Metallien 3D-tulostus nousussa – LUTin osaaminen vauhdittaa valmistavaa teollisuutta Suomessa

Lisäävän valmistuksen eli 3D-tulostuksen tekniikat ovat monilla alueilla maailmassa jo läpi lyöneitä teollisia standardeja. Suomen tilanne ei vastaa maailman kärkeä, mutta ala elää vahvaa nousua myös meillä. LUT on erikoistunut metallien 3D-tulostukseen jauhepetisulatuksella.


Metallien 3D-tulostuksen parissa 11 vuotta työskennellyt LUTin tutkija, dosentti Heidi Piili näkee muutamien kotimaisten menestystarinoiden herättäneen laajan kiinnostuksen.

"Esimerkit maailmalta tulivat aiemmin pitkälti lentokone- tai avaruusteollisuudesta, eivätkä samalla tavalla herättäneet ajattelemaan mahdollisuuksia perinteisemmässä valmistavassa teollisuudessa. Aivan viime vuosina muutamien suomalaisyritysten kokemasta hyödystä on saatu joitakin julkisia esimerkkejä, ja uteliaisuus laajenee", sanoo Piili.

Piili jatkaa, että kun yritys lähtee tutkimaan lisäävän valmistuksen mahdollisuuksia, syntyy usein lumipalloefekti. "Tiedän yrityksiä, joissa on aluksi lähdetty etsimään ratkaisua yhden osan valmistamiseen, mutta pian huomataan laajempi potentiaali. Yksittäisen osan alihankinta voi vaihtua jopa oman laitteiston hankinnaksi ja sarjatuotannoksi."

Piili työskentelee professori Antti Salmisen johtamassa lasertyöstön tutkimusryhmässä, jossa on tehty alan tutkimusta jo yli vuosikymmenen ajan. Ryhmässä on seurattu tiiviisti laitekannan kehitystä Suomessa. Kun alan johtavan laitevalmistajan, Electro Optical Systemsin (EOS) Suomen tutkimuskeskus jätetään huomioimatta, on metallien 3D-tulostimia Piilin mukaan Suomessa tällä hetkellä vajaa 20.

"Määrä voi kuulostaa edelleen pieneltä, mutta kun huomioidaan, että vuoden 2019 alussa näitä arvokkaita laitteita oli noin kymmenen, saa käsityksen kasvuvauhdista."

LUTilla on Suomen yliopistoista laajin tulostin- ja ohjelmistokanta

LUTilla on kaksi jauhepetisulatukseen perustuvaa metallien 3D-tulostinta, joista uudempi otettiin käyttöön syksyllä 2019. Vanhempi LUTin laitteista on valjastettu etupäässä tutkimuskäyttöön, toisella tehdään yritysten kaipaamaa, vaativaa tuotekehitystä.

Millainen tarve ajaa yrityksiä lisäävän valmistuksen pariin, ja kuinka LUT tukee yrityskenttää?

"Tyypillinen haaste yrityksillä liittyy monimutkaista geometriaa sisältävään osaan, joka on hankala koneistaa. Metallien 3D-tulostuksella pystytään valmistamaan esimerkiksi monimutkaisia, tuotteen sisään integroituja virtauskanavia, joiden valmistaminen muutoin on lähes mahdotonta. Osat ovat tulostettuina usein myös kevyempiä kuin muilla menetelmillä valmistetut", taustoittaa Piili.

Pelkkä laite ei tietenkään yhtään haastetta ratkaise. Laaja-alaisen osaamisen, laitekannan sekä modernien suunnittelu- ja optimointiohjelmistojen hyödyntämisen yhdistelmä sen sijaan voi olla yrityksille ratkaisevan tärkeä apu.

"Hankimme hiljattain uuden metallien 3D-tulostukseen suunnittelu-, optimointi- ja simulointiohjelmiston. Pystymme mallintamaan esimerkiksi käytön aikaisia kuormia, huomioimaan kiinnitysvoimia ja auttamaan vaihtoehtoisten materiaalien valinnassa sekä simuloimaan 3D-tulostusprosessin."

Piili jatkaa, että tuotekehitysyhteistyössä LUT tuottaa tyypillisesti yhden tai kaksi versiota uudesta tuotteesta asiakkaan testattavaksi. "Varsinainen tuotanto on sitten kaupallisten toimijoiden heiniä."

Tutkimusfokuksessa uudet tulostettavat metallimateriaalit

Jauhepetisulatuksen tekniikka on suomalainen keksintö 80-90-lukujen vaihteesta, mutta sovelluskohteiden osalta tekniikan kanssa ollaan vielä alussa. Kyseisellä menetelmällä metallien tulostamiseen vaikuttaa noin 130 parametriä, ja näiden yhteensovittaminen on vaativa tutkimuksellinen haaste.

"Tutkimme LUTissa muun muassa kullan erottamista 3D-tulostetuilla elektrodeilla yhteistyössä apulaisprofessori Eveliina Revon kanssa Re-GoldAM-hankkeessa, joka sai rahoituksen Suomen Akatemialta viime kesänä. Esimerkiksi tässä tutkimuksessa kävi jo alkuvaiheessa selväksi, että tarvitaan uusi materiaali, jota ei aiemmin ole 3D-tulostettu", kertoo Piili ajankohtaisesta esimerkistä.

