Professoriluento | Antti Salminen

On väitetty, että 3D tulostus mullistaa koko talouden. On väitetty, että 3D tulostus on 4 teollinen vallankumous. Onko näin?

Tällä hetkellä 3d tulostuskoneiden osuus on 1,5% koko valmistavan teollisuuden globaalista laitemarkkinasta. Merkitys on huomioon verrattuna häviävän pieni.
World economic forum on määritellyt 4 teollisen vallankumouksen ja siihen vaikuttavat ilmiöt ja tekniikat. 4 teollinen vallankumous on oikeastaan digitalisaatiota ja useiden teknologioiden tehokasta yhdistämistä. 4 teollinen vallankumous on syntymässä, koska useat teknologiat ovat saavuttaneet riittävän kypsyysasteen samoihin aikoihin ja koska saatavilla on suuri tiedonsiirtonopeus ja aiempaa huomattavasti suurempi tietojenkäsittely kapasiteetti. 4 teollisen vallankumouksen tärkeimmät tekniikat ovat lisätty todellisuus, lisäävä valmistus ja keinoäly. 3d tulostus on siis tärkeä osa 4 teollista vallankumousta mutta se ei ole 4 teollinen vallankumous.

Lisäävä valmistus on tällä hetkellä 1,5% valmistavan teollisuuden työstökoneiden markkinoista, mutta sen volyymi kasvaa jopa 50% vuosittain tai kahden vuoden aikana. Verrattuna esim. lasertyöstöön, jonka 10% vuotuinen kasvu on nostanut lasertyöstön osuuden 20 vuoden aikana n 3% 23% prosenttiin koko markkinasta. Lisäävän valmistuksen laitteiden kasvu on huomattavasti nopeampaa kuin lasertyöstön vastaava. 
3D tulostus on teknologia, jossa tuote valmistetaan sen digitaalisen 3d mallin pohjalta. Malli voidaan optimoida huomioimaan tarvittavat lujuus-, virtausominaisuudet, minimoimaan paino ja maksimoimaan toiminnot. Tulostusta ennen valmis 3D malli viipaloidaan digitaalisesti kerroksiin. Varsinaisessa tulostuksessa nämä kerrokset lisätään toistensa päälle niin, että ne liittyvät edelliseen kerrokseen lujasti muodostaen yhtenäistä kiinteää materiaalia. Tekniikoita on yhteensä seitsemän eri kategoriaa, joista kussakin on useita alakategorioita. Kerrokset liitetään toisiinsa sulattamalla, liimaamalla tai sintraamalla.  Metallin 3D tulostus on itseasiassa hitsausta, joka tehdään erittäin suurella tarkkuudella. 1 mm3 3dtulostettua metallia sisältää n. 1 m hitsiä. Tämä kerroksittainen valmistus mahdollistaa 3D tulostuksen edut kuten muodon vapauden.

Lisäävän valmistuksen edut ovat:

• Suunnittelun vapaus, valmistustekniikka ei rajoita tuotteen muotoa kuten perinteisessä valmistuksessa
• Kustannussäästöt, useissa tapauksissa 3d tulostuksella saavutetaan säästöjä valmistuskustannuksissa tai käyttökustannuksissa.
• Painonsäästö, tyypillisesti 3d tulostettu osa on 30-60% kevyempi kuin perinteisesti valmistettu osa.
• Läpäisyajan lyheneminen, lisäävä valmistus lyhentää tuotannon läpäisyaikaa, kun sitä tarkastellaan kokonaisuutena suunnittelun valmistumisesta osan valmistumiseen.
• Käyttöpääomatarpeen väheneminen, lisäävällä valmistuksella voidaan alentaa sekä aihioiden, työkalujen, että valmiiden osien varastoa ja korvata se osien digitaalisilla malleilla, joiden valmistettavuus on todennettu simuloinnilla.

