Wohlers Report on yksi vuoden tärkeimmistä 3D-tulostukseen/lisäävään valmistukseen liittyvistä julkaisuista tarjoten ikkunan tämän uudehkon valmistusmenetelmän kehityskulkuun ja markkinatilanteeseen maailmassa.
Maaliskuussa julkaistu Wohlers Report 2021 oli vuorossaan jo 26 peräkkäinen numero ja siihen perehtyminen on suositeltavaa kaikille alasta kiinnostuneille. Kyseessä on yksi alan johtavista julkaisuista, joten muihin vastaaviin julkaisuihin verrattuna se on noin 700 euron hinnaltaan siedettävä – vaikkakin hinta rajoittaa kirjan leviämistä oppilaitoksissa eli juuri siellä missä siitä olisi eniten hyötyä.
Tämän vuoden raporttia on ollut kirjoittamassa 86 kirjoittajaa, markkinakatsauksessa on haastateltu 124 palveluntarjoajaa, 113 laitevalmistajaa ja 24 materiaalivalmistajaa. Lisätietoja: https://wohlersassociates.com/
Kyseessä on laadukas katsaus 3D-tulostuksen tilanteeseen edelliseltä vuodelta ja raportti sisältää runsaasti poimintoja eri 3D-tulostustoimijoilta ja tutkimuslaitoksilta. Mikäli raportin aiempia julkaisuja on joskus lukenut, tunnistaa selvästi, että sisällysluettelon rakenne pysyy samana vuodesta toiseen. Yleiskatsauksen lisäksi raportti sisältää runsaasti tietoa laitevalmistajiin, materiaaleihin ja trendeihin liittyen. Tässä blogikirjoituksessa esitellään raportin pohjalta lyhyt 3D-tulostuksen tilannekatsaus.
Tämän vuoden raportissa nousee luonnollisesti esille koronaviruksen vaikutukset 3D-tulostusmarkkinoihin. Huomionarvoista on, että globaalista haasteesta huolimatta 3D-tulostusteollisuus kasvoi 7.5%, ollen vuonna 2020 12.8 miljardia dollaria. Viimeisen neljän vuoden aikana 3D-tulostusmarkkinat ovat kasvaneet vuosittain yli 20 % joten viime vuonna kasvu oli selvästi aiempia vuosia pienempää.
3D-tulostuksen palveluntarjoajien markkinat kasvoivat viime vuonna 7.1% sellaisten palveluntarjoajien osalta, jotka eivät ole osa suurempia 3D-tulostuslaitteiden valmistajia. Eniten käytössä oli jauhepetitekniikkaan perustuvia 3D-tulostuslaitteita (HP Multi Jet Fusion sekä EOS lasersintraus) mutta stereolitografiaan perustuvia valokovetuslaitteita oli käytössä lähes saman verran. Tulevista laiteinvestoinneista kysyttäessä suurimmalla osalla palveluntarjoajista oli toiveissa HP MJF-tekniikkaan perustuvat laitteet mutta EOSin lasersintraukseen perustuvat muovi- ja metallitulostimet nousivat seuraaville sijoille. Vastauksista voidaan päätellä, että muovin 3D-tulostuksessa HP:n Multi Jet Fusion –tekniikkaan perustuvat laitteet ovat nopeasti vakiinnuttaneet asemansa jauhepetitekniikkaan perustuvien laitteiden markkinoilla.
3D-tulostusvalmistajien osalta viime vuonna tapahtui muutamia tunnetumpia yritysostoja – ProtoLabs osti 3DHubsin, joka on tunnettu online-tuotantofoorumi tarjoten yrityksille mahdollisuuden maailmanlaajuiseen valmistusverkostoon. Desktop Metal puolestaan hankki omistukseensa EnvisionTecin, jonka myötä yritys sai haltuunsa mm. valokovetukseen perustuvaa muovin 3D-tulostusteknologiaa. Desktop Metal onkin kertonut hankinnan yhteydessä haluavansa 3D-tulostuksen avulla mukaan medikaali/dentaalipuolen noin 85 miljardin dollarin implanttimarkkinoille.
