Sign In
Uutta tietoa huipputeknologiasta ja sen hyödyntämisestä, tietoa tulevaisuuden ratkaisuista ja palveluista päätöksenteon tueksi ja liiketoiminnan kehittämiseen. Kohdistettu VTT:n kumppaneille, asiakkaille sekä huipputeknologiasta ja sen sovelluksista kiinnostuneille.
Julkaisu tieteestä, teknologiasta ja liiketoiminnasta

3D-tulostus

​​​​Tutkimustiimin päällikkö Pasi Puukko VTT:n 3D-metallitulostimen ääressä Espoossa.

Teollinen 3D-tulostus nousukiidossa

Sirpa Posti | 8.12.2016

3D-tulostuksen suosio kasvaa maailmalla vauhdikkaasti, ja alan liiketoiminnan arvo nousee vuosittain yli 30 prosenttia. Suomi kirii jatkuvasti muun maailman etumatkaa umpeen, ja uusia, kaupallisia tulostimia tulee lähiaikoina markkinoille, lupaa VTT:n päällikkö Pasi Puukko.

​​3D-tulostus eli materiaalia lisäävä valmistus eli AM-teknologia (Additive manufacturing) kasvaa vauhdikkaasti maailmalla erityisesti teollisilla toimialoilla. Alaa tilastoivan Wohlersin mukaan alan liiketoiminnan arvo on noussut viime vuosina yli 30 prosenttia vuodessa. Viime vuonna liiketoiminnan arvo oli reilut viisi miljardia dollaria.

– Kehitys sai alkunsa runsaasti tutkimukseen panostavista auto-, ilmailu- ja lääketeollisuudesta. Vaikka Suomessa emme ole olleet mukana alkumetreillä, olemme kirineet jatkuvasti. Teollisuus on nyt erittäin kiinnostunut, ja uusia kaupallisia tulostimia on tulossa, kertoo VTT:n Kehittyneet valmistusteknologiat -tutkimustiimin päällikkö Pasi Puukko. Tiimi on erikoistunut muun muassa teollisuuden käyttämien metallien haastavaan 3D-tulostuksen kehitykseen, suunnitteluun, prosessiin ja liiketoimintaan. 

3D-tulostusmateriaalit voidaan jakaa erilaisiin metalliseoksiin, polymeereihin ja keraameihin sekä muuihin materiaaleihin, kuten ruokaan tai betoniin. Ammattimaisen ja niin kutsutun kotitulostamisen erot ovat suuret. Muovia tulostavat kotitulostimet eroavat hinnan ja laadun perusteella. Teollisuuden laite- ja materiaalivalikoima on laajempi ja kalliimpi. 

– Eurooppa on vahva metallien 3D-tulostuksessa. Edelläkävijämaita ovat Saksa, Italia ja Iso-Britannia. Vahvaa nousevaa osaamista löytyy myös muun muassa Kiinasta, Singaporesta ja Australiasta. USA:ssa on vahvaa polymeerien tulostamiseen liittyvää osaamista, ja myös metallien tulostamiseen on panostettu kansallisesti.

Tulostuksesta kohti valmistusta: Prototyyppi, työkalut ja lopputuotteet

Puukko painottaa, että monilla toimialoilla 3D-kehitys etenee usein kolmiportaisesti. Aluksi tulostetaan kolmiulotteisia prototyyp-pejä ja visuaalisia malleja esimerkiksi muovista. Tämä vaihe on jo laajasti teollisuuden käytössä, toisin kuin seuraavat. Toisessa kehitysvaiheessa tulostetaan työkaluja ja tuotannon apuvälineitä yrityksen omiin tarpeisiin. Esimerkiksi VTT on valmistanut yhteistyössä ABB:n kanssa 3D-tulostettuja työkaluosia, joita käytetään ruiskuvalutyökalussa, kun valmistetaan taajuusmuuttajien tiivisteosia. Kolmannessa vaiheessa 3D-tulostetaan suoraan lopputuotteita, jotka voivat olla täysin uusia tuotteita, joita ei ole aikaisemmin voinut tehdä tai kuvitella.

Manufacturing for Design

3D-valmistusprosessi kestää vielä melko pitkään, laitteet ovat kalliita ja siten yksittäisen kappaleen hintakin on korkea. Myös tulostettavan kappaleen koko asettaa rajoituksia.