Kullan erotusprosessi on esimerkki haasteellisesta ja kalliista prosessista, jossa vapaa muotokieli tarjoaa selkeän edun. Uusi, erotukseen käytettävä 3D-tulostettava materiaali edellyttää tulostusarvojen määrittämistä, mikä kestää nopeimmillaankin kuukausia. Mahdollisuus tehostaa vaativaa prosessia on kuitenkin kannustava lähtökohta.

"Erotustekniikan sovelluksissa tarvittavien materiaalien valmistaminen 3D-tulostuksella on äärimmäisen kiinnostava sovelluskenttä. Edistämme samalla kiertotalouden toteutumista, sillä tutkimustuloksia sovelletaan arvoaineiden talteenottoon elektroniikkajätteestä sekä teollisuuden sivuvirtojen hyödyntämisessä."

Monitieteinen yhteistyö leimallista LUTin 3D-tulostustutkimukselle

LUTissa on vuosien 2009–2019 aikana julkaistu lähes 70 kansainvälistä artikkelia metallien 3D-tulostuksesta. Määrä on Euroopan mittakaavassa merkittävä, ja suurin suomalaisyliopistoista. Tyypillistä LUTin tutkimukselle on eri tieteenalojen yhteistyö.

Strategisen tutkimuksen neuvoston (STN) rahoittama Manufacturing 4.0 (MFG4.0) on esimerkki tästä. 3D-tulostusta ja teollista automaatiota sekä niiden mukanaan tuomaa valmistavan teollisuuden murrosta tutkitaan professori Kari Ullakon materiaalifysiikan, professori Mikael Collanin kauppatieteen, sekä professori Heikki Handroosin robotiikan tutkimusryhmien yhteistyönä, ja kukin ryhmä tarkastelee 3D-tulostusta eri suunnista.

Teollisuuden 3D-tulostus (Me3DI) -projekti puolestaan yhdistää teräsrakenteiden ja 3D-tulostuksen tutkimusta EAKR-rahoitteisessa hankkeessa.

"Teemme teräsrakenteiden tutkimusryhmän kanssa yhteistyötä tulostettujen rakenteiden lujuuden ja väsymiskestävyyden tutkimuksessa. Meillä on professori Timo Björkin ryhmän kanssa käynnissä muun muassa yhteinen väitöstutkimus, joka käsittelee tulosteiden väsymislujuutta teoreettisesti, laskennallisesti ja kokeellisesti", kertoo Antti Salminen.

Koulutuspolku yksittäisistä kursseista väitöstutkimuksiin saakka

Paitsi tutkimustietoa ja tuotekehitystä, LUT tarjoaa kattavasti myös lisäävään valmistukseen liittyvää koulutusta. Konetekniikan DI-tutkinnossa on mahdollisuus syventyä lisäävään valmistukseen, kurssien ja opintopisteiden määrässä mitattuna kattavimmin suomalaisyliopistoista. Tätä opetusta on tarjottu jo vuodesta 2013 lähtien.

Piili on ilahtunut DI-tutkinnossa lisäävään valmistukseen perehtyneiden kysynnästä työmarkkinoilla. "Alan osaajille on kotimaisissa yrityksissä sekä teollisuudessa kova tarve. Valmistuneiden joukossa on myös yrittäjäksi ryhtyneitä, esimerkiksi opintojensa loppuvaiheessa Delva-yrityksen perustanut Markku Lindqvist. On ollut myös hieno huomata kandivaiheessa olevien opiskelijoiden kiinnostus lisäävää valmistusta kohtaan. 3D-tulostuksen liittyviä kandintöitä tehdään paljon."

Metallien 3D-tulostuksesta on käynnissä myös useita väitöstutkimuksia. LUT tarjoaa ainoana suomalaisyliopistona 10 opintopisteen jatko-opiskelukurssin lisäävästä valmistuksesta.  Ensimmäisiä tohtorintutkintoja valmistunee vuonna 2021, ja osa jatko-opiskelijoista yhdistää väitöskirjan tekoa teollisuuden työtehtäviin.

Koulutusta tarjotaan myös yrityskentälle. Lisäävän valmistuksen täydennyskoulutusta on toteutettu LUTissa eri muodoissa vuodesta 2014 lähtien.

"Vuoden 2019 aikana tarjosimme Teollisuuden 3D-tulostus -hankkeessa maksutonta koulutusta, EAKR-rahoituksen avulla. Kaikkiaan tähän koulutukseen osallistui yli 120 alasta kiinnostunutta ammattilaista, 52:sta eri yrityksestä."

Yliopistolla joulukuussa 2019 järjestetty metallien 3D-tulostuksen ajankohtaisseminaarin suosio yllätti järjestäjät, kun päivän mittaiseen seminaariin tuli yli 130 osallistujaa.

"Nämä luvut ovat Suomen mittakaavassa merkittäviä, ja kertovat siitä, että mahdollisuuksia pohditaan laajasti hyvin monenlaisissa yrityksissä", näkee Piili.

Lisätietoja:

Heidi Piili, dosentti, 040-5510710, heidi.piili@lut.fi
Antti Salminen, professori, 040-7674387, antti.salminen@lut.fi 

Lue seuraavaksi: 

Katso video: 

3D-tulostusta voi opiskellla LUTissa englanninkielisessä Advanced Structural Design and Robotised Welding - maisteriohjelmasta