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


 

 

 

VTT Impulssihttps://www.vtt.fi/ImpulssiVTT Impulssi
Tekoäly paljastaa sydänpotilaan komplikaatioriskinhttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tekoaly-paljastaa-sydanpotilaan-komplikaatioriskin.aspxTekoäly paljastaa sydänpotilaan komplikaatioriskin
Impulssi 2/2018https://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-2-2018.aspxImpulssi 2/2018
Asiakasasenteen airuethttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Asiakasasenteen-airuet.aspxAsiakasasenteen airuet
ChemSheet-innovaatioilla tietä uusille ratkaisuillehttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Chemsheet-innovaatioilla-tietä-uusille-ratkaisuille.aspxChemSheet-innovaatioilla tietä uusille ratkaisuille
Impulssi 1/2016https://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-1-2016.aspxImpulssi 1/2016
Impulssi 2/2017https://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-2-2017.aspxImpulssi 2/2017
Mitä kuuluu Australiaan?https://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Mita-kuuluu-Australiaan.aspxMitä kuuluu Australiaan?
Kohti potilaskeskeistä, yksilöllistä terveydenhuoltoahttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kohti-potilaskeskeista-yksilollista-terveydenhuoltoa.aspxKohti potilaskeskeistä, yksilöllistä terveydenhuoltoa
Puukuitu haastaa muovin kauppakasseissahttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Puukuitu-haastaa-muovin-kauppakasseissa.aspxPuukuitu haastaa muovin kauppakasseissa
Kolmiulotteinen virtuaalitodellisuus ja lisätty todellisuus – Kohti uusia maailmojahttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kolmiulotteinen-virtuaalitodellisuus-ja-lisätty-todellisuus-Kohti-uusia-maailmoja.aspxKolmiulotteinen virtuaalitodellisuus ja lisätty todellisuus – Kohti uusia maailmoja
Impulssi 1/2015https://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-1-2015.aspxImpulssi 1/2015
Maailma kuluttajien silminhttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Maailma-kuluttajien-silmin.aspxMaailma kuluttajien silmin
Impulssi 2/2015https://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-2-2015.aspxImpulssi 2/2015
Ikäteknologia arjen apuna ja turvanahttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Ikäteknologia-arjen-apuna-ja-turvana.aspxIkäteknologia arjen apuna ja turvana
Pilottitehtaat jauhavat ideoista liiketoimintaahttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Pilottitehtaat-jauhavat-ideoista-liiketoimintaa.aspxPilottitehtaat jauhavat ideoista liiketoimintaa
Ilman hiilidioksidista raaka-aine polttoaineisiin, kemikaaleihin ja ruokaanhttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Ilman-hiilidioksidista-raaka-aine-polttoaineisiin-kemikaaleihin-ja-ruokaan.aspxIlman hiilidioksidista raaka-aine polttoaineisiin, kemikaaleihin ja ruokaan
For Industry veturina Suomen valmistavalle teollisuudellehttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/For-Industry-veturina-Suomen-valmistavalle-teollisuudelle.aspxFor Industry veturina Suomen valmistavalle teollisuudelle
Uudet synteettisen biologian teknologiat mullistavat mikrobien muokkauksenhttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Uudet-synteettisen-biologian-teknologiat-mullistavat-mikrobien-muokkauksen.aspxUudet synteettisen biologian teknologiat mullistavat mikrobien muokkauksen
Kalasatamasta älykkään energian mallialuehttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kalasatamasta-alykkaan-energian-mallialue.aspxKalasatamasta älykkään energian mallialue
5G tuo vauhtia verkkopalveluihinhttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/5G-tuo-vauhtia-verkkopalveluihin.aspx5G tuo vauhtia verkkopalveluihin
IPR edellä ulkomaillehttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/IPR-edella-ulkomaille.aspxIPR edellä ulkomaille
Kaura on kysyttyä tavaraa maailmallahttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kaura-on-kysyttya-tavaraa-maailmalla.aspxKaura on kysyttyä tavaraa maailmalla
Bisnesenkeli Sauli Törmälä: Kasvua kansainvälisiltä kentiltähttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Sauli-Tormala-Kasvua-kansainvalisilta-kentilta.aspxBisnesenkeli Sauli Törmälä: Kasvua kansainvälisiltä kentiltä
Mediatuotannossa ja asumispalveluissa valmistaudutaan 5G-verkkoonhttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Mediatuotannossa-ja-asumispalveluissa-valmistaudutaan-5G-verkkoon.aspxMediatuotannossa ja asumispalveluissa valmistaudutaan 5G-verkkoon
