Tämä blogikirjoitus käsittelee 3D-tulostuksen sisäänajoa Savonia-ammattikorkeakoulun konealan opetuksen sisällöksi. Lisäävä valmistus ei varsinaisesti ole mikään uusi ilmiö tuotekehityksen saralla, sillä ensimmäisiä 3D-tulostettuja kappaleita tehtiin Savoniallakin jo 2000-luvun alussa, muotoilun koulutuksen hankittua ensimmäinen lasersintraukseen perustuvan 3D-tulostimen (EOS P350). Tuohon aikaan 3D-tulostus kulki pikavalmistuksen nimellä ja sen katsottiin soveltuvan tuotannon sijaan lähinnä prototyyppien valmistukseen. Niinpä alkuvuosina 3D-tulostus Savonian sisällä palvelikin enimmäkseen maksullista palvelutoimintaa sekä alan tutkimusta, eikä levinnyt vielä opetukseen muotoilun koulutusta laajemmin.
Nykyinen konealan opetussuunnitelma, jossa 3D-tulostus on mukana, tuli käyttöön noin nelisen vuotta sitten. Tämä neljän vuoden jakso on ollut täynnä erilaisia oppeja ja oivalluksia siitä, miten 3D-tulostus voisi integroitua osaksi perusopetusta. Ensimmäinen haaste on ollut saada konetekniikan opettajat ymmärtämään ja omaksumaan lisäävän valmistuksen merkitys uutena valmistusmenetelmänä. Perinteisempiä valmistusmenetelmiä (takominen, valaminen, lastuava työstö, levytyöt, hitsaus, jne.) on opetettu koneinsinöörikoulutuksessa jo reilut 60 vuotta, joten kaikki opettajat eivät oikein vieläkään tahdo uskoa että lisäävä valmistus on noussut näin nopeasti varteenotettavaksi valmistusmenetelmäksi perinteisten rinnalle. Opiskelijat tosin ovat olleet huomattavasti ennakkoluulottomampia ja erityisen kiinnostuneita 3D-tulostuksesta. Osalla opiskelijoista onkin jo omat 3D-tulostimet kotona ja siten aiheessa ei ole enää heille mitään ihmeellistä.
Savonian konealalle 3D-tulostus saapui ensimmäistä kertaa vuonna 2009 kipsitulostimen (ZCorp Zprinter 450) hankinnan myötä. Kipsitulosteiden käyttökohteet ovat kuitenkin rajalliset, jonka lisäksi laitteisto osoittautui toiminnaltaan kovin epäluotettavaksi joten sitä hyödynnettiin opetuksessa lähinnä projektitöissä ja opinnäytetöiden yhteydessä. Laitteen toiminnan aikana kipsitulosteita käytettiin pienoismallien lisäksi mm. alumiinivalujen ja hiilikuitumuottien valmistamisessa.
Muutama vuosi kipsitulostimen hankinnan jälkeen 3D-tulostinlaitteiden kehityksessä tapahtui suuri muutos materiaalin pursotustekniikkaan perustuvien keskeisimpien patenttien rauettua. Avoimen RepRap – projektin myötä markkinoille alkoi saapua suuri määrä yksinkertaisia materiaalin pursotukseen perustuvia 3D-tulostimia. Savonialle ensimmäiset pursotustekniikkaan perustuvat 3D-tulostimet hankittiin 2011 jolloin tavoitteeksi asetettiin tiedon ja kokemuksen kerääminen siitä, miten 3D-tulostaminen tulee vaikuttamaan mm. kappaleen suunnitteluvaatimuksiin. Hankitut laitteet olivat Solidoodle –laitevalmistajan heikkolaatuisia mutta edullisia tulostimia.
Konkreettisesti 3D-tulostus saapui konealalle kuitenkin vasta ALVO-projektin myötä 2015- vuoden alkupuolella, jolloin lähdettiin kartoittamaan ja suunnittelemaan 3D-tulostusympäristön luomista Savonialle. ALVO-hankkeen pienen investointiosuuden myötä laitekanta laajeni kolmella uudella tulostimella.
