Metallin 3D-tulostuksen mahdollisuudet

Metalliteollisuuden uudistuminen on kytköksissä yhteiskunnallisiin megatrendeihin, etenkin ympäristönäkökulmiin ja digitalisoitumiseen. Uudistumiseen liittyy olemassa olevien prosessien ja tuotteiden optimointi, mutta myös uudet valmistustekniikat kuten lisäävä valmistus eli kansanomaisesti 3D-tulostus. Menetelmä mahdollistaa monimutkaisten ja jopa täysin uudenlaisten geometrioiden valmistamisen ”yhdellä” valmistusvaiheella digitaalisen mallin avulla.

Kerttu Saalasti Instituutin Tulevaisuuden tuotantoteknologiat tutkimusryhmän (FMT) yksi päätutkimuskohteista on metallin 3D-tulostus. 3D-tulosteiden hyödynnettävyyttä rajoittaa vielä moni tekijä suunnittelusta jälkikäsittelyyn, mutta näistä selkeimmin tunnistettava pullonkaula on tulosteen materiaalilaatu. On osoitettu, että 3D-tulosteet ovat alttiita pienille sisäisille ainevioille, mitkä heikentävät tulosteiden käyttöä vaativissa kuormituksen alaisissa kohteissa. Muunlaisissa sovelluksissa 3D-tulostettujen kappaleiden materiaaliominaisuudet voidaan helpommin optimoida jopa perinteisiä metalleja paremmiksi.

Metallin 3D-tulostus on vielä erikoismenetelmä useimmilla tuotantoaloilla, mutta esimerkiksi hammaslääketieteissä menetelmä on kovaa vauhtia korvaamassa perinteisiä menetelmiä. Metallisia hammasproteeseja varten on kehitetty Suomessa oma erikoisseos jauhepetitulostukseen ja olemassa oleva yritysverkosto on tuottanut vuosia 3D-tulostettuja hammasproteeseja alueen potilaille. Digitaalisena valmistusmenetelmänä 3D-tulostus toimii tehokkaana modernin lääketieteellisen CT-skannauksen kanssa. Varaosa voidaan näin valmistaa nopeasti suoraan asiakkaan mittoihin.

Ortopedian alalla 3D-tulostus tarjoaa mielenkiintoisia mahdollisuuksia optimoida esimerkiksi polvi-implantin mekaaniset ominaisuudet ja biosoveltuvuus hyödyntämällä jauhepetimenetelmän mahdollisuutta valmistaa yksityiskohtaisia sisäisiä ontelorakenteita. FMT-ryhmä tutkii mm. implanttirakenteiden jäykkyyden alentamisesta luustoa vastaavaksi niin, että samalla mahdollistetaan verisuonien ja muiden kudosten kasvaminen osaksi implanttia.

Lääketieteen sovellukset ovat yksi onnistunut esimerkki teollisuuden nopeasta kyvystä omaksua uutta teknologiaa liiketoiminnan ja yhteiskunnan uudistamiseksi. Metallin 3D-tulostusta hyödynnetään monilla muillakin aloilla, mutta yleisesti menetelmä on toistaiseksi keskittynyt erikoistuotteiden piensarjavalmistukseen. 3D-tulostuksen avulla voidaan valmistaa vaikkapa avaruusrakettien osia. Suuryritykset ovat esimerkiksi kehittäneet raketin kärkeä ja suihkumoottorin palopesää menetelmän avulla entistä tehokkaammiksi ja valmistusta kustannustehokkaammaksi.

Suuria raketin osia valmistetaan tehokkaasti suorakerrostustulostuksella, mikä on menetelmänä karkeampi kuin Suomessa yleisesti käytetty jauhepetimenetelmä. Suorakerrostamalla on valmistettu esimerkiksi kevyenliikenteen silta Amsterdamiin, joten kokonaisen auton rungon tulostaminenkin olisi mahdollista, joskaan ei kustannustehokasta. Suorakerrostusta hyödynnetään jo Euroopassa aktiivisesti esimerkiksi raskaan ajoneuvoteollisuuden varaosavalmistuksessa. Varaosavalmistuksessa menetelmä selvänä etuna on nopeus. Varaosa voidaan tuottaa lähellä vaurioitunutta konetta tai osa voidaan jopa korjata tulostamalla uusi osa suoraan vanhan tilalle.

Rakenteiden optimointi ja monimutkaistuminen tarjoavat haasteita sekä tutkijoille, että tuotannon henkilöille. Kotimainen teollisuus onkin alkanut verkostoitua voimakkaasti (FAME-ekosysteemi) yliopistojen ja oppilaitosten kanssa tulevaisuuden osaajien ja huipputuotteiden kehittämiseksi. Tulevaisuudessa teknologiaan liittyvä tekniikka ja sen käyttö halpenevat kilpailun ja kehityksen seurauksena, mutta menetelmä tarvitsee taustalleen myös uutta ajattelutapaa tuotteiden suunnittelussa. Millaisia tuotteita uusi sukupolvi vielä keksiikään…

Kirjoittaja:

Antti Järvenpää, tutkimusjohtaja, TkT, Oulun yliopiston Kerttu Saalasti Instituutti, Tulevaisuuden tuotantoteknologiat



Tämä kirjoitus on julkaistu ensimmäisen kerran Keskipohjanmaa-lehdessä 30.1.2022.