Metalliosia 3D-tulostimella

Metallia 3D-tulostamalla saadaan aikaan vaativia rakenteita ja monimutkaisia kappaleita yhdellä kerralla. LUT-yliopisto tutkii tekniikkaa, jolla on mullistavia sovelluskohteita teollisuudessa.

^{TEKSTI | TIINA SUOMALAINEN KUVA | VILLE TULKKI}

LUT-yliopiston Lappeenrannan kampuksella, monien ovien takana, on tila, jossa tehdään isoa ja vaikuttavaa tutkimusta. 

Metallin 3D-tulostuskoneella syntyy kappaleita, joita LUT-yliopiston lasertyöstön ja 3D-tulostuksen tutkimusryhmä käyttää tutkimuksen lisäksi opetuksessa sekä kouluttaessaan yritysmaailmaa 3D-tulostuksen mahdollisuuksiin.

Maailmalla metallin 3D-tulostusta kehitetään jo tuotantolinjoiksi. LUT-yliopiston tutkimusryhmän johtaja, lasertyöstön ja 3D-tulostuksen professori Heidi Piili huomauttaa, että Suomi on jäänyt tekniikan soveltamisessa jälkeen muista teknisesti edistyneistä maista. 

– Metallin 3D-tulostukselle on tarvetta suomalaisessa teollisuudessa. Mitä rivakammin teollisuus hyödyntää kustannustehokkaita ratkaisuja, sitä nopeammin sen kansainvälinen kilpailukyky paranee.

Metallien tulostuksella on Suomessa pitkät perinteet

Metallia on tulostettu maailmalla kolmiulotteisesti jo parikymmenen vuoden ajan. Muun muassa lentokone- ja autoteollisuus hyödyntävät tätä tekniikkaa. 

Yksi ensimmäisistä sovelluskohteista olivat lääkinnälliset laitteet: hammasimplantteja tulostettiin metallista jo 2000-luvun alkupuolella. Myös koruteollisuus on ollut edelläkävijä metallin 3D-tulostuksen hyödyntämisessä.

Eräs maailman yleisimmistä tekniikoista, LUTissakin tutkimuksen kohteena oleva laserpohjainen jauhepetisulatus, on innovaatio, joka keksittiin 80-luvun lopulla Turussa. 

Suomessa metallin 3D-tulostuksen teollinen hyödyntäminen on alkanut toden teolla vasta kolme, neljä vuotta sitten. 

Joulukuussa 2018 uutisoitiin suomalaisesta yrityksestä, joka oli toimittanut ensimmäiset 3D-tulosteita sisältävät venttiilit asiakkaalle. Seuraavana vuonna toinen yritys kehitti sarjatuotantoon soveltuvia 3D-tulostettuja metalliosia, joiden sisään on integroitu elektroniikkaa. 

– Materiaaliksi sopivat lähes kaikki yleisimmät teollisuudessa käytetyt metallit, kuten ruostumaton teräs, kupari ja alumiiniseokset. 3D-tulostus pitää sisällään useita tekniikoita, joista riippuen kappaleiden koko voi vaihdella muutamasta millistä useisiin metreihin.

Uniikit osat sarjatuotantona

LUTissa on tutkittu metallin 3D-tulostusta 12 vuoden ajan. 

Metallia 3D-tulostamalla voidaan sarjatuotantona tehdä kappaleita, joiden valmistaminen koneistamalla on vaikeaa, mahdotonta tai erittäin kallista. Etenkin monimutkaisten ja vaativien kappaleiden valmistamiseen tekniikka sopii loistavasti. 

Piili huomauttaa, että 3D-tulostus ei korvaa kaikkea perinteistä tuotantoa, vaan perinteiset tuotantotavat ovat useimmissa tapauksissa edelleen ne järkevimmät.

– Mutta kun tarvitaan mahdollisimman tarkkoja, kevennettyjä, monimutkaisia tai uniikkeja kappaleita, on 3D-tulostus paikallaan. Kaikki työvaiheet tuotteen suunnittelusta tulostukseen voidaan tehdä etukäteen digitaalisesti, jolloin virheet voidaan ennakoida ja tulosteen rakenne optimoida. Monimutkaisten kappaleiden työvaiheet saattavat näin tippua 25:stä yhteen.

– Esimerkiksi metsäkoneen hydraulilohkoon poraamalla tehty T-mallinen kanava on virtausteknisesti hyvin haastava. 3D-tulostuksella saadaan valmistettua Y-mallinen kanava, jonka virtaustekniset ominaisuudet ovat paremmat. 

Osia teollisuuden koneisiin

Toki tekniikkaan liittyy myös haasteita, kuten tiedon puute mekaanisista ominaisuuksista sekä suunnitteluun ja jälkityöstöön liittyvät ongelmat. Näitäkin pyritään LUTin tutkimuksissa ratkaisemaan.

Suomen teollisuuden hitaus metallin 3D-tulostuksen hyödyntämisessä johtuu pääasiassa teollisuutemme rakenteesta, joka on perinteisesti keskittynyt isojen kappaleiden valmistukseen.

– Metallin 3D-tulosteiden pienen koon ei kannata antaa hämätä. Yksi sovelluskohde voi olla esimerkiksi paperikone. Yleisimpiä syitä koneen ratakatkoon on suuttimen vaurio. Tämä kriittisin komponentti kannattaakin valmistaa tulostamalla.

Tutkimusryhmä tutkii myös 3D-tulostetun materiaalin hitsattavuutta. Tutkijatohtori Anna Unt painottaa, että hitsauksen avulla metallin 3D-tulostuksen käyttö- ja sovelluskohteet monipuolistuvat.

– Kotimaista teollisuutta kiinnostaa erityisesti ruostumatonta terästä korvaavien erikoisempien 3D-tulostusmateriaalien hitsattavuus. 

Sovelluksia talteenottoon

Metallin 3D-tulostus mahdollistaa myös verkkorakenteet. LUT-yliopiston erotustekniikan apulaisprofessori Eveliina Repo kertoo, että kun hän ensimmäistä kertaa näki 3D-tulostamalla tehdyt verkkomaiset kappaleet, hän oivalsi, että tekniikalla on valtava potentiaali erotustekniikan sovelluksissa. Yhtä näistä sovelluksista kehitetään LUTissa vedenpuhdistukseen.

– Verkkomaisessa rakenteessa puhdistuspinta-alaa voidaan laajentaa useilla sisäkkäisillä pinnoilla. Näin saadaan optimoitua rakenne ja virtausnopeus, joten samalla säästetään energiaa. 

Repo tutkii myös 3D-tulostettuja elektrodeja metallien sähkökemiallisissa erotusprosesseissa. Elektrodeilla voitaisiin tehostaa kullan ja muiden arvokkaiden tai harvinaisten metallien talteenottoa romusta.

– Talteenotto on hankalaa ja kallista. 3D-tulostuksen vapaampi muotokieli mahdollistaa sille tehokkaamman prosessin. Harvinaisten metallien talteenotto metalliromusta edistää myös kiertotaloutta.

Opiskelijoiden suosiossa  

LUTissa on menossa useita tulostukseen liittyviä hankkeita. Yksi on Teollisuuden 3D-tulostus Me3DI -hanke, jonka tarkoituksena on tehostaa metallien 3D-tulostuksen käyttöönottoa ja perustaa sille osaamiskeskus Etelä-Karjalaan. Toinen on monitieteellinen Manufacturing 4.0 -hanke, jonka yhtenä tavoitteena on kehittää ja selvittää valmistavan teollisuuden tulevaisuutta.

– Hanketoiminnan kautta saamme levitettyä tietoutta metallin 3D-tulostuksesta ja houkuteltua opetuksen pariin kiinnostuneita opiskelijoita. Hanketoiminta myös palauttaa opetukseen uusimpia tutkimustuloksia ja antaa opiskelijoille tutkimusaiheita, Piili mainitsee.

Metallin 3D-tulostus on konetekniikkaopiskelijoiden joukossa yhä suositumpaa. Opiskelijamäärät ovat kasvaneet huimasti. 

– Kun aloitimme metallin 3D-tulostuksen opetuksen vuonna 2012, kurssilla oli 24 opiskelijaa. Viime keväänä opiskelijoita oli jo 125.

---

Jalkautusta verkostojen avulla

YHTEISTYÖVERKOSTOT ovat tärkeässä asemassa uuden tekniikan jalkautuksessa.

– Yhteistyön ja alueellisten verkostojen avulla voidaan rakentaa laaja hankekokonaisuus ja 3D-tulostuksen toimiva verkosto niin, että se tuottaa pidemmälläkin aikavälillä tuloksia. Suomen kaltainen pieni maa tarvitsee yhteistyötä, yhteisiä intressejä, tavoitteita ja strategioita, toteaa Turun yliopiston konetekniikan professori Antti Salminen.

Turun seutu on ollut Suomessa edelläkävijä 3D-tulostuksessa, ja erityisesti metallien 3D-tulostuksessa. Osaaminen juontaa jo 1980-luvulta, jolloin Turussa keksittiin yksi maailman käytetyimmistä metallin 3D-tulostustekniikoista. 

–  Tällä hetkellä Turun seudulla on kymmenkunta yritystä, jotka elävät 3D-tulostuksella. Suurin keskittymä on EOS Finland Oy, joka on metallien 3D-tulostusosaamisessa maailman kärjessä. 

EOSin naapurissa on tutkimus- ja kehitystoiminnan keskittymä Koneteknologiakeskus Turku Oy, joka on monen oppilaitoksen ja teollisuuden yhteinen instituutti. Yhteistyötä on tehty pitkään myös LUT-yliopiston kanssa tutkimuksessa ja opetuksessa.