Konetekniikan koulutuksessa opiskelijoiden ensimmäinen konkreettinen kosketus 3D-tulostamiseen tulee ensimmäisen vuoden syksyn aikana ”valmistustekniikka 1” -opintojaksolla. Tämän opintojakson myötä opiskelijat saavat melko hyvän perustietouden lisäävästä valmistuksesta, tulostusprosesseista, tulostusmateriaaleista, tarvittavista ohjelmistoista ja erilaisista sovelluksista, joissa 3d-tulostusta käytetään nykyisin. Tämän lisäksi opintojaksoon sisältyy laboratorioharjoitukset, joissa kaikki opiskelijat pääsevät tulostamaan itse suunnittelemiaan kappaleita.
Ensimmäisen syksyn aikana konetekniikan opetussuunnitelmaan sisältyy myös ”3D-mallinnus”, ”tekninen piirtäminen” ja ”materiaalitekniikka 1.” -opintojaksot, jotka ”valmistustekniikka 1”:sen myötä tukevat lisäävän valmistuksen osaamistavoitteita. Varsinkin 3D-mallinnuksen opintojakso linkittyy erittäin tiiviisti 3D-tulostamiseen, koska tulostettavat kappaleet täytyy luonnollisesti ensiksi mallintaa / luoda geometria, jota tulostetaan. Tekninen piirtäminen puolestaan lisää opiskelijoiden ymmärrystä mm. valmistusdokumentaatiosta, valmistustoleransseista, pinnanlaadusta ja valmistusteknisistä vaatimuksista. Materiaalitekniikan opintojakso puolestaan tuo tarvittavan materiaaliteknisen osaamisen. Tavoitteena on ensimmäisen syksyn aikana saada konetekniikan opiskelijoille perusvalmiudet ja –osaaminen 3D-mallinnukseen, tekniseen piirtämiseen, konealan valmistusmenetelmiin, materiaalitekniikkaan sekä etenkin 3D-tulostukseen. Tämä pyritään saamaan aikaiseksi yhdistämällä teoriaa ja käytännön harjoittelua sopivassa suhteessa.
Ensimmäisen opiskeluvuoden kevätlukukaudella 3D-tulostus aukeaa erittäin konkreettisesti konetekniikan opiskelijoille orientaatioprojektin myötä. Tässä opintojaksossa opiskelijat pääsevät ensimmäisen kerran kosketuksiin todellisen tuotekehitysprojektin prosessiin. Opintojakson tavoitteena on ideoida, suunnitella, valmistaa ja testata todellinen laite, jossa on mukana liikkuvia osia, elektroniikkaa ja joku mekanismi, johon laitteen toiminta perustuu. Osa laitteen komponenteista valmistetaan 3D-tulostamalla lisäävän valmistuksen laboratoriossa. Aiheina kyseisellä opintojaksolla on ollut mm. höyrykone, vesipumppu, kuumailmapallo, 3D-tulostin, drone sekä laite, jonka liikettä tuottavana mekanismina on maltan risti.
Orientaatioprojektin toteutus myötäilee kansainvälistä CDIO (Concieve, Design, Implement ja Operate) pedagogista mallia, joka on käytössä useissa teknisissä yliopistoissa ympäri maapallon. Savonian konetekniikka onkin leikkimielisesti nimennyt orientaatioprojektin CDIO mallin ns. AFTT (Ass Forward To Tree) menetelmäksi, koska siinä ei varsinaisesti opeta projektinhallintaa ensimmäisen vuoden aikana.
