Onko AM ympäristöystävällistä?

Valmistava teollisuus on yksi suurimmista ympäristöä kuormittavista tekijöistä. Materiaalia lisäävä valmistus (AM eli Additive Manufacturing) voi tarjota osaratkaisun ympäristökuormien vähentämiseen, joskin sekään ei ole täysin päästötöntä.

Luotettavan arvion tekemistä varten on otettava huomioon kaikki päästöjä synnyttävät vaiheet tuotteen elinkaaren ajalta raaka-aineen valmistamisesta, käyttöön, kunnostukseen, käytöstä poistoon ja kierrätykseen. Koska täysin vedenpitävään ja kaikenkattavaan lopputulokseen pääseminen voi viedä asiasta kiinnostuneelta iäisyyden, päätimme kasata tiiviin tietopaketin aiheesta, jolla pääsee alkuun.

Onko AM -teknologialla väliä?

Eri AM-teknologioilla on hyvin erilainen ympäristökuorma. Itseasiassa jopa samaa teknologiaa käyttävät laitteet voivat poiketa energiankulutukseltaan merkittävästi toisistaan, vaikka materiaalikin olisi sama[1]. Karkeasti voidaan kuitenkin sanoa, että yleisimmät käytössä olevat jauhepetisulatusteknologiat ovat varsinaisia energiasyöppöjä jo pelkästään laserin vaatiman tehon tarpeen takia. Suorakerrostus, pursotus ja valokovetus altaassa ovat energiatehokkaampia prosesseja ottamatta kantaa eri prosessien tuottamaan laatuun[2].

Metallijauheen valmistaminen on hyvin energiaintensiivinen prosessi, jonka takia saman määrän aikaansaaminen vaatii jopa neljä kertaa enemmän energiaa kuin vastaavan aihion valmistaminen levytavarana. Toisaalta usein koneistettavasta kappaleesta lastutaan kymmeniä prosentteja materiaalia pois, kun AM-osalla sama luku on vain muutamia prosentteja silloinkin, kun koneistusta tarvitaan. Näin hukkamateriaalia syntyy huomattavasti vähemmän.

Suunnittelun merkitys lisäävässä valmistuksessa

Usein kuulee sanottavan, että jo suunnitteluvaiheessa määritetään 70 % tuotteen kustannuksista. Vähintään sama pätee ympäristöystävällisyyteen. Hyvällä suunnittelulla saadaan merkittäviä vaikutuksia aikaan, kunhan vain tiedetään perusasiat.

Helposti voidaan todeta, että AM antaa mahdollisuuden suunnitella tuotteita toiminnallisuuslähtöisesti siten, että vain halutun toiminnallisuuden aikaansaamiseen tarvittava määrä materiaalia käytetään. Usein poistamalla ylimääräinen materiaali saavutetaan jo kymmenien prosenttien kevennys. Tämä ei vielä riitä, sillä valmistusteknisistä rajoitteista johtuen kappaleen valmistaminen voi vaatia tukimateriaalia, joka voidaan laskennallisesti rinnastaa hukatuksi energiaksi. Energiaa vaatii raakamateriaalin valmistaminen, AM-prosessi, irrotus tulostus alustasta ja lopuksi tukimateriaalin kierrätys. Kuvassa on esitetty yksinkertainen levyleike ja siitä valmisteltu pienillä muutoksilla versio AM-menetelmille.

Useissa tapauksissa AM:n mahdollistama toimintojen lisääminen yksittäisiin kappaleisiin laskee kokoonpanon nimikemäärää. Tällä on suora vaikutus jälkikäsittelyn, kokoonpanon ja liittämistarpeisiin sekä sitä kautta tuotteen ympäristövaikutuksiin. Kannattaa kuitenkin huomioida, että useampien toimintojen liittäminen yksittäiseen kappaleeseen tekee usein kappaleista monimutkaisia ja sitä kautta jälkikoneistus voi osoittautua haastavaksi.

