Teollisuudessa on käynnissä suuri digitaalinen murros. Tuotantolinjat automatisoituvat, teollisuusrobotit hoitavat jo useita työvaiheita ja moni aiemmin käsin tehty asia hoituu digitaalisesti. Yksi alaa muuttavista teknologioista on teollinen 3D-tulostus eli lisäävä valmistus. Sen avulla voidaan parantaa tuotteiden suorituskykyä, tehokkuutta ja toiminnallisuutta eri teollisuudenaloilla. Maailmalla 3D-tulostusta käytetään jopa sarjatuotannossa.
Erityisesti metallien 3D-tulostus on LUT-yliopistolla väittelevän Heidi Piilin mukaan yksi varteenotettavimmista teollisista tulostustekniikoista, ja sen käyttö yleistyy maailmanlaajuisesti. Myös Suomessa metallien tulostamiseen tarkoitettujen 3D-tulostimien määrä kasvaa tasaisesti.
Lisäävän valmistuksen mahdollisuudet ohjaavat tuotantoa kohti kestävyyttä.
“Metallien lisäävän valmistuksen odotetaan entisestään lisääntyvän tulevina vuosina, ja yksi suurimmista hyötyjistä voisi olla kemianteollisuus. Automatisoidut suunnittelualgoritmit voivat ratkaista jo lähitulevaisuudessa monimutkaisten osien suunnittelun taloudelliset haasteet”, Turun yliopiston konetekniikan dosenttina työskentelevä Piili kertoo.
Metalliosien ja -rakenteiden teollinen 3D-tulostus nopeuttaa tuotekehitystä ja valmistusta, mikä puolestaan vähentää monenlaisten tuotteiden kustannuksia. Lisäksi menetelmä mahdollistaa yhä monimutkaisempien tuotteiden valmistamisen ja tarkasti suunnitellut, toiminnalliset rakenteet, jotka voivat parantaa tuotteiden energiatehokkuutta ja vähentää materiaalihukkaa perinteisiin valmistusmenetelmiin verrattuna.
“Lisäävän valmistuksen mahdollisuudet ohjaavat tuotantoa kohti kestävyyttä. Resurssitehokkuus ja lähellä käyttäjiä tapahtuva tuotanto voivat vähentää ympäristövaikutuksia merkittävästi.”
Mitä 3D-tulostus tarkoittaa?
- 3D-tulostus tarkoittaa kolmiulotteista tulostamista. Teollisuudessa puhutaan lisäävästä valmistuksesta eli teollisesta 3D-tulostuksesta (eng. additive manufacturing, AM), joka on osa teollisuuden digitalisoitumista.
- Teollisen 3D-tulostuksen yleisimpiä materiaaleja ovat muovit ja metallit. Lisäksi tulostukseen voidaan käyttää keraami- ja monimateriaaleja.
- Esimerkiksi auto-, lento- ja lääketeollisuus hyödyntävät teollista 3D-tulostusta, ja myös kone- ja elektroniikkateollisuuden sovellukset ovat kasvussa. Sovellukset laajenevat tulevaisuudessa myös muille teollisuuden aloille.
- Teollisen 3D-tulostuksen saatavuus, patenttien voimassaolo ja tietotekniikan kehittymättömyys ovat aiemmin hidastaneet teknologian yleistymistä, mutta viimeisen kymmenen vuoden aikana ala on kasvanut merkittävästi.
- Alan tulevaisuudennäkymissä korostetaan teollisen tulostuksen laadullisiin haasteisiin vastaamista ja kokonaisvaltaista ratkaisua, joka integroi automatisoidut suunnittelutyökalut simulointiavusteiseen optimointiin sekä tulostusprosessin reaaliaikaiseen seurantaan tekoälyalgoritmien avulla.
Tilaa Curious People -uutiskirje
Tutkimuksessa löytyi uusi ratkaisu metallien teollisen 3D-tulostuksen ongelmiin
Metallien teollinen 3D-tulostus on vallankumouksellinen teknologia, mutta sillä on myös rajoitteensa, kuten millä tahansa muullakin valmistustekniikalla. Metallien teollisiin 3D-tulosteisiin tarvitaan esimerkiksi tukirakenteita, jos tuotteessa on alle 45 asteen rakennuskulmia. Tukirakenteet varmistavat, että tulosteen jokainen uusi kerros kiinnittyy alla olevaan kerrokseen oikein. Tukirakenteista aiheutuu kuitenkin myös ongelmia.