Näinollen opiskelijaryhmät joutuvat tutustumaan tuotekehitykseen hieman ”perse edellä puuhun” menetelmällä. Niin kuin kaikissa erilaisissa pedagogissa malleissa, orientaatioprojektin oppimistulokset vaihtelevat erityyppisillä opiskelijoilla. Jotkut opiskelijat innostuvat suuresti ja kokevat oppineensa valtavasti kun taas jotkut ovat ”pihalla kuin lumiukot” opintojakson aikana. Kyseinen opintojakso on hioutunut vuosien saatossa ja olemme todenneet, että projektin aiheella on suuri merkitys opiskelijoiden motivaatiossa viedä projekti läpi alusta loppuun. Tavoitteena on viedä konkreettinen tuotekehitysprojekti läpi ideasta protoyypiksi hyödyntäen CAD – CAM ohjelmistoja ja eri valmistusmenetelmiä, mukaanlukien 3D-tulostus.
CDIO:n pedagogiseen menetelmään voi tutustua paremmin seuraavan webbilinkin kautta: www.cdio.org.
Savonian konealan orientaatioprojektin CDIO mallia voidaan kuvailla seuraavasti:
C (concieve) vaiheessa opiskelijat ideoivat ja luonnostelevat n. 4 – 5 hlön ryhmissä annetun projektin teeman mukaisia konsepteja. Esimerkiksi keväällä 2018 orientaatioprojektin teemana oli drone -lennokki, jolle tuli keksiä joku hyödyllinen käyttötarkoitus. Opiskelijat keksivät useita eri variaatiota dronen käyttöön, esim. ambulanssidrone, lääkekuljetusdrone, tavaroiden kuljetusdrone ja hälytysdrone.
D (design) vaiheessa opiskelijaryhmien tehtävänä on suunnitella valitun konseptin mukainen tuote. Suunnitteluvaihe sisältää tuotteen komponenttien ja kokoonpanon 3D-mallinnuksen SolidWorks-ohjelmalla, valmistuspiirustusten laatimisen, osaluettelon materiaalivalintoineen sekä valmistustoleranssien määrittelyt. Suunnittelussa opiskelijoiden tulee ottaa huomioon eri valmistusmenetelmien mahdollisuudet, rajoitteet ja valmistustoleranssit siten, että kappaleet ovat valmistettavissa ja lopputuote kokoonpantavissa.
I (implement) vaiheessa alkaa prototyyppien rakentaminen. Ensimmäisessä vaiheessa siirrytään valmistustekniikan laboratoriotiloihin valmistamaan suunniteltujen laitteiden komponentteja. Suuri osa valmistettavista kappaleista on mahdollista valmistaa 3D-tulostamalla, jolloin tiedostot tallennetaan SolidWorksistä STL-formaattiin tulostusta varten. Tulostuksessa opiskelijat käyttävät pääasiassa pursottavia filamenttitulostimia. Filamenttimateriaalina on yleisimmin käytössä PLA, sillä se on tulostettavuudeltaan helppoa eikä siitä aiheudu juurikaan hiukkaspäästöjä tai hajuhaittoja tulostuksen aikana.
Osien valmistuksen jälkeen opiskelijat kasaavat prototyypit ja siirtyvät sen jälkeen projektin viimeiseen vaiheeseen (O).
(O) operate on orientaatioprojektin viimeinen vaihe, jossa opiskelijat pääsevät testaamaan ja esittelemään valmiita prototyyppejänsä. Keväällä 2018 kaikkien ryhmien dronet saatiin lentämään.
Ensimmäisen vuoden jälkeen konealan opiskelijat pääsevät hyödyntämään 3D-tulostuksen osaamistaan seuraavan kerran 2. vuoden kevään tki-projekti -opintojakson myötä. Tässä opintojaksossa toteutetaan yrityksiltä tulevia tuotekehitysaiheita viemällä valtaosa uusista ideoista pienoismalleiksi, prototyypeiksi, mock-up malleiksi, jne.
Tähän opintojaksoon tulevat mukaan myös Savonian liiketalouden ja muotoilun opiskelijat ja he pääsevät työskentelemään monialaisissa projektiryhmissä koko kevään ajan. Kahden viimeisen vuoden ajan olemme vieneet kaikki 2. vuosikurssin opiskelijat Tampereen alihankintamessuille, jossa opiskelijoilla on ensimmäinen tki-projektin tehtävä: etsiä kevään projektin aiheita ja käydä vähintään viidellä osastolla tutustumassa teknologiateollisuuden alihankintatoimintoihin. Alihankintamessuilla alkaa vuosi vuodelta näkyä myös konkreettisemmin lisäävän valmistuksen ympärillä toimivia yrityksiä.