Energiatehokkuutta saadaan parannettua merkittävästi, mikäli AM-laitteen koko kapasiteetti saadaan hyödynnettyä valmistuksessa. Yksittäisen pienehkön osan valmistaminen metallista jauhepetimenetelmillä vaatii pitkän listan valmisteluita (mm. tulostusalustan lämmitys ja ympäristön luonti), jotka näyttelevät isoa roolia energiankulutuksessa, puhumattakaan toimenpiteistä AM-prosessin jälkeen (mm. jauheen käsittely, siivilöinti ja irrottaminen tulostusalustasta). Samaan valmistuserään kannattaa pyrkiä mahduttamaan mahdollisimman suuri määrä osia, mikäli se on mahdollista. Suunnitteluvaiheessa keinoja tämän huomioimiseen on ns. ”nesting”. Nesting tarkoittaa kappaleiden suunnittelua siten, että ne vievät mahdollisimman vähän tilaa tulostettaessa. Eritoten kotelomaisten tulosteiden kohdalla voidaan tehokkuutta nostaa merkittävästi tulosteiden sijoittelulla osittain sisäkkäin.

Mitä AM mahdollistaa pitkällä aikajänteellä?

Usein yksittäisten kulutustuotteiden koko elinkaaren aikaisista ympäristövaikutuksista suurin osa muodostuu tavaran siirtelystä paikasta toiseen. Sama pätee myös teollisiin tuotteisiin.  Mietitään esimerkiksi kenkien pohjallisia (ks. kuva alta)[3], joiden elinkaaren ympäristövaikutuksista 80 % tulee pelkistä kuljetuksista. Ensin yksittäiset komponentit (suojamuovi, liima, muovi ja kumi) toimitetaan jälleenmyyjien varastoihin, josta ne siirretään kokoonpano tehtaalle. Tehtaalla valmistetaan muutamaa eri mallia, jotka sopivat useimmille asiakkaille, mutta eivät kaikille. Tehtaalta pohjalliset toimitetaan jälleenmyyjille, joilta asiakas ostaa tuotteen. Mahdollisesti asiakas lähettää pohjalliset vielä takaisin ja pyytää liian pienien tilalle sopivan kokoiset. Jälleen pohjallisia kuljetetaan. Vasta nyt pohjalliset alkavat suorittamaan sitä tehtävää mihin ne on alun perin valmistettu. Lopuksi pohjalliset hävitetään jätteenkäsittelylaitoksella yli kymmenen kuljetuksen jälkeen.

Miltä sama näyttää hyödyntäen AM -menetelmiä? AM-palveluntarjoaja vastaanottaa raakamateriaalin. Asiakkaan jalka 3D-skannataan ja tieto siirretään AM -laitteelle digitaaliesti. AM -laite valmistaa pohjalliset yhdestä materiaalista (koska on mahdollista saavuttaa halutut ominaisuudet ilman useaa eri materiaalia) ja sopivat pohjalliset lähetetään asiakkaalle. Käytön jälkeen pohjalliset kierrätetään. Eli kymmenestä siirtovaiheesta kolmeen!

Tilanne on hypoteettinen ja todellisuudessa tilanne on harvoin näin mustavalkoinen. Kuitenkin, huomionarvoista on se, että AM-menetelmät mahdollistavat räätälöityjen tuotteiden tekemisen sekä valmistuksen suoraan digitaalisen mallin pohjalta, jolloin on mahdollista päästä eroon turhista kuljetusvaiheista. Räätälöidyt tuotteet saavat usein yritysten suunnitteluosaston karvat pystyyn työllistävän vaikutuksen takia, joka on tietysti ymmärrettävää, mutta suunnitteluautomaation avulla on mahdollista nopeuttaa prosessia merkittävästi.

No, onko vai eikö?

AM ei pelkkänä valmistusmenetelmänä pelasta maailmaa, mutta sen mahdollistamat liiketoimintamallien muutokset ovat avain merkittäviin muutoksiin. AM on varteenotettava vaihtoehto, millä voidaan pienentää tuotantovaiheesta koituvaa ympäristökuormaa, kunhan suunnitteluvaiheessa on huomioitu oikeat asiat. Yksittäisten osien ympäristövaikutusten vertaaminen perinteisen ja materiaalia lisäävän valmistuksen välillä ei ole mielekästä sillä harvoin sama osa on sopiva usealle eri valmistusmenetelmälle.

Alla on yhteenveto keskeisimmistä seikoista, joilla kappaleiden ympäristökuormaa saadaan pienennettyä AM:n avulla:

[1] Energy Consumption in Additive Manufacturing of Metal parts

[2] Investigastion of Energy Requirements and Environmental Performance for Additive Manufacturing Processes

[3] Where do the environmental impacts of Additive Manufacturing come from? Case study of the use of 3d-printing to print orthotic insoles 

Teksti: Jasperi Kuikka