Ainetta lisäävän valmistuksen mahdollisuudet tuotannollisissa yrityksissä

Heidi Kaartinen
Tero Köyhäjoki

Ainetta lisäävä valmistus (Additive Manufacturing) tunnetaan yleisemmin nimityksellä 3D-tulostus. Kolmiulotteisia tuotteita perinteisellä tavalla valmistettaessa materiaalia on työstetty vähentämällä sitä erilaisin työstökonein. Nykyteknologia mahdollistaa kuitenkin monenlaisten materiaalien, jopa metallin tulostuksen, jossa esine muodostetaan lisäämällä siihen kerros kerrokselta materiaalia. Centrian hanketoiminnassa tehdään innovatiivisia kokeiluja 3D-tulostimen avulla. Making Regional Manufacturing Globally Competitive and Innovative – TARGET -hankkeen puitteissa tulostimia vertailevaa tulostusyhteistyötä on tehty ruotsalaisten ja norjalaisten tutkijakollegoiden kanssa.

3D-tulostusteknologia on kehittynyt viime vuosina huimaa vauhtia. Aluksi sen käyttö on keskittynyt tuotekehitysvaiheen visualisointeihin ja prototyyppeihin (rapid prototyping). Sittemmin tulostimet ja materiaalit ovat mahdollistaneet myös lopputuotteiden valmistamisen erityisesti varaosissa. (Amazing AM, 2017) Tulostin käyttää toimintaansa tietokoneella tuotettua suljettua kolmioverkkomallia, jonka yleisin tiedostomuoto on stereolitography (.stl).

Koska 3D-tulostus uusimmilla teknologioilla on jo kompleksisempaa ja tulosteiden ominaisuuksien vaatimukset lisääntyvät, stereolitography-tiedostomuoto on käymässä vanhaksi ja sen rinnalle ollaan kehitetty uusia tiedostomuotoja, kuten avoimen standardin Additive Manufacturing File (.amf). Uusia tiedostomuotoja käyttämällä värillisten tai tulosteiden joissa on useampaa eri materiaalia, tulostus mahdollistuu. Uudet tiedostomuodot eivät kuitenkaan ole vielä laajasti käytössä, vaan ne yleistynevät vasta tulevaisuudessa. (U.S. Department of Health and Human Services  —  National Institutes of Health, 2017)

Moottoriveneen tuotantomallista pienoismalliksi

TARGET-hankkeessa on työstetty suomalaisen moottoriveneen 3D-mallia tulostettavaksi pienoismalliksi kansainvälisenä yhteistyönä. Tarkoituksena oli testata mallin skaalautuvuus ja tulostusmetodin aiheuttamat rajoitukset mallille: kuinka saada mallista riittävän kestävä, jos esim. vene skaalataan 1:20, jolloin veneen 3 mm rungon seinämävahvuus ohenee 0,15 millimetriin. Tulostusta rajoittaa myös tulostimen koko: suuressa osassa tulostimia tulostusalusta rajoittaa esineen kooksi enimmillään 30 x 30 cm korkeuden jäädessä usein alle 30 senttimetrin.

Hankkeen puitteissa haluttiin lisäksi tarkastella, kuinka tulostusta voidaan tehdä osissa, ja kasata valmis malli näistä palasista. Lisäksi näkökulmana työskentelyssä oli se, saisiko pienoismallista riittävän realistisen tuotesuunnittelun ja myynnin tukena käytettäväksi. Hankkeessa suomalaisen Finn-Marin -veneenvalmistajan venemalleja on muokattu CAD-mallista virtuaaliseksi 3D-malliksi hyödynnettäväksi Cave automatic virtual environment, CAVE-ympäristössä ja virtuaalilaseissa, sekä 3D-tulostettavaksi stereolitography-malliksi.

Ruotsissa Luulajan Teknillisessä yliopistossa Johan Wenngren teki mallista ensimmäiset kokeilut SLA- ja kipsitulostimilla. SLA-tulostus tehtiin kolmessa osassa, jotka liimattiin yhteen. Kipsimalli tulostettiin yhtenä kappaleena. Kummatkin tulosteet on käsitelty ja maalattu. Kokeiluja tehtiin myös Centriassa, jossa Tero Köyhäjoki tulosti venettä Minifactory Innovator FDM-tulostimella. Mallin haasteellisuudesta johtuen se tulostettiin kahdessa osassa ja osat liimattiin yhteen. Tulostus onnistui, mutta pieniä virheitä ja ongelmia tulostuksen kanssa esiintyi mallin tukirakenteista ja todella pienistä yksityiskohdista johtuen.  3D-malli lähetettiin myös Norjan Arktiseen yliopistoon Narvikiin Erlend Bjørkille, joka tulosti mallin noin 15 osassa, kasasi ne malliksi ja viimeisteli mallin maalauttamalla sen.