– 3D mahdollistaa lähes minkä tahansa muodon tuottamisen ilman perinteisten valmistustapojen asettamia rajoituksia, joten visualisoinnilla ja muotoilulla on tuotekehityksessä aivan uusia mahdollisuuksia. Ainetta lisäävä 3D-menetelmä säästää materiaalia huomattavasti verrattuna perinteisiin menetelmiin, jotka saattavat poistaa metallista jopa 80 prosenttia. Energia- ja ympäristösäästöä saadaan myös kevyemmistä ja kestävämmistä komponenteista, jotka vähentävät esimerkiksi lentokoneiden polttoainekulutusta ja elinkaarikustannuksia. Suorituskyky paranee, kokoonpano virtaviivaistuu ja nopeutuu sekä paikallinen valmistus mahdollistuu. Erilaisten tulostettujen mallien vertailu helpottuu ja prototyyppejä päästään testaamaan nopeammin. Kun ongelmat karsitaan jo alun protovaiheessa, myös koko tuotekehitysketju virtaviivaistuu.

– 3D-tulostettua protomallia voi hyödyntää edullisesti ennakkomyynnissä ja markkinoinnissa. Raskaat työvaiheet ja kalliit investoinnit tehdään, kun myynti on lähtenyt käyntiin. Teknologia mahdollistaa pienten yksilöllisten sarjojen tuottamisen.

Tuotantokeskeisyydestä siirrytään suunnittelukeskeiseen toimintamalliin sekä tuotannon kokonaisuuden hallintaan. Erilaisia uusien tuotantoteknologioiden osaajia tarvitaan jatkossa yhä enemmän. Tuotesuunnittelussa digitaalinen 3D-design on otettava mukaan jo alkumetreillä.

VTT:n visiona tuotteet biteiksi

– Metallien tulostus on suurin kokonaisuutemme, lisäksi 3D-tulostettu ruoka on mielenkiintoinen, uusi avaus. Eniten käytetty 3D-tulostin on parin vuoden ikäinen metallitulostin, jonka lisäksi käytössä on muita tulostimia, Puukko toteaa.

VTT:n visiona on viedä koko tuotteen elinkaarisuunnittelu materiaaleineen digitaaliseen suuntaan. Jatkossa ei tarvita fyysisiä prototyyppejä, vaan tuotteet simuloidaan ja mallinnetaan tietokoneella.

Parhaillaan on käynnissä VTT:n, Aalto-yliopiston ja 14 kotimaisen yrityksen yhteinen Digitaaliset varaosat -hanke. Siinä tulevaisuuden varaosat 3D-etätulostetaan tarpeen mukaan vastaanottajan varastossa, jolloin osat ovat nopeasti halutussa paikassa ja varastoihin sidottu arvokas pääoma vapautetaan muuhun. Samalla selvitetään uusia kaupallisia toiminta- ja ansaintamalleja. Kustannustehokkuus lisääntyy, kun esimerkiksi isojen koneiden varaosat saadaan nopeasti käyttöön.

Suomen on oltava mukana kehityksessä, sillä maailma etenee 3D-teknologian hyödyntämisessä vauhdilla. Tulostusnopeuden kasvaminen pienentää kustannuksia ja avaa uusia mahdollisuuksia sellaisille teollisuuden aloille, joilla 3D-tulostuksen hyödyntäminen ei ole ollut aiemmin mielekästä. 

ABB ratkaisi valmistustyökalun jäähdytysongelman

Johtava asiantuntija Vesa Palojoki on suunnitellut mekaniikkaa ja tuotteita ABB:llä 20 vuotta, ja tehtäviin kuuluu myös 3D-mallien ja -prototyyppien suunnittelu.

Lähdimme kokeilemaan yhdessä VTT:n kanssa FIMECC-kärkiohjelman julkisessa Manu-hankkeessa, että saisimmeko suunniteltua ja valmistettua 3D:llä metalliseen työkalumuotiin uusia jäähdytysominaisuuksia. Aalto-yliopiston Matti Mielonen teki samalla aiheesta diplomityönsä ABB:lle. Jäähdytyksen ratkaiseminen mahdollistaisi valmistuksen merkittävän parannuksen ja tuotannon hyppäyksen.

ABB:n taajuusmuuttajan kaapeliosien läpivientiin tarvitaan kartiomainen, ruiskuvalettu kumimainen läpivientitiiviste, jonka läpimitta on 40 millimetriä. Kyseinen osa on hyvin kriittinen. Se on haasteellinen valmistaa lämpömuovautuvan materiaalin pehmeyden takia, koska sen tekemiseen käytettyä ruiskuvalutyökalua ei saatu jäähdytettyä riittävästi. Alun perin työkalu oli valmistettu perinteisin työstömenetelmin eli metallia poistavilla menetelmillä, jotka rajoittivat muotojen oikeanlaisen tuottamisen. Tämä vaikutti tuotannon laatuun ja nopeuteen.

ABB.jpg

Tuotannon teho kolminkertaiseksi

Työkalun sisällä on monimutkainen kanavaosa, joka saatiin mallinnettua. VTT:n kanssa haettiin erilaisia kanavamuotoja 3D-tulostamalla, ja tutkittiin vaikutuksia. 3D mahdollisti työkalun jäähdytyskanaviston valmistamisen yhtenäisenä rakenteena. Tämä paransi selkeästi jäähdytysominaisuuksia, sillä jäähdytyskanavisto saatiin kulkemaan työkalumuotin sisällä tuotepintaa myötäilevästi.

Jäähdytysaika lyheni huomattavasti, jonka lisäksi puhdistus helpottui.

Perinteisellä menetelmällä tiivisteosia valmistui neljä kappaletta minuutissa. Uudella menetelmällä sama määrä syntyy 15–20 sekunnissa. Parannus on huomattava.

Ratkaisimme tuotteen monimutkaisen valmistuksen ja haastavan työkalun jäähdytyksen, jossa perinteiset menetelmät eivät tarjoa yhtä hyviä mahdollisuuksia.

Meillä on nyt VTT:n ja diplomityön pohjalta hyvää tietoa seuraavaa sovelluskohdetta varten, ja tiedämme myös, mitä voimme vaatia. Pyrkimyksenämme oli samalla itse oppia tuntemaan teollinen 3d, koska olemme lopputuotteen suunnittelijoita. Tietyt suunnittelun ja tekniikan lainalaisuudet on hyvä tuntea, jotta tuoteosat saadaan toimimaan. Tiedämme nyt paremmin, mitä tilaamme ja vaadimme alihankkijoilta ja suunnittelijoilta. Liiketaloudellinen puoli kuten hinta ja valmistusaika ovat myös oleellisia.

Tämä ei jää akateemiseksi harjoitukseksi vaan se on tuotantokäyttöön tehty investointi.

Hankkeeseen osallistuivat lisäksi CM Tools Oy, SLM Solutions GmbH ja Vossi Group Oy.

ABB on ruotsalais-sveitsiläinen johtava sähkövoima- ja automaatioteknologiayhtymä, jonka palveluksessa työskentelee noin 100 maassa noin 135 000 henkilöä, joista Suomessa noin 5 100. Suomessa ABB toimii noin 20 paikkakunnalla. Liikevaihto on noin 2,2 miljardia euroa, ja vuonna 2015 tutkimukseen ja tuotekehitykseen investoitiin 138 miljoonaa euroa.


Vanhoja tapoja pitää osata kyseenalaistaa

VTT:n professori Veli Kujanpää toimii tulevaisuuteen tähtäävän Lisäävä valmistus -hankkeen vetäjänä FIMECCin Manu-ohjelmassa. Hän osallistui myös ABB:n hankkeeseen VTT:ltä. Ohjelmassa edistetään muun muassa teollisuuden 3D-tulostuksen hyödyntämistä yhteistyössä Aalto-yliopiston sekä Tampereen ja Lappeenrannan teknillisten yliopistojen kanssa.

– VTT vastasi ABB-projektin 3D-tulostuksista ja parametreistä sekä osallistui suunnitteluun ja designiin. Diplomityössä suunniteltiin kanavisto ja testaus, jotka ABB toteutti. Monista osista koostunut aikaisempi työkaluversio oli alun perin työläs toteuttaa koemuottiratkaisuna. H13-työkaluteräs osoittautui 3D-tulostuksessa haastavaksi, koska se on hyvin lujaa, sen sulatus on herkkä prosessi ja parametrien hallinta tarkkaa. Nämä haasteet ratkaistiin yhdessä. Tuloksena oli kova, kulutusta ja lämpöä kestävä työkalu, joka mahdollistaa pitkät sarjat ja massatuotannon.

Kujanpään mukaan vanhoja tapoja pitää nyt kyseenalaistaa.