Impulssi 1/2018https://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-1-2018.aspxImpulssi 1/2018
Kännykällä mielenrauhaahttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kannykalla-mielenrauhaa.aspxKännykällä mielenrauhaa
Vanha ydintutkimusreaktori poistetaan käytöstä – uusi ydinturvallisuustalo rakenteillahttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/FiR-1-tutkimusreaktori-poistetaan-kaytosta.aspxVanha ydintutkimusreaktori poistetaan käytöstä – uusi ydinturvallisuustalo rakenteilla
Impulssi 2/2016https://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-2-2016.aspxImpulssi 2/2016
Kovaakin kovempi vientituotehttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kovaakin-kovempi-vientituote.aspxKovaakin kovempi vientituote
Suomalainen polttokennotekniikka pyrkii maailmallehttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Suomalainen-polttokennotekniikka-pyrkii-maailmalle.aspxSuomalainen polttokennotekniikka pyrkii maailmalle
Menetelmiä parempaan päätöksentekoonhttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Menetelmia-parempaan-paatoksentekoon.aspxMenetelmiä parempaan päätöksentekoon
Tulevaisuuden uudet selluloosatuotteet ja niiden sovelluksethttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tulevaisuuden-uudet-selluloosatuotteet-ja-niiden-sovellukset.aspxTulevaisuuden uudet selluloosatuotteet ja niiden sovellukset
Kestävästi lankaa puukuidustahttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kestavasti-lankaa-puukuidusta.aspxKestävästi lankaa puukuidusta
Tehdään totta biotaloudestahttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Tehdaan-totta-biotaloudesta.aspxTehdään totta biotaloudesta
Simon Kos, Microsoft: Tekoäly rynnii potilaan avuksihttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Simon-Kos-Microsoft-Tekoaly-rynnii-potilaan-avuksi.aspxSimon Kos, Microsoft: Tekoäly rynnii potilaan avuksi
Ketterä ja nopea Ponssehttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kettera-ja-nopea-Ponsse.aspxKetterä ja nopea Ponsse
Energiavarastojen kysyntä kasvaa vauhdillahttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Energiavarastojen-kysynta-kasvaa-vauhdilla.aspxEnergiavarastojen kysyntä kasvaa vauhdilla
Hybridimenetelmillä uusia ratkaisuja metallien kierrätykseenhttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/hybridimenetelmilla-uusia-ratkaisuja-metallien-kierratykseen.aspxHybridimenetelmillä uusia ratkaisuja metallien kierrätykseen
Koppurasormin ja suurennuslasin avulla verkkopankkiinhttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Koppurasormin-ja-suurennuslasin-avulla-verkkopankkiin.aspxKoppurasormin ja suurennuslasin avulla verkkopankkiin
Röntgenkuvantaminen uudelle tasollehttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Rontgen-kuvantaminen-uudelle-tasolle.aspxRöntgenkuvantaminen uudelle tasolle
Suomi suuntaa vähähiiliseen älyliikenteeseenhttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Suomi-suuntaa-vahahiiliseen-alyliikenteeseen.aspxSuomi suuntaa vähähiiliseen älyliikenteeseen
Infinited Fiber tuo muutoksen tekstiiliteollisuuteenhttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Infinited-Fiber-tuo-muutoksen-tekstiiliteollisuuteen.aspxInfinited Fiber tuo muutoksen tekstiiliteollisuuteen
Kvanttinormaaleita uudistuvalle SI-järjestelmällehttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Kvanttinormaaleita-uudistuvalle-SI-jarjestelmalle.aspxKvanttinormaaleita uudistuvalle SI-järjestelmälle
Puolustusvoimat hakee etumatkaahttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Puolustusvoimat-hakee-etumatkaa.aspxPuolustusvoimat hakee etumatkaa
Robotiikka – monien mahdollisuuksien tekniikkaahttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Robotiikka-–-monien-mahdollisuuksien-tekniikkaa.aspxRobotiikka – monien mahdollisuuksien tekniikkaa
Laitteet kämmenen kokoisiksihttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Laitteet-kammenen-kokoisiksi.aspxLaitteet kämmenen kokoisiksi
S-ryhmä uskoo monikanavamalliinhttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/S-ryhma-uskoo-monikanavamalliin.aspxS-ryhmä uskoo monikanavamalliin
Hulevedet puhtaiksi Leca-sorallahttps://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Hulevedet-puhtaiksi-Leca-soralla.aspxHulevedet puhtaiksi Leca-soralla
Impulssi 1/2017https://www.vtt.fi/Impulssi/Pages/Impulssi-1-2017.aspxImpulssi 1/2017