3D-skannaus osa 1/2: 3D-skannaus valmistavan teollisuuden työkaluna

Tässä kirjoituksessa kerrotaan 3D-skannauksen toimintaperiaatteesta ja esitellään sen käyttöä valmistavan teollisuuden mittatyökaluna. Myöhemmin julkaistavassa toisessa osassa kerrotaan 3D-skannauksen hyödyntämisestä 3D-tulostetun kappaleen valmistuksessa.

Valmistavassa teollisuudessa yksi merkittävä tekijä on osien mittatarkkuus ja valmistuksen tolerointi. Eri valmistusmenetelmistä koituu eri tavalla poikkeamia tuotteeseen. Suurimpia mittapoikkeamia aiheuttavat epätasaisesti lämpöä kappaleeseen tuovat valmistusmenetelmät, kuten termiset leikkaustavat, tai hitsaaminen. Kun metallikappaleeseen tuodaan lämpöä epätasaisesti, sen epätasainen lämpölaajeneminen kasvattaa sisäisiä jännityksiä, jotka aiheuttavat taipumista metallikappaleessa. Jäähtyessään kappale palaa lähelle alkuperäisiä mittojansa, mutta hitsattu levy ei enää palaa suoraksi. Levyä voidaan oikoa, mutta rakenteisiin hitsattuja levyjä on vähän hankalampi muovata enää.

Jokaiseen valmistusmenetelmään (liittävä, poistava, muovaava, lisäävä) saadaan hukattua toleransseja, siitä ei pääse mihinkään. Mikään valmistusmenetelmä ei takaa sitä, että valmistettu tuote, tai sen osa olisi juuri vastaavissa mitoissa, kuin piirretty cad-malli. Nykyaikaisilla menetelmillä ja laitteilla tiukimpiin toleranssivaatimuksiin voidaan päästä, mutta jollain nekin vaaditut mitat täytyy laatukriteerien niin sanellessa varmentaa. 3D-skannaus on yksi nopeasti yleistyvistä keinoista mittatoleranssien varmentamiseen.

Savonialla on käytössä Creaform Handyscan 700, jossa kappaleeseen heijastetaan strukturoitu viivakuvio laservalolla. Heijastettu kuvio kuvataan kahdella erillään olevalla kameralla ja kuvauksen perusteella skannausohjelmisto luo kuvattavasta kohteesta pistepilven tai suoraan pintamallin. Handyscan skanneri on käsikäyttöinen, eli sitä voidaan liikuttaa vapaasti kädessä ja ”maalata” kuvattava kohde.

Handyscan skannerin minimi mittapisteväli on 0.2 mm. Pisteverkon resoluutio voidaan säätää ohjelmallisesti 0.2mm – 10 mm väliltä. Skannerin mittatarkkuus on 0.030 mm ja tilavuustarkkuus 0.020 mm + 0.060 mm/m. Seuraavassa esimerkissä kuvataan skannausprosessi Creaform Handyscania käyttäen.

Kuva 1. HandyScan 700 on kompakti, käsikäyttöinen laserskanneri. Kuva: Joni Andersin, 2018.

Skannausprosessissa Handyscan ottaa noin ½ miljoonaa mittausta sekunnissa ja laskee niistä skannausdataa jatkuvasti. 3D-skannauksen laskennassa tarvitaan aina joitain mittauksia yhdistäviä piirteitä, kuten heijastavia tarroja tai kappaleen muotoja (reunat, reiät, kaarevuus, yms).

Paikoitustarroja tarvitaan skannausprosessissa perättäisten skannausdatojen yhdistämiseen 3-uloitteisessa avaruudessa. Jos kappaletta ei pystytä skannaamaan yhdellä kertaa, vaan esimerkiksi kappaletta on käännettävä välillä, paikoitustarrat voivat auttaa siirtymään kappaleen toiselle puolelle. Joskus siirtyminen puolelta toiselle ei onnistu paikoitustarrojen avulla, vaan silloin skannausdatoissa tulee olla riittävästi päällekkäisyyttä toisten skannausdatojen kanssa, jotta erilliset skannaukset saadaan yhdistettyä toisiinsa esimerkiksi kappaleen muotojen perusteella.

Tarroja voi liimata tai materiaalista riippuen, ripustaa paikoilleen myös magneettien avulla. Tarroissa itsessään vaan piilee (työmäärän lisäksi) pieni haaste, kuten tarrojen liima. Tarrasta voi jäädä liimajäämiä kappaleen pintaan, mikä voi aiheuttaa päänvaivaa, mikäli kyseinen kohta pitäisi puhdistaa tai maalata tai maalatulla pinnalla kohta jäisi selkeästi näkyville.

Kalibrointi

Kappaleen skannaus alkaa skannerin kalibroinnista, joka on hyvä tehdä päivittäin. Handyscan skannerissa kalibrointi on todella helppo ja yksinkertainen työ. Kalibrointiin kuluu aikaa noin minuutin verran. Kalibroinnissa skanneria liikutetaan kalibrointilevyn yläpuolella, josta skanneri varmistaa mittatarkkuutensa.

Puhdistus

Skannattava kappale tulee puhdistaa liasta, esimerkiksi rasvajäämistä ja pölystä. Paremman mittatarkkuuden lisäksi myös paikoitustarrat pysyvät paremmin kiinni puhtaalla pinnalla.

Paikoitustarrojen sijoittelu

Paikoitustarrat tulee sijoittaa kappaleeseen satunnaisesti, siten että skannerin kamerat näkevät mistä tahansa kuvakulmasta vähintään 4 tarraa noin A4 kokoisella alueella.

Kuva 2. HandyScan 700 hyödyntää paikoituksessa heijastavia tarroja. Kuva: Joni Andersin, 2018.

Ennen skannausta paikoitustarrat on hyvä kuvata ja tehdä paikoitusmallin laskennallinen optimointi, jotta itse skannaus voidaan tehdä halutussa järjestyksessä.

Skannaus

Joskus skannausvaihe on nopein ja helpoin työ. Tässäkin täytyy olla kuitenkin sen verran tarkkana, että tietää mitä alueita halutaan skannata ja huolehtia, että ne kohdat tulevat skannatuksi kokonaan ja tarkasti. Skannaus kannattaa aloittaa kuvaamalla koko kappale karkeasti, jonka jälkeen esimerkiksi paikoituskohdat kuvataan täydellisesti.

Jos skannattuun malliin jää puutteita, voidaan mallia muokata ja korjata kohtuullisen helposti. Korjattu malli ei enää vastaa alkuperäistä, joten lopputulokseen ei kuitenkaan voi enää luottaa, mikäli esimerkiksi kohdistus CAD-malliin klikataan softalla paikatusta reiästä.

Skannauksen jälkeen mallia voi siis käsitellä, mutta mittaamistarkoituksessa siitä ei ole mitään hyötyä. Jos mallista halutaan esimerkiksi tulostaa vastaava kappale, sen tulee olla ns. vesitiivis ja malli tulee korjata.

Suurimpia hankaluuksia skannauksessa aiheuttavat kappaleen todella heijastavat tai erittäin paljon valoa syövät tummat pinnat, syvät taskut ja ohutlevyjen reunat. Esimerkiksi peilikiiltävä rosteri heijastaa lasersäteen liian voimakkaasti, aiheuttaen ylimääräisiä piirteitä (valekuvia) mallin ympärille. Toisaalta tummat pinnat vaativat skannerin suljinajan pidentämistä, joka voi aiheuttaa ylimääräisiä ”roskia” avaruuteen. Skannauksessa molempien kuvaavien kameroiden on nähtävä kuvattava kohde, joten syvälle ulottuvat piirteet eivät edes yllä skannausalueelle. Lisäksi laservaloa käyttävässä skannerissa punaiset pinnat syövät valon, eikä niistä saada mittadataa.

Jatkokäsittelyä varten skannattu malli tallennetaan STL-pintamalliformaattiin.

Mittaus

Mittausohjelmistoja on erilaisia. Toiset ovat varta vasten hommaan suunniteltuja ja toisilla samaan työhön menee vähintään kaksinkertainen aika hyvään ohjelmistoon verrattuna.

Savonialle toukokuussa hankittu ”InnovMetric Polyworks Inspector”- mittausohjelmisto on osoittautunut todella nopeaksi ja joustavaksi sovellukseksi Handyscanin rinnalle. Skannerin mukana tulleeseen VX Inspect –mittausohjelmaan verrattuna työaika ja –määrä on nyt jopa puolittunut.

Kuva 3. Kuvakaappaus Polyworks -mittausohjelmistosta

Mittaustyö alkaa tuomalla mittausohjelmaan CAD-malli, sekä skannauksesta saatu pintamalli (tai pintamalleja), jonka jälkeen pintamalli(t) kohdistetaan CAD-mallin mukaiseen asentoon. Käytetty CAD-malli on yleisesti STEP- tai IGS- tiedostoformaatissa.

Kaikki ei tässäkään asiassa käy aivan käden käänteessä, vaan mittaustyön luonne ja työmäärä voi olla mitä tahansa suklaansyönnin ja 300 kilon penkkipunnerruksen väliltä. Osittain työmäärä riippuu siitä, miten hyvin mitattavat kohdat on saatu kuvattua skannausvaiheessa. Koko mittausprosessi koostuu useasta eri työvaiheesta, mm. mallin kohdistus, piirteiden sekä mittapiirteiden luominen ja niiden toleranssiarvojen määrittely sekä luotujen piirteiden mittaus.

Koska valmistetun kappaleen ja CAD mallin välillä on aina eroja, tulee kohdistusvaiheessa olla tiedossa millainen kohdistuksen pitäisi olla lopullisessa mittausraportissa, jotta siitä olisi hyötyä esimerkiksi valmistusvaiheessa olevien jigien korjaamisessa. Kohdistus voidaan tehdä usealla eri tavalla, esimerkiksi peruspiirteiden (Datum feature)-,  piirteiden-, n-pisteen tai pinnan mukaisesti parhaalla sovituksella.

Kun kohdistus on tehty, aletaan projektiin luomaan mittausten vaatimia piirteitä ja mittapiirteitä. Mittapiirteille määritellään mitattavat suunnat sekä sallitut toleranssiarvot jokaiselle mittaukselle, CAD-mallia ja mahdollisia muita tietoja avuksi käyttäen. Mittauksille saadaan nominaalimitat CAD-mallista, todelliset mitat skannatusta mallista, mittavirhe mallien väliltä, sekä sallitun toleranssin ylittämä arvo määriteltyjen toleranssien perusteella.

Tyypillisesti mallista tarkastetaan geometrisia toleransseja, kuten tasomaisuutta, samankeskisyyttä, tai yhdensuuntaisuutta. Mallista voidaan tarkastaa myös esimerkiksi reikien etäisyys toisistaan, tai vaikka sylinterin todellinen halkaisija ja sijaintipoikkeama alkuperäisen mallin koordinaattiakselien suuntaan.

CAD –mallia ei kuitenkaan aina tarvita. Joskus eteen tulee myös tarve selvittää käsin valmistetun esineen, tai tuotteen dimensioita, joita olisi muuten mahdoton tulkita työntö- ja rullamitan kanssa.

Raportointi

Jotta mittausohjelmasta saadaan ulos halutunlainen raportti, vaatii sekin jonkin verran työtä. Yleisesti malli käännetään kuvaruudulla haluttuun asentoon, jonka jälkeen mallin rinnalle määritellään ja sijoitellaan tietoikkunat raportoitavista piirteistä. Tällaisia ovat esimerkiksi tiedot mallin kohdistuksesta sekä mitattavista piirteistä.

Kun näkymä kuvaruudulla on säädetty halutunlaiseksi, otetaan ruudusta kuvakaappaus raporttiin. Lisäksi kuvan rinnalle lisätään taulukkomuotoinen data kuvaan liittyvistä piirteistä ja/tai mittauksista.

Raporttiin saadaan taulukkomuotoisena datana esimerkiksi kohteen nominaali- ja mitatut arvot (määritellyissä X, Y, Z –koordinaattiakseleiden suunnissa, tai lyhyintä reittiä kulkeva 3D-mitta) sekä tulosten erotus ja poikkeama annettuun toleranssiin.

Raportti sisältää usein myös väärävärikuvan kappaleesta, jossa toleranssin sisällä olevat kohdat näytetään yhdellä värillä esimerkiksi vihreänä ja poikkeamat sitä punaisempana (+) tai sinisempänä (-) mitä kauempana kyseinen kohta skannatussa mallissa on verrattuna CAD-malliin. Väärävärikuva voi myös kuvata esimerkiksi kappaleen poikkileikkausta.

Kuva 4. Kuvakaappaus Polyworks –mittausohjelmistosta, väärävärikuvat.

Valmistussarjan mittaus

Kun mittaraportti on kertaalleen luotu Polyworks mittausohjelmistossa, voidaan siihen tuoda uusi skannausdata saman sarjan toisesta tuotteesta ja ohjelmisto luo koko mittausprosessin alusta loppuun automaattisesti. Tällöin voidaan verrata saman sarjan eri kappaleita helposti toisiinsa ja nähdä esimerkiksi poikkeamat valmistuksessa. Vaatimuksena automaattisen prosessin onnistumiselle on se, että myös seuraavat kappaleet on skannattu huolellisesti ensimmäisessä kappaleessa käytetyistä piirre ja mittauskohdista.

 

Joni Andersin
Projekti-insinööri
Savonia-ammattikorkeakoulu

Lauri Alonen
Projekti-insinööri
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

Lisäävä valmistus suurennuslasin alla Pohjois-Savossa

Lisäävän valmistuksen tilannetta kartoitettiin Pohjois-Savossa vuonna 2016 ja nyt 2018 aiheesta tehtiin seurantakysely Pohjois-Savon liiton rahoittamassa Lisäävä Valmistus Pohjois-Savossa (LIVA) -hankkeessa. Kysely toteutettiin samalle kohderyhmälle ja osittain vastaajatkin ovat samoja. Täysin vertailukelpoista vastauksista ei saa, sillä itse kysymyksiäkin vähennettiin ja joihinkin kysymyksiin tehtiin muutoksia. Vastauksista voi kuitenkin tulkita tiettyjen asioiden muutoksia.

Seurantakysely lähetettiin vajaalle 300 yritysjohtajalle ja vastauksia perättiin matalan vastausprosentin takia vielä kevään 2018 aikana puhelimitse. Vastauksia saatiin kokoon 51. Vastaajat edustavat ensisijaisesti pieniä ja keskisuuria teollisuusyrityksiä eri puolelta Pohjois-Savoa. Tältä osin vastaajajoukko edustaa hyvin aluetta.

Kuva 1. Yritysten kiinnostus/kokemus 3D tulostuksesta vuonna 2016 ja 2018

Ilmapuntarina lisäävän valmistuksen yleistymisessä Pohjois-Savossa voi käyttää kyselyn kysymystä kokemuksesta ja kiinnostuksesta lisäävään valmistukseen ja sen teknologioihin. Tähän kyselyyn (2018) vastanneista jo noin 55%:lla (n=51) oli kokemusta tai ainakin kiinnostus lisäävään valmistukseen. Tätä lukua voi verrata edellisen kyselyn (2016) vastauksiin lisäävän valmistuksen liittymisestä vastaajayrityksen toimintaan, joka paljasti tuolloin, ettei lisäävä valmistus liittynyt omaan toimintaan mitenkään 73%:lla vastaajayrityksistä (n=53). Joko asenne tai toiminta on tarkastelujaksolla siis jonkin verran muuttunut.

Tärkein syy lisäävän valmistuksen käyttämättömyyteen tai kiinnostuksen puutteeseen oli edelleen se, etteivät vastaajat tienneet, miten hyödyntää lisäävän valmistuksen teknologiaa ja menetelmiä. Näin ilmaisi yli puolet vastaajista. Toiselle sijalle nousivat tiedon puute ja investoinnin kannattavuuden epävarmuus. Tärkeimmän syyn ero edelliseen kyselyyn verrattuna ei ollut merkittävä. Investoinnin kannattavuuden epävarmuus oli syynä jo laskenut jonkin verran ja toiseksi oli noussut syynä tiedon puute edelliseen kyselyyn verrattuna.

Yritysten tavoitteissa tai panostuksissa on tapahtumassa muutos, sillä yrityksissä lisäävää valmistusta hyödynnetään ensisijaisesti nykyisen tuotteen parantamisessa ja liiketoiminnan tehokkuuden lisäämisessä sen sijaan, että mielessä olisi lisäarvon tuottaminen asiakkaalle. Kasvuun ja tuotannon parantamiseen ei lisäävää valmistusta niinkään käytetä. Panostuksissa oli selkeä muutos edelliseen kyselyyn verrattuna

Lisäävän valmistuksen yksi kivijalka, 3D-mallinnus, oli edelleen tuttua yrityksissä, vaikka se liittyikin vielä pääosin nykyisten tuotteiden ja tuotantomenetelmien käyttöön. Tähän ei tullut merkittävää muutosta edelliseen kyselyyn verrattuna. Sitä, kuinka paljon 3D-mallinnusta uusien ratkaisujen ja erilaisten kappaleiden skannausta hyödynnetään, vaatii lisäselvitystä.

Kokeiluja tulostuslaitteilla ja tulostuspalveluilla oli tehnyt jo lähes puolet vastanneista yrityksistä mutta uusien tuotteiden optimointi ja eri tulostusmateriaalien käyttö oli selvästi vähäisempää.

Kuinka paljon yrityksillä on jo kokemusta ja osaamista lisäävästä valmistuksesta?

Tilannetta kuvaa hyvin, että yrityksissä työntekijät ovat aika yleisesti tutustuneet 3D-tulostukseen tai ovat tehneet yksittäisiä