3D-tulostuksen käyttökohteet 2020
Wohlers Reportissa on perinteisesti ollut kaksi erityisen mielenkiintoista taulukkoa: 3D-tulostuspalvelujen käyttökohteet sekä 3D-tulostuspalveluja käyttävien yritysten toimialat. Tämän vuoden tilastoihin vastanneista 124 palveluntarjoajasta noin 35% oli Yhdysvalloista, 38 % Euroopasta ja loput muualta maailmasta. Käyttökohteiden kuvaajaa katsoessa eri käyttökohteiden väliset osuudet näyttävät säilyneen samankaltaisina kuin edellisenäkin vuotena.
Lopputuotteiden osuudessa on yllättävän vähän nousua ottaen huomioon sen, miten moni korona-aikana esillä olleista yrityksistä mainitsi löytäneensä uusia käyttökohteita 3D-tulostukselle. Tähän tosin vaikuttaa se, että kuvaajassa näkyvät vain haastateltujen kaupallisten palveluntarjoajien tarjoamat tiedot, ei yritysten omien tulostuslaitteiden tai tulostusyksiköiden osuuksia.
Lopputuotteiden valmistus on tällä hetkellä nopeimmin kasvava ja suurin 3D-tulostuksen käyttökohde. Lopputuotteilla tarkoitetaan osia, jotka on valmistettu loppuasiakkaalle suoraan käyttöä varten.
Toiminnalliset prototyypit ovat yleensä suunnittelun käyttämiä testauskappaleita joiden avulla varmistetaan tuotantoa varten muodon sopivuus, kokoonpantavuus ja toiminnallisuus. Niitä käytetään tuotesuunnittelun validointiin, sopivien toleranssien määrittämiseen ja mittavirheiden havaitsemiseen ennen tuotannon käynnistämistä. 3D-tulostuksen hyödyntäminen tässä käyttötarkoituksessa on havaittu kustannustehokkaaksi ja nopeaksi tavaksi.
Kosmeettisilla malleilla tarkoitetaan visuaalisia malleja, esittelymalleja, arkkitehtuurisia malleja, suunnittelumalleja. Tämän kategorian alla ovat esimerkiksi sairaalakäytössä valmistettavat anatomiset mallit joita käytetään leikkaussuunnittelussa.
Muottien ja muottityökalujen valmistuksessa 3D-tulostusta hyödynnetään niin mallikappaleiden, keernojen kuin suoraan muottienkin valmistuksessa. Muotteja valmistetaan 3D-tulostamalla niin muovista, metallista kuin hiekastakin. Esimerkiksi metallitulostus mahdollistaa monimutkaistenkin jäähdytyskanavien valmistamisen muotin sisälle.
Jigit/kiinnikkeet ja muut vastaavat työkalut ovat edelleenkin 3D-tulostukselle erinomainen käyttökohde ja yleensä edullinen tapa yritykselle lähteä tutustumaan 3D-tulostuksen hyötyihin. Tyypillisesti niiden valmistusmäärät ovat pieniä ja valmistus perinteisillä valmistusmenetelmillä hidasta ja/tai kallista. Erityisesti lääketieteen puolella erilaiset potilaskohtaisesti räätälöidyt leikkaus- ja porausohjurit ovat 3D-tulostukselle hyvin soveltuvia käyttökohteita, sillä ne ovat pinnanmuodoltaan orgaanisia ja valmistetaan yleensä suoraan potilaan CT-kuvien perusteella.
3D-tulostuspalvelujen käyttäjät 2020
Seuraavassa kuvaajassa on esitetty 3D-tulostuspalveluja käyttävien yritysten toimialat, jota tarkastellessa on hyvä muistaa viimeisen vuoden tilanne, sillä käyttäjäkunnassa on tapahtunut joitakin muutoksia “normaalitilanteeseen” verrattuna.