“Tuet lisäävät tulostettavan osan ja valmistusprosessin monimutkaisuutta. Tukien lisääminen vaatii myös ylimääräistä suunnittelua, mikä lisää työmäärää ja venyttää aikataulua. Lisäksi tuet on lopuksi poistettava, jotta tuote saadaan halutunlaiseksi. Kaikki nämä lisäävät kustannuksia”, Heidi Piili kuvailee.
Piili on tutkinut, miten tuotesuunnittelun nykyiset rajoitukset voitaisiin ratkaista. Hän ehdottaa väitöskirjassaan uutta tapaa yhdistää automaattiset, modernit tuotesuunnittelutyökalut simulointiin sekä tulostusprosessin reaaliaikaiseen seurantaan.
“Ratkaisulla voidaan luoda tukirakenteettomia rakenteita, koska lämmöstä johtuvat vääntymät minimoidaan ja laatu taataan jopa nollan asteen rakennuskulmissa. Tekoälyalgoritmien avulla ohjelma pystyy selvittämään jo etukäteen, miten haastavat muodot voidaan valmistaa.”
Toisin kuin tällä hetkellä markkinoilla tarjolla olevissa ratkaisuissa, Piilin ratkaisumallissa tulosteen valmistusstrategia on laskettu jo etukäteen.
“Kun haastavat kohdat tunnistetaan jo ennen valmistuksen aloittamista, voidaan analysoida ongelmien laatu ja tarjota rajattu määrä ratkaisuja, jolloin oikea valinta on helpompi ja nopeampi tehdä reaaliaikaisesti.”
Esimerkkejä teollisen 3D-tulostuksen mahdollisuuksista kemianteollisuudessa
- Komponentteja vedyn tuottamiseen ja varastoimiseen
- Polttokennoja sähköntuotantoon
- Komponentteja kasvihuonekaasujen suodattamiseen
- Räätälöityjä vedensuodatusyksiköitä, joita voidaan käyttää, kun perinteisiä vedenpuhdistuslaitteita ei ole helposti saatavilla
Kemianteollisuus voisi hyödyntää metallien teollista 3D-tulostusta nykyistä laajemmin
Piilin väitöskirja keskittyy metallien teollisen 3D-tulostamisen hyödyntämiseen kemianteollisuudessa, kuten erotus- ja puhdistustekniikan sovelluksissa. Hänen mukaansa komponenttien suunnittelussa ja simuloinnissa voitaisiin käyttää aiempaa enemmän edistyksellisiä laskentatyökaluja ja -menetelmiä.
“Optimoidut komponentit parantavat merkittävästi järjestelmien tehokkuutta, hyötysuhdetta, kestävyyttä ja laatua”, Piili kertoo.
Piilin mukaan kotimainen tai kansainvälinenkään kemianteollisuus ei vielä hyödynnä teollisen 3D-tulostuksen koko potentiaalia. Perinteisten valmistusmenetelmien, kuten muovauksen ja koneistuksen, käyttö on yleistä niin kotimaisessa kuin kansainvälisessäkin kemianteollisuudessa.
“Kemianteollisuuden toimijat ovat varovaisia siirtymään uusiin valmistustekniikoihin. Yksi este on vallitseva käsitys metallien teollisen 3D-tulostuksen hitaudesta ja laitteiston korkeista hankintakustannuksista. Usein myös unohdetaan, ettei koko tuotetta välttämättä kannata tulostaa, vaan tulostettavaksi voi sopia vain kriittisin komponentti, joka voidaan liittää kokonaisuuteen esimerkiksi hitsaamalla.”
Lisätietoja:
Heidi Piili
väitöskirjan tekijä (LUT-yliopisto)
konetekniikan dosentti (Turun yliopisto)
heidi.piili@utu.fi
358 50 473 4723
Tekniikan tohtori Heidi Piilin väitöskirja "A conceptual, holistic framework to overcome limitations and constraints of design in laser based powder bed fusion of metals: Case novel separation and purification units" tarkastetaan 14.12.2023 klo 12 LUT-yliopiston auditoriossa AUD3B Lahdessa ja etänä.