Tällä hetkellä lisäävää valmistusta käytetään useilla eri teollisuuden alueilla: suurimmat markkinaosuudet ovat autoteollisuus 16%, kuluttajatuotteet ja elektroniikka 15%, ilmailuteollisuus 15% sekä hammaslääketiede ja lääketiede yhdessä 14%. Näiden lisäksi merkittäviä alueita ovat tutkimus 12%, energiateollisuus 12%, arkkitehtuuri ja rakennusteollisuus 5% sekä valtion sovellukset ja sotateollisuus 7%. Muut sovellusalueet ovat vain 4%.  Käyttäjäkunta on hyvin laaja ja siten jakautunut, että se ei ole kovin herkkä suhdannevaihteluille. Esim. Korona pandemian aikaan tulostaminen on yleistynyt selvästi erilaisten lääkinnällisten laitteiden pulan paikkaamisessa.

Lisäävän valmistuksen ongelmat:

• tarkkuus, tulosteet eivät sellaisenaan yleensä sovi koneenosiksi, vaan niille täytyy tehdä jälkikäsittely. Tämä käsittely on usein lämpökäsittely ja lähes aina koneistus. Vasta näillä toimenpiteillä tuotteista saadaan tarpeen mukaisia.
• Itse tulostusprosessi on hidas verrattuna tavanomaisiin valmistustekniikkoihin. Vertailu on hyvin ongelmallista, sillä jos tuloste yhdistää useita eri osia on tulostus yleensä nopeampi. 
• pinnanlaatu, jonka 3D tulostus saa aikaan metalliosiin on tällä hetkellä alle sen, mitä esim. normaalin levytavaran pinnanlaatu on. Tämä on ongelma, joka edellyttää jälkikäsittelyjä eikä tämän ongelman poistuminen ole näköpiirissä. 
• suunnittelun rajoitteet, vaikka lisäävän valmistuksen muodonantokyky on huomattavasti parempi kuin perinteisillä menetelmillä sen rajoitukset koetaan ongelmaksi. Eli ollaan pettyneitä, kun ei pystytäkään tekemään aivan mitä muotoja tahansa.

Suunnitteluun saatavat edut ovat niin merkittävät, että lisäävän valmistuksen käytön voidaan odottaa kasvavan. Useilla yrityksillä on tekniikan käyttöönottoa varten strategia. Esimerkiksi BMW kouluttaa kaikki tuotesuunnittelijansa hyödyntämään lisäävän valmistuksen suunnitteluun tuomia mahdollisuuksia niin, että kun teknologia on kypsää sarjatuotantoon, sen edut saadaan täysimääräisenä käyttöön. Tällä hetkellä on tunnistettu seitsemän prosessikategoriaa, joissa kaikissa on useita alaryhmiä. uusia prosesseja on tulossa käyttöön nopealla tahdilla. Kaikilla näillä teknologioilla on vahvuutensa ja kun otetaan huomioon teknologian nuoruus, on oletettavaa, että uusia teknologioita ja olemassa olevien evoluutioita ilmestyy markkinoille. Tulevat laitteistot ovat todennäköisesti pidemmälle kehitettyjä ja tarjoavat ratkaisuja em. ongelmiin. Tulosteissa voidaan yhdistellä eri materiaaleja kuten metallia ja muovia.

Tämän hetken t&k kehityskohteita on tulostuksen nopeuttaminen, jota voidaan tehdä jo suunnitteluvaiheessa liittämällä useita osia yhteen tulostustyöhön ja miettimällä, miten osat saadaan purettu yksinkertaisesti. Toinen osa-alue on laadunvarmistus, jolla pyritään toteamaan tulosteen laatu jo valmistamisen aikana, jolloin virhetilanteessa voidaan tehdä korjaavia toimenpiteitä.

Lisäävän valmistuksen markkina on lähtenyt kasvamaan hyvin rajusti vuodesta 2009 alkaen. Tuosta vuodesta vuoteen 2019 markkina kasvoi 997%. Yrityksillä on uskoa ja näyttöä teknologian eduista ja uusia käyttökohteita löytyy koko ajan. On varsin selvää, että lisäävä valmistus ei nykyisin tunnetulla tekniikalla korvaa nykyistä valmistustekniikkaa, mutta tuo siihen merkittävän lisän, jonka avulla tuotteista voidaan suunnitella entistä toimivampia ja energiatehokkaampia. Jokaisen valmistavan yrityksen pitäisi kartoittaa lisäävän valmistuksen mahdollisuuksia omissa tuotteissaan ja laatia tiekartta toimilleen lisäävän valmistuksen hyödyntämisessä.