FAME blogi: 3D-tulostus – ei vain nyrkin kokoisten kappaleiden etuoikeus

FAME blogi: 3D-tulostus – ei vain nyrkin kokoisten kappaleiden etuoikeus

Author:
Santeri Varis, Manager, Additive Manufacturing, ANDRITZ Savonlinna Works Oy

3D-tulostuksesta puhuttaessa ensimmäiset mielikuvat tuntuvat yleensä olevan joko autotallin perällä tapahtuvaa harrastamista yksinkertaisten muovitulosteiden parissa tai asiaan enemmän vihkiytyneiden keskuudessa teollisia komponentteja tehtynä muovi -tai metallimateriaaleista. Olipa kyse sitten harrastuksesta tai teollisesta käytöstä, näitä molempia yhdistää 3D-tulostettavien kappaleiden suhteellisen pieni koko. Harvalta nimittäin löytyy välineitä tulostaa metrin saati useamman metrin kokoisia kappaleita, vaan yleensä koko rajoittuu maksimissaan muutamaan kymmeneen senttiin.

Suomen teollisuuden, etenkin metalliteollisuuden osalta, yksi yhteinen nimittäjä on tuotteiden suuri kokoluokka. Maan rajojen sisältä on tuotettu pitkään laadukkaita tuotteita mm. metsä-, meri-, auto- ja energiateollisuuden tarpeisiin, unohtamatta lukuisia muita ansoituneita metalliteollisuuden toimialoja. Suuresta kokoluokasta huolimatta alan yritykset ovat jo tietyiltä osin omaksuneet 3D-tulostuksen yhdeksi valmistusmenetelmäksi joko avustaviin välineisiin tai jopa lopputuotteisiin asti. Vaikka metsäkoneista, selluteollisuuden prosessilaitteesta tai laivan moottorista usein löytyy se tulitikkuaskin,  nyrkin tai jalkapallon kokoinen komponentti, jonka valmistamiseen on jo onnistuneesti hyödynnetty 3D-tulostusta, jättävät yleisimmät tulostusmenetelmät silti koko muun laitteen tai tuotteen tulostusmenetelmien ulkopuolelle. Lähihistorian hyvän kehityksen ansiosta nyt myös mäiden ulkopuolelle jäävien osien haasteisiin pystytään vastaamaan 3D-tulostuksella. Tämän mahdollistavat eri suorakerrostusprosessit (engl. DED, Directed Energy Deposition), joissa lanka- tai jauhemateriaalia kohdennetaan kerros kerrokselta haluttuun paikkaan. Viime vuosina eniten huomiota kyseisistä menetelmistä on saanut WAAM (Wire-Arc Additive Manufacturing), jossa käsivarsirobotti yhdessä hitsauvarustuksen kanssa valjastetaan liitoshitsauksen sijaan 3D-tulostukseen. Tällä saavutetaan mm. muita 3D-tulostusmenetelmiä suuremmat kappalekoot sekä korkeampi tuottavuus.

Andritz Savonlinna Worksin WAAM-menetelmällä Wärtsilälle 3D-tulostama moottorituki. Kuva ANDRITZ Savonlinna Works Oy

Kun ajatellaan oikeasti suuresti, eivät uusista menetelmistä saavutetut edut rajoitu pelkkiin suoriin kustannus- ja aikahyötyihin, vaan jopa suurempi vaikutus tulee välillisesti koko valmistusprosessin muutoksesta. Loistavana esimerkkinä Atlantin takaa yritys nimeltään Relativity Space, joka hyödyntää WAAMia avaruusrakettien valmistukseen. Kun valmistusprosessi yksinkertaistuu ja suoraviivaistuu, ei tuotemuutosten jälkeen tarvitse investoida uusiin tuotantolaitteisiin, jigeihin ja muihin välineisiin, vaan jopa radikaalisti muuttuneet muodot voidaan edelleen valmistaa samalla tulostus- ja kappaleenkäsittelylaitteistolla. Täysin mullistuneen valmistusprosessin myötä on päästy sellaisiin mukaviin etuihin, kuten kokoonpanon osien määrän vähentyminen sadastatuhannesta alle tuhanteen, valmistusajan lyheneminen noin kahdesta vuodesta 60 päivään ja uudelleensuunnittelusyklin lyheneminen neljästä vuodesta kuuteen kuukauteen.

Tulostuksen ei kuitenkaan tarvitse olla rakettitiedettä. Suuren kokoluokan tulostusmenetelmät nostavat päätään myös perinteisimmillä toimialoilla, niillä samoilla toimialoilla joissa pienemmänkin mittakaavan tulostusta on jo päästy kasvavassa määrin hyödyntämään. Yhtäläisyyksien lisäksi suuren mittakaavan tulostus kuitenkin tarjoaa ratkaisuja ongelmiin, joihin muut tulostusmenetelmät eivät välttämättä pysty, ainakaan niin tehokkaasti, vastaamaan. Suorakerrostusprosesseissa on ihan yhtä helppoa tehdä tulostusta esim. sylinterimäisen tai jopa mielivaltaisen pinnan päälle kuin tasaisellekin pohjalle, mikä ei ole itsestäänselvyys muissa 3D-tulostusmenetelmissä. Lähivuosina maailmaa ravistelleet kriisit ovat myös sotkeneet suuresti globaaleja tuotantoketjuja ja kohonneiden hintojen lisäksi myös toimitusajat ovat välillä venyneet todella pitkiksi, olipa kyseessä sitten valukappaleet tai levytavara. Edellisessä kappaleessa kerrottu tuotantoketjun yksinkertaistuminen tarjoaa helpotusta myös tähän; on eroa löytyykö varastohyllystä muutama tynnyrillinen hitsauslankaa vai samojen tuotteiden valmistamista varten muutamaa eri levypaksuutta tai valmista levyleikettä, useampaa eri putkikokoa ja muutama erilainen valukappale. Hitsauslankaa saa ”aina”, mutta jälkimmäisessä tapauksessa yhdenkin osan puuttuminen tai viivästyminen saattaa myöhästyttää koko projektin.

Ei kannattane peitellä myöskään tämän hetken reaaliteetteja. Metallien jauhepetitulostusta on tutkittu isossa kuvassa jo vuosikymmeniä ja vasta nyt aletaan tuntemaan prosessia paremmin. Huolimatta siitä, että Ralph Baker patentoi hitsausprosessilla kolmiulotteisten kappaleiden valmistuksen jo lähes sata vuotta sitten vuonna 1925, on ison skaalan tulostus etenkin WAAMilla saanut kunnolla tuulta purjeisiin vasta lähivuosina. Tämä tottakai näkyy siinä, että prosessia eikä materiaaliominaisuuksia vielä tunneta läpikotaisin, mutta positiivisena huomiona täytyy sanoa kehitystahdin olevan päätähuimaava; viimeisen parin vuoden aikana aiheesta on julkaistu enemmän kuin koko edellisen vuosikymmenen aikana yhteensä. Materiaalitutkimusta vauhdittaa globaalin tutkimuksen lisäksi kansainvälisestikin vaikuttava FAMEn DREAMS-hanke. Vaikka DREAMS-hankkeessa pääpaino onkin metallien jauhepetitulostuksessa, riittää hankkeen 10 tuhannen testisauvan paketista myös oma osuutensa WAAMille. Ensimmäistä kertaa saadaan kyseiselle menetelmälle todellista vertailukohtaa eri laitteistoilla ja parametreilla tehdyille testikappaleille, mikä tukee laadunvarmistusta ja menetelmän teollistamista. Myös toisen merkittävän pullonkaulan, ohjelmistojen, osalta on menty samanmoisin harppauksin eteenpäin. Jos muutama vuosi sitten löytyi vain muutama ohjelmisto jotka soveltuivat suorakerrostusmenetelmille ja niistäkin puolet oli testiversioita, löytyy nykyään jo noin kymmenkunta täysin valmista kaupallista ratkaisua.

300-kiloinen metallista 3D-tulostettu paineastia.
Ruostumattomasta teräksestä 3D-tulostettu 300-kiloinen paineastia. KUVA ANDRITZ Savonlinna Works Oy.

ANDRITZ Savonlinna Works Oy aloitti kehitystyön WAAMin suhteen kolmisen vuotta sitten kesällä 2019. Kiitos vankan robottihitsauskokemuksen, oli menetelmän käyttöönotto verrattain suoraviivaista. Soveltuva laitteisto löytyi jo valmiiksi, joten täytyi vain ratkaista ohjelmoinnin keinoin kuinka valjastaa robotti erilaiseen käyttöön. Ensimmäinen vuosi meni tutkiessa ja harjoitellessa, toisena vuona päästiin protoilemaan ja pilotoimaan ja nyt kolmantena vuonna ollaan tilanteessa missä oikean elämän käyttökohteita on jo useampia ja toimintaa ollaan organisoidusti skaalaamassa ylöspäin. Tuotanto-osien lisäksi aktiivinen tutkimustyö jatkuu tietenkin samalla, merkittävimpänä yksittäisenä projektina juuri valmistunut noin 300 kg painava ja 1,6 m korkea 3D-tulostamalla tehty painesäiliö. Kun saadaan vielä aikaisemmin tekstissä mainitut pari isompaa pullonkaulaa avattua ja menetelmän tunnettavuutta kasvatettua, ei ole epäilystäkään etteikö Suomesta löytyisi myös ison skaalan 3D-tulostukselle teollisia käyttökohteita. Sitä ennen, mottoriurheilutermein nilkka suoraksi ja eteenpäin!

Santeri Varis

Manager, Additive Manufacturing

ANDRITZ Savonlinna Works Oy