Konetekniikan kolmannen ja viimeisen vuoden aikana lisäävän valmistuksen osaaminen syvenee vielä joidenkin opintojaksojen (materiaalitekniikka 2, valmistettavuus, valmistusmenetelmät ja valinnainen AM-opintojakso) myötä. Tämän lisäksi opiskelijoilla on mahdollisuus suorittaa osa työharjoittelusta 3D-tulostuslaboratoriossa ja tehdä opinnäytetyö, jossa käsitellään 3d-tulostukseen liittyvää aihetta.
Tässä vaiheessa voidaan todeta, että lisäävä valmistus / 3D-tulostus on tullut jäädäkseen Savonian konetekniikan opetukseen ja tki-toimintaan. Tavoitteena on myös saada aiheeseen liittyvä opetus laajenemaan muille aloille Savoniassa, sillä tällä hetkellä ainoat 3D-tulostusta laajemmin opetuksessa hyödyntävät koulutusalat ovat muotoilu ja koneala. Tähän liittyvää pohjatyötä on tehty LIVA (Lisäävä Valmistus Pohjois-Savossa) hankkeessa valmistelemalla mm. vapaasti valittavia 3D-tulostuksen ”non-stop” –opetuskokonaisuuksia, jotka tulevat kaikkien Savonian opiskelijoiden ja täydennyskoulutuksen hyödynnettäviksi. Non-stop –termillä tarkoitetaan tässä yhteydessä sitä, että kurssit tulevat olemaan auki jatkuvasti, joten niitä voi suorittaa milloin tahansa. Pääosa kurssien teoriapuolesta suoritetaan moodle- ympäristön kautta, ja niihin liittyviä harjoitustöitä voi käydä suorittamassa Savonian 3D-tulostuslaboratoriossa itselle parhaiten sopivana ajankohtana.
Savonian 3D-tulostuslaboratorion osalta edessä on suuri askel eteenpäin vastikään käynnistyneen investointi & kehityshankkeen sekä lähivuosina tapahtuvan Savilahden kampukseen siirtymisen myötä. Tämän hetken suunnitelmien mukaan 3D-tulostuslaboratorio tullaan jakamaan kahteen osaan: yleisesti avoimena olevaan laboratoriotilaan sekä suljetumpaan, ns. ”tki” –puoleen, jossa laitteita pääsee käyttämään vain henkilökunnan opastuksella ja valvonnassa. Avoimeen käyttöön tuleva laboratoriotila saatetaan jopa sijoittaa uuden kampuksen ”sydämeen”, jolloin laboratoriotila on helposti saavutettavissa ja tekeminen näkyvää.
Vaikka laitteet jaetaankin fyysisesti kahteen tilaan, sijaitsevat ne kuitenkin saman kampuksen sisällä vain joidenkin minuuttien kävelymatkan päässä toisistaan. Taustalla on paitsi laitteiden ja materiaalien hankinta- ja käyttökustannukset myös oppilaitosympäristössä korostuva käyttöturvallisuustarve. Esimerkiksi metallin 3D-tulostuslaitteiden ja niiden materiaalien turvallinen käyttö vaatii tiettyjä pakollisia suojatoimenpiteitä, joten niiden sijoittaminen avoimeen ympäristöön ei tule olemaan mahdollista. Toisaalta taas valtaosa 3D-tulostuslaitteista on riittävän turvallisia ja helppokäyttöisiä, joten ne voivat olla opiskelijoiden käytössä kunhan laitteiden käyttökoulutus on suoritettu.
Anssi Suhonen
Konetekniikan Lehtori
Savonia-ammattikorkeakoulu
Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu
