmistusmenetelmiin pitäisi suhtautua?

Kuten olet varmasti huomannut, AM tulee varmasti muuttamaan teollisuutta ja tuttuja toimintatapoja tulevien vuosien aikana. Muutaman vuoden päästä tullaan todennäköisesti ylittämään raja, jonka jälkeen kappaleiden sarjavalmistus on yleisesti halvempaa materiaalia lisäävillä menetelmillä kuin perinteisillä menetelmillä. Toimenpiteisiin kannattaa ryhtyä hyvissä ajoin, ettei aika aja kehityksen ohi, kuten alla oleva kuvaaja esittää. Suurin lisäarvo on mahdollista saavuttaa, kun uskalletaan hypätä sopivan kauas tuntemattomalle alueelle. Kyse on lähinnä ajoituksesta ja potentiaalin tunnistamisesta omassa liiketoiminnassasi. Jään murtaminen ja ensimmäiset askeleet eivät useinkaan vaadi merkittäviä taloudellisia sijoituksia vaan alkuun pääsee hallituin ja pienin askelin. Vinkkinä siis: perehdy, kartoita, heittäydy villiksi ja kokeile!

Lähdetiedot: