Voisiko autossa käyttää rengasta, jossa ei ole ilmaa? 3D-tulostamalla tämä näyttää onnistuvan. Michelin on kehittänyt tulostetun, joustavasta rakenteesta valmistetun rengasrakenteen. Se tuotetaan yhdellä kertaa niin, että rengas ja vanne ovat yhtä osaa. Kokonaisuus on sekä kierrätysmateriaalia että kierrätettävä.
Lisäävän valmistuksen käyttö vaatii perinteisten ajattelutapojen hylkäämistä. 3D-tulostuksen suurin etevyys on sen mahdollistama suunnittelun ja muodon vapaus. Esimerkiksi laivojen tai autojen moottoreihin voidaan tulostaa entistä kevyempiä ja kestävämpiä osia. Niissä voi olla myös monimutkaisia jäähdytys-, polttoaine- tai muita kanavia, jotka parantavat suorituskykyä. Vastaavia ei pystytä millään muulla teknologialla tuottamaan.
Lisäksi merkittäviä kilpailuetuja ovat pienten sarjojen kannattava valmistus, kustannusetu, hajautettu tuotanto, raaka-aineen yksimuotoisuus – eli se koostuu yhdestä saumattomasta ”palikasta” – sekä uusien materiaalien kehitysmahdollisuudet.
Murros luvassa
3D-tulostusta kuvaa paremmin ilmaisu ”lisäävä valmistus”, koska kappaleet valmistetaan ainetta lisäämällä kerros kerrokselta. Valmistava teollisuus, joka tuottaa maamme bruttokansantuotteesta merkittävän osan, voi kokea merkittävän murroksen uuden teknologian kehittyessä. Monella alalla tämä murros on jo täyttä todellisuutta.
Ohjelmistot ja tekoäly ovat merkittävässä roolissa, mutta itse valmistuksen kehityksestä iso osa tapahtuu automaation, robotiikan ja antureiden avulla. Lisäävän valmistuksen läpilyöminen edellyttää, että se on teknisesti edistyksellisempi ja halvempi kuin teknologiat, joita se korvaa.
Käytön este ovat hitauden tuomat valmistuskustannukset: valmistettava tuote on pitkään koneessa. Teknologian kehittyessä nopeus kuitenkin koko ajan kasvaa.
Alla olevassa ennusteessa on verrattu tulostusta perinteisiin menetelmiin. Ennusteen mukaan vuoteen 2030 mennessä teknologiasta tulee hyvin kilpailukykyinen myös kustannusten suhteen. Vihreät palkit kuvaavat nykytilannetta.
Kovia kasvuennusteita
Lisäävän valmistuksen markkinoiden ennustetaan kasvavan 30 prosentin vuotuisella kasvuvauhdilla vuoden 2020 10 miljardista eurosta noin 65 miljardiin euroon vuoteen 2027 mennessä, eli markkina 5,5-kertaistuu. (Research and Markets, 2022) Hieman tuoreempi ennuste (Forbes, 2022) arvioi kasvun olevan 22,5 prosentin vuosivauhdilla vuoden 2021 12,6 miljardin euron markkinakoosta vuoteen 2026 mennessä 34,8 miljardia euroa.
Ennusteiden vertaaminen keskenään vaatii tarkkaivaisuutta, sillä osa tilastoi lisäävän valmistuksen, osa jaottelee sen laitteisiin ja palveluihin, osa myös materiaaleihin ja ohjelmistoihin.
Uusimman Wohlers-raportin mukaan metallitulostinten myynti kasvoi 2022–2023 neljänneksen. Laitevalmistajia tulee markkinoille eri puolilta maailmaa, enemmistö on Kiinasta. Sen sijaan suurimmat valmistajat ovat yhdysvaltalaisia ja eurooppalaisia yrityksiä.
Lisäävä valmistus on teknologiana nuori, kuten myös sen sovellukset. Prosessikehitys ei vielä ole valmis eikä kaikkien materiaalien osalta vielä teollisen tekemisen tasolla. Uusia prosesseja tai vanhojen uusia versioita tulee markkinoille usein, vähintään yksi vuodessa, joten alan terminologiaa on ylläpidettävä jatkuvasti.
Yhteensä satoja menetelmiä
Lisäävän valmistuksen tekniikat jaotellaan seitsemään kategoriaan oheisen taulukon mukaan. Näistä lähes kaikkia on testattu kaikkien materiaaliryhmien tulostukseen, mutta esimerkiksi metallin tulostukseen käytetään lähinnä jauhepetisulatusta, suorakerrostusta ja sideaineen ruiskutusta. Näistä menetelmistä lupaavimpia kriittisten rakenteiden valmistukseen ovat jauhepetisulatus ja suorakerrostus.
Pienet ja tarkat, monimutkaiset osat valmistetaan jauhepetitulostuksella. Suorakerrostus ei pääse vastaavaan tarkkuuteen tai muodon monimutkaisuuteen, mutta vastaavasti sillä voidaan tehdä suurempia osia.
Eri kategorioiden alla on vielä kymmeniä erilaisia ratkaisuja alkaen edullisista tulostimista päätyen jopa usean miljoonan euron teollisiin laitteistoihin. Erilaisia tulostustekniikoita on arvioitu olevan muutamia satoja (Gibson et al., 2021). Lisäävän valmistuksen seitsemän alakategoriaa löytyvät tämän artikkelin lopussa olevasta taulukosta (Taulukko 1).
Suomi hyvissä lähtökuopissa
Teollinen 3d-tulostus mahdollistaa korkean kustannustason maille, kuten Suomelle, kansainvälisesti korkean kilpailukyvyn, sillä tuotannon automaation myötä palkkakustannusten osuus kustannuksista alenee.
Teknologian kehityksessä mukana pysyminen edellyttää, että suomalainen teollisuus saa riittävän hyvin koulutettua henkilökuntaa. Nopeasti kehittyvät laitteet, ohjelmistot ja materiaalit sekä uudet prosessit edellyttävät, että koulutus pysyy ajan tasalla ja syntyvä uusi terminologia vakiintuu ja yhtenäistyy. Näin nopeassa kehityksessä myös tieto vanhenee nopeasti.
Kehityksessä mukana pysyminen ja patentoitavien tuotteiden luominen edellyttävät, että tekniikan tutkimus ja kehitystoimintaa tuetaan riittävästi. Myös kotimaista tutkimusta yliopistoissa ja tutkimuslaitoksissa on tuettava merkittävästi.
Tietoa 3D-tulostuksesta löytyy huomattavan paljon, mutta valitettavan suuri osa siitä on vaikeasti jäsennettävää, ja kattavan kokonaiskuvan laatiminen on jopa vaikeaa. Väärinkäsitysten mahdollisuus kasvaa hallitsemattoman tietovuon vuoksi.
Kasvu ei nosta lisäävän valmistuksen osuutta valmistusprosessien joukossa kovin nopeasti, ellei sitä huomioida systemaattisesti tuotekehitysprojekteissa. Johdon tuki uuden teknologian käyttöön tuotekehityksessä edellyttää koulutusta organisaation kaikilla tasoilla.
Useilla valtioilla on jo kansallinen strategia lisäävään valmistukseen: Intia, Yhdysvaltain asevoimat ja hallitus, Britannia, Ranska (lisäksi LinkedIn). Myös alan eurooppalainen kattojärjestö on laatinut oman strategiansa.
Koriste-esineistä avaruuslaitteisiin
Yksivaiheisia metallintulostusprosesseja on tunnistettu nyt 13 erilaista. Myös ensimmäiset hybridiprosessit ovat ilmestyneet – niissä yhdistyvät lasersäde ja valokaari energialähteinä.
3D-tulostusta käytetään eniten auto- ja lentokoneteollisuudessa: näiden alojen yrityksistä noin kolmannes hyödyntää sitä lopputuotteiden valmistamiseen. Kotioloissakin voidaan jo tulostaa pieniä esineitä ja vaikkapa autotallissa kunnostettavan museoauton osia, jos niistä on piirrokset löydettävissä.
Myös avaruusteollisuus on hyödyntänyt metallien 3D-tulostussa erityisesti rakettimoottorin kehityksessä. Onpa nähty esimerkkejä myös kokonaisten talojen tulostuksesta. On vaikeampi keksiä, mihin 3D-tulostus ei sovellu kuin mihin se soveltuu.
Lisäävälle valmistukselle on tunnusomaista, että uusia tekniikoita tulee jatkuvasti. Periaatteessa 3D-tulostus tuo valmistustekniikkaan saman ilmiön kuin musiikissa on käyty läpi. Hyvin pian ollaan tilanteessa, jossa kaikki fyysiset tuotteet voidaan kopioida. Kuinka tuotteet silloin suojataan? Kun tuote valmistetaan lähellä loppukäyttäjää, joka voi olla missä päin maailmaa tahansa, kuinka silloin turvataan kotimainen valmistus?
Näihin kysymyksiin pitää etsiä pikaisesti vastauksia. Kutsun keskusteluun mukaan niin teknologiayritykset, tutkimuslaitokset kuin valtiovallan.
Tämän sisällön mahdollistaa Turun yliopisto.
Journalistinen päätösvalta on MustReadin toimituksella.
Tämä artikkeli on julkaistu Creative Commons CC BY-ND 4.0 -lisenssillä.
Keskustelu
Tätä juttua ei ole vielä kommentoitu.