Metallien tulostus jauhepetimenetelmällä: yhden kerroksen tulostus, jossa laser sulattaa jauhepartikkelin kiinteäksi metalliksi.

https://www.youtube.com/watch?v=Vt8X36iqwuk​​

Ruoan 3D-tulostus: 

https://www.youtube.com/watch?v=7b9GeNQllNQ&feature=youtu.be​

Kuvat: Sirpa Posti, Pasi Puukko, Asta Nurmela, Katariina Torvinen ja ABB

Video: VTT


 

 

 

Impulssihttp://www.vtt.fi/ImpulssiImpulssi
Impulssi 2/2016http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-2-2016.aspxImpulssi 2/2016
Tuotteita jätteestä – muovipitoinen orgaaninen jäte otetaan käyttöönhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tuotteita-jätteestä.aspxTuotteita jätteestä – muovipitoinen orgaaninen jäte otetaan käyttöön
Optinen isotooppispektroskopia: Yhä tarkempia tietoja tutkimuskohteestahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Optinen-isotooppispektroskopia-kehittynyt-merkittavasti.aspxOptinen isotooppispektroskopia: Yhä tarkempia tietoja tutkimuskohteesta
Uusia ratkaisuja kaupunkitulvien ehkäisyynhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Uusia-ratkaisuja-kaupunkitulvien-ehkaisyyn.aspxUusia ratkaisuja kaupunkitulvien ehkäisyyn
Elinkeinoministeri Olli Rehn: uudistumisen kautta nousuunhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Elinkeinoministeri-Olli-Rehn-uudistumisen-kautta-nousuun.aspxElinkeinoministeri Olli Rehn: uudistumisen kautta nousuun
Tulevaisuuden arkkitehdit asiallahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tulevaisuuden-arkkitehdit-asialla.aspxTulevaisuuden arkkitehdit asialla
Robotiikka – monien mahdollisuuksien tekniikkaahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Robotiikka-–-monien-mahdollisuuksien-tekniikkaa.aspxRobotiikka – monien mahdollisuuksien tekniikkaa
Maailmalla ei ole parempaa innovaatiomalliahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Maailmalla-ei-ole-parempaa-innovaatiomallia.aspxMaailmalla ei ole parempaa innovaatiomallia
Älyliikenteestä suomalaisia vientivalttejahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Alyliikenteesta-suomalaisia-vientivaltteja.aspxÄlyliikenteestä suomalaisia vientivaltteja
Yhteisöllisiä asumisratkaisuja Suomesta Namibiaanhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Yhteisöllisiä-asumisratkaisuja-Suomesta-Namibiaan.aspxYhteisöllisiä asumisratkaisuja Suomesta Namibiaan
Syntymäpäivälahja meiltä itsellemmehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Syntymapaivalahja-meilta-itsellemme.aspxSyntymäpäivälahja meiltä itsellemme
Multifunktionaaliset polysakkaridit tuovat elintarviketeollisuudelle uusia mahdollisuuksiahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Multifunktionaaliset-polysakkaridit-avaavat-uusia-mahdollisuuksia.aspxMultifunktionaaliset polysakkaridit tuovat elintarviketeollisuudelle uusia mahdollisuuksia
Turbiinisiivillä miljoonien säästöihinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Turbiinisiivet-saastavat-miljoonia.aspxTurbiinisiivillä miljoonien säästöihin
VTT:n spinno GrainSense tuo laboratorion maanviljelijän kouraanhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/VTTn_spinno_GrainSense_tuo_laboratorion-maanviljelijan-kouraan.aspxVTT:n spinno GrainSense tuo laboratorion maanviljelijän kouraan
Enemmän kuin pelkkää piitähttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Enemman-kuin-pelkkaa-piita.aspxEnemmän kuin pelkkää piitä
Impulssi 1/2015http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-1-2015.aspxImpulssi 1/2015
VTT:n nuoret tutkijat tekevät tulevaisuuttahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Nuoret-tutkijat-tekevat-tulevaisuutta.aspxVTT:n nuoret tutkijat tekevät tulevaisuutta
Asuinmukavuus ja energiatehokkuus mahtuvat samaan kotiinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Asuinmukavuus-ja-energiatehokkuus-mahtuvat-samaan-kotiin.aspxAsuinmukavuus ja energiatehokkuus mahtuvat samaan kotiin
Oma osaaminen yhteiseksi hyväksihttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Oma-osaaminen-yhteiseksi-hyvaksi.aspxOma osaaminen yhteiseksi hyväksi
Impulssi 2/2014http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-2-2014.aspxImpulssi 2/2014
Tulevaisuuden sensorihttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tulevaisuuden-sensori.aspxTulevaisuuden sensori
Sopiiko elinkaariarviointi poliittisen päätöksenteon tueksi?http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Sopiiko-elinkaariarviointi-poliittisen-päätöksenteon-tueksi.aspxSopiiko elinkaariarviointi poliittisen päätöksenteon tueksi?
For Industry veturina Suomen valmistavalle teollisuudellehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/For-Industry-veturina-Suomen-valmistavalle-teollisuudelle.aspxFor Industry veturina Suomen valmistavalle teollisuudelle
Intohimo siivittää tutkimustahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/intohimo-siivittaa-tutkimusta.aspxIntohimo siivittää tutkimusta
Impulssi 1/2014http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-1-2014.aspxImpulssi 1/2014
Energiavarastojen kysyntä kasvaa vauhdillahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Energiavarastojen-kysynta-kasvaa-vauhdilla.aspxEnergiavarastojen kysyntä kasvaa vauhdilla
IPR edellä ulkomaillehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/IPR-edella-ulkomaille.aspxIPR edellä ulkomaille
Kun osaat mitata, osaat parantaahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/MIKES-tekee-vaativia-mittauksia-teollisuuden-kayttoon.aspxKun osaat mitata, osaat parantaa
Tuottoisaa käyttöä Suomen biomassoillehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tuottoisaa-kayttoa-Suomen-biomassoille.aspxTuottoisaa käyttöä Suomen biomassoille
Impulssi 2/2015http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-2-2015.aspxImpulssi 2/2015
Impulssi 1/2016http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-1-2016.aspxImpulssi 1/2016
Suomella osaaminen globaaleihin ongelmiinhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Suomella-osaaminen-globaaleihin-ongelmiin.aspxSuomella osaaminen globaaleihin ongelmiin
Maailma kuluttajien silminhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Maailma-kuluttajien-silmin.aspxMaailma kuluttajien silmin
Lämpöaistimus on monen tekijän summahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Lampoaistimus-on-monen-tekijan-summa.aspxLämpöaistimus on monen tekijän summa
Yrittäjien velvollisuus on etsiä kasvuahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Yrittajien-velvollisuus-on-etsia-kasvua.aspxYrittäjien velvollisuus on etsiä kasvua
Teollinen 3D-tulostus nousukiidossahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Teollinen-3D-tulostus-nousukiidossa.aspxTeollinen 3D-tulostus nousukiidossa
Täydellinen arktisten ratkaisujen pilottiympäristöhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Taydellinen-arktisten-ratkaisujen-pilottiymparisto.aspxTäydellinen arktisten ratkaisujen pilottiympäristö
Minima Processor Oy – Energiatehokkuuden maailmanennätys kiihdyttää IoT-kehitystähttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Minima-Processor-Oy-Energiatehokkuuden-maailmanennätys-kiihdyttää-IoT-kehitystä.aspxMinima Processor Oy – Energiatehokkuuden maailmanennätys kiihdyttää IoT-kehitystä
Digikärjellä kaivokseenhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Digikärjella-kaivokseen.aspxDigikärjellä kaivokseen
Puukuitu haastaa muovin kauppakasseissahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Puukuitu-haastaa-muovin-kauppakasseissa.aspxPuukuitu haastaa muovin kauppakasseissa
Hybridimenetelmillä uusia ratkaisuja metallien kierrätykseenhttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/hybridimenetelmilla-uusia-ratkaisuja-metallien-kierratykseen.aspxHybridimenetelmillä uusia ratkaisuja metallien kierrätykseen
Muutosjohtamisen luova voimahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Muutosjohtamisen-luova-voima.aspxMuutosjohtamisen luova voima
VTT hyödyntää Fabry-Perot interferometriteknologiaahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Fabry-Perot-interferometriteknologia.aspxVTT hyödyntää Fabry-Perot interferometriteknologiaa
Kovaakin kovempi vientituotehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kovaakin-kovempi-vientituote.aspxKovaakin kovempi vientituote
Vanha ydintutkimusreaktori poistetaan käytöstä – uusi ydinturvallisuustalo rakenteillahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/FiR-1-tutkimusreaktori-poistetaan-kaytosta.aspxVanha ydintutkimusreaktori poistetaan käytöstä – uusi ydinturvallisuustalo rakenteilla
Kaura on kysyttyä tavaraa maailmallahttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kaura-on-kysyttya-tavaraa-maailmalla.aspxKaura on kysyttyä tavaraa maailmalla
Röntgenkuvantaminen uudelle tasollehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Rontgen-kuvantaminen-uudelle-tasolle.aspxRöntgenkuvantaminen uudelle tasolle
Ketterä ja nopea Ponssehttp://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kettera-ja-nopea-Ponsse.aspxKetterä ja nopea Ponsse
Mitä kuuluu Australiaan?http://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Mita-kuuluu-Australiaan.aspxMitä kuuluu Australiaan?

OTA YHTEYTTÄ

PL 1000, 02044 VTT
Puh. vaihde 020 722 111
Avoinna arkisin klo 8.00 - 16.30

ASIAKASPALVELU

info@vtt.fi
Puh. 020 722 7070
Avoinna arkisin klo 9.00 - 11.00 ja
12.00 - 15.00