Norjalaiset insinöörit Beibei Shu (vasemmalla) ja Erlend Bjørk (oikealla) keskustelemassa Centrian Sakari Pieskän, Tero Köyhäjoen ja Jouni Vähäsöyringin kanssa veneen 3D-tulosteesta. Kuva: Heidi Kaartinen.

Erlendin tulostamaa mallia päästiin tarkastelemaan Centriassa lokakuun lopulla, kun norjalaiset insinöörit saapuivat hankesuunnitelman mukaiseen asiantuntijavaihtoon Ylivieskaan. Prosessista keskusteltaessa tuli esille, että veneen rungon seinämävahvuus tuotti haasteen skaalauksessa. Ennakko-oletuksen mukaisesti pelti on niin ohut materiaali, että skaalatessa se katoaa lähes olemattomiin ja tulostin ei kykene sitä enää toistamaan. Näin ollen materiaalin vahvuutta jouduttiin säätämään pienoismallissa. Veneen 3D-tulosteen viimeistelty ulkonäkö sen sijaan on hyvinkin realistinen. Tulosteen tuottamiseen loppuviimeisteltynä kului kuitenkin niin paljon työtunteja, että osana tuotekehitysprosessia se tuskin olisi kustannustehokasta.

Veneen 3D-malli. Kuva: Erlend Bjørk.

Veneen 3D-tuloste. Kuva: Heidi Kaartinen.

Tulostuksen tulevaisuus

Centriassa tehdään TARGET-hankkeen aikana vertailun vuoksi vielä yksi kokeilu uudella Projet 5500 X -tulostimella, joka mahdollistaa muun muassa pehmeästä materiaalista tulostamisen tai sellaisen kokoonpanon tulostamisen, jossa eri osilla voi olla eri ominaisuuksia kovasta pehmeään (shorelujuus).

Nopeasti kehittyvä 3D-tulostusteknologia avaa ovia monenlaisille visioille. 3D-tulostukselle povataan hurjimmissa tulevaisuuden visioissa jopa mahdollisuutta tulostaa ihmisen soluja, joka mahdollistaisi varaelinten valmistamisen elinsiirtoihin. Tämä tulevaisuus lienee kuitenkin vielä kaukana ja pitkän tutkimuskaaren takana. Siihen saakka tutkitaan ja hyödynnetään alati edistyviä laitteita valmistavan teollisuuden tarpeisiin.

Making Regional Manufacturing Globally Competitive and Innovative – TARGET

TARGET-hanke keskittyy kehittämään pienten ja keskisuurten yritysten kilpailuetuja pohjoisen periferian alueella. Hankkeen tavoitteena on kehittää työkalupakki, jota käyttämällä yritykset pääsevät omaksumaan uusia innovaatio- ja digitalisaatiotyökaluja liiketoimintansa tueksi. Centria osallistuu työkalupakin kehittämiseen erityisesti digitalisaatiotyökalujen osalta kehittämällä 3D-skannauksen ja -tulostuksen, virtuaaliympäristöjen ja RFID-teknologioiden käyttöä yritysten toiminnan tukena. Mukana Euroopan Northern Periphery and Arctic Programme -ohjelmasta rahoitetussa hankkeessa on toimijoita Luulajan Teknillisestä yliopistosta, Narvikista Norjan Arktisesta yliopistosta sekä Pohjois-Irlannista South West Collegesta. Lisäksi Irlannissa yrityskumppaneiden kanssa yhteistyötä tekevät Local Enterprise Officet Cavanissa ja Sligossa sekä Cavan Innovation and Technology Center.

Lähteet

Amazing AM, 2017. What is Additive Manufacturing? Saatavissa: http://additivemanufacturing.com/basics/ Viitattu 19.11.2017.

U.S. Department of Health and Human Services  —  National Institutes of Health, 2017. What file formats are used in 3D Printing? Saatavissa: https://3dprint.nih.gov/faqs/1781 Viitattu 19.11.2017.

Heidi Kaartinen
Projektisuunnittelija
Centria tutkimus ja kehitys
heidi.kaartinen@centria.fi

Tero Köyhäjoki
Projekti-insinööri
Centria tutkimus ja kehitys
tero.koyhajoki@centria.fi

Facebooktwittergoogle_pluslinkedinmail