Ajoneuvoteollisuus on viimeisimmän raportin perusteella noussut suurimmaksi 3D-tulostuspalveluja hyödyntäväksi toimialaksi. Alalla on hyödynnetty 3D-tulostusta jo pidempäänkin ja se oli jo viime vuodenkin tilastoissa hyvin lähellä ensimmäistä sijaa, joten nousu suurimmaksi ei ole yllätys. 3D-tulostusta hyödynnetään ajoneuvoteollisuudessa laajasti mm. suunnittelun validointiin, sopivuus ja toimintatestauksessa ja työkaluvalmistus. 3D-tulostuksen käyttö lopputuotteissa on edennyt edelleenkin hitaasti ja sitä käytetään toistaiseksi pääosin pienen tuotantomäärän osissa. Edistystä on kuitenkin tapahtunut myös lopputuotteiden valmistuksen osalta ja 3D-tulostettuja lopputuotteita ovat esitelleet mm. BMW, Bugatti ja GM. Hyvänä esimerkkinä edellisistä on BMW, joka on valmistanut vuodesta 2020 alkaen yli 300.000 sarjatuotanto-osaa 3D-tulostamalla. Valmistettuja osia ovat mm. rattivaihteiden ja ohjauspyörän osat Mini Cooper -sarjan autoissa.
Avaruus- ja ilmailualan käyttökohteet ovat usein esimerkkeinä, kun 3D-tulostuksen hyödyistä halutaan esitellä edustavia esimerkkejä. Pienelläkin painonvähennyksellä on tämän alan käyttökohteissa suuri merkitys ja esimerkiksi Boeing on kouluttanut tuhansia insinöörejä 3D-tulostuksen käyttöön. Yritys mainostaa käyttävänsä koneissaan yli 70.000 3D-tulostettua muovi- tai metalliosaa. Myöskään muille avaruus- ja ilmailualan toimijoille 3D-tulostus ei ole vierasta ja sitä hyödynnetäänkin alalla runsaasti niin tutkimus- ja tuotekehityksessä, työkaluvalmistuksessa kuin lopputuotteidenkin valmistuksessa.
Medikaalipuolen toiminta on säilynyt yhtenä vahvana 3D-tulostuksen käyttöalueena jo pitkään. Lääketieteen käyttökohteissa potilaskohtaisesti räätälöidyt käyttökohteet (mm. poraus/leikkausohjurit, anatomiset mallit, jne.) tehostavat ja parantavat hoitoprosessia säästäen samalla operatiivisen toiminnan kustannuksia. Hammaslääketieteen puolella 3D-tulostus on suorastaan menestystarina, sillä käyttökohteita on vuosien varrella löytynyt runsaasti ja käyttäjien määrä lisääntyy nopealla vauhdilla. Hammaspuolen käyttökohteista puhuessa esille nousee usein Align Technology, joka valmistaa tunnettuja Invisalign –hammasohjureita 3D-tulostusta hyödyntämällä. Yritys on ilmoittanut vuoden 2021 alussa valmistavansa 550.000-600.000 ohjuria päivässä eli noin 200 miljoona kappaletta vuodessa! Se ei ole myöskään asialla yksin sillä sen suhteellisen tuore kilpailija, SmileDirectClub, valmistaa yli 50.000 hammasmuottia päivässä joka sekin tarkoittaa yli 18 miljoonaa 3D-tulostetta vuodessa.
Kuluttajatuotteiden kategoria sisältää laajan tuotevalikoiman kännyköistä kotielektroniikkaan, keittiölaitteisiin, työkaluihin, vaatteisiin, koruihin ja leluihin. Tällä puolella 3D-tulostusta hyödynnetään erityisesti tuotekehityksen suunnittelussa, alhaisten tuotantomäärien osissa ja massaräätälöinnissä. Esimerkkinä tällaisesta on asiakaskohtaisesti räätälöidyt kenkien sisä/tukipohjalliset joihin tarjolla on useilta valmistajilta digitaalisia ratkaisuja ja 3D-tulostusta.
Akateemiset instituutiot ovat tämän vuoden tilastoissa suurin nousija kasvattaen osuuttaan lähes kymmenellä prosentilla viime vuodesta. Nousun taustalla on koronavirus, joka vaikutti hyvinkin negatiivisesti teollisen puolen toimialoihin mutta ei yhtä voimakkaasti tutkimuslaitosten ja korkeakoulujen toimintaan. Palvelutarjonnan hyödyntämisen lisäksi oppilaitoksilla ja koulutusorganisaatioilla on käytössään pöytätason 3D-tulostimia joita käytetään jonkin verran opetuksessa. Toistaiseksi 3D-tulostuksen leviäminen koulutusorganisaatioihin on kuitenkin vielä hajanaista eikä kovin yhtenäistä opetuskäytäntöä ole vielä käytössä missään päin maailmaa. Useissa maissa on kuitenkin parhaillaan menossa hankkeita joissa 3D-tulostusta pyritään integroimaan osaksi opetusta laajemmalla skaalalla.
Tulevaisuuden näkymiä
3D-tulostuksen tulevaisuudesta raportissa nostetaan esille mm. seuraavia asioita.
COVID-19 vaikutti merkittävästi myös 3D-tulostusvalmistajien ja palveluntarjoajien toimintaan. Monet yritykset joutuvat sopeuttamaan toimintaansa – joukossa oli myös niitä, jotka joutuivat lopettamaan toimintansa kokonaan. Esimerkiksi maailman suurin 3D-tulostustoimija Stratasys vähensi viime kesänä 10% henkilöstöstään.Toisaalta uutiset eivät 3D-tulostuksen osalta pelkästään synkkiä ja osalla toimijoista toiminta kasvoi. 3D-tulostuksen mahdollisuudet toimitusketjujen toiminnan tehostamiseen nousivat näkyvästi esille perinteisen valmistusverkoston toimitushankaluuksien myötä.
Esimerkiksi BAE Systems ilmoitti toimittajaverkostolleen, että se aikoo valmistaa 30% uuden Tempest hävittäjän osista 3D-tulostamalla. Tämä edellyttää yritykseltä ja sen toimittajaverkostolta radikaalia muutosta osien suunnitteluprosessissa. BAE Systems on yksi Suomen hävittäjähankinnasta kiinnostuneita tahoja. Yritys tarjoaa Suomelle Eurofighter –monitoimihävittäjää, ja lehtitietojen mukaan tarjolla on myös yhteistyömahdollisuuksia edellä mainitussa Tempest –hävittäjäohjelmassa.
Rakennusteollisuus on heräämässä 3D-tulostuksen mahdollisuuksiin. Betonin 3D-tulostus nousee raportissa esille useiden eri maiden, yritysten ja tutkimuslaitosten kiinnostuksen kohteena. 3D-tulostuksen hyödyntäminen rakennusteollisuudessa voidaan jakaa kolmeen osaan tulostusprosessin kokoluokan mukaan:
- Suurimmassa kokoluokassa betonin 3D-tulostusta käytetään suoraan rakennusten tai niiden osien valmistukseen. Näiltä osin sovelluskohteissa ollaan vielä tutkimusvaiheessa, vaikkakin kiinnostuksen määrä kasvaa vuosi vuodelta. Meneillään olevat betonin 3D-tulostusprojektit myös saavat kokoluokkansa johdosta runsaasti julkisuutta jonka perusteella voisi kuvitella menetelmän olevan lähes tuotantovalmis, vaikka tämä ei vielä pidä täysin paikkaansa. Teknisten haasteiden lisäksi hidasteena ovat mm. lain asettamat rakennusmääräykset ja niiden tulkinta.
- Keskikokoluokassa 3D-tulostusta käytetään pienempien moduulien, osien, muottien, sisustuselementtien jne. valmistukseen. Käyttökohteiden osalta tässäkin kokoluokassa ollaan vielä kehitysvaiheessa eikä voida puhua vielä valmistusmenetelmän laajamittaisesta hyödyntämisestä vaikka soveltuvia käyttökohteita jo löytyykin.
- Pienimmässä kokoluokassa valmistetaan 3D-tulostettuja pienoismalleja ja tältä osin 3D-tulostuksen hyödyntäminen on jo laajasti käytössä. Pienoismallien kokoluokka on yleensä alle 0.5x1m ja käytössä on useita eri valmistusmenetelmiä.
3D-tulostettu ruoka on muutamien vuosien tauon jälkeen nousemassa taas esille tulevaisuuden käyttökohteena. 3D-tulostuksen käyttö ruuan valmistuksessa tarjoaisi mahdollisuuksia asiakasräätälöityjen annosten valmistamiseen, esimerkiksi ravintoarvojen, maun, ja ruuan tekstuurin osalta. Tällä hetkellä valtaosa ruokatulostimista käyttää tekniikkana materiaalin pursotusta ja toistaiseksi ruuan 3D-tulostus on vielä kehitysasteella. Aiheeseen liittyen hollannissa on käynnistetty Digital Food Processing Initiative DFPI (https://www.digitalfoodprocessing.com/en/digitalfoodprocessing.htm).
Antti Alonen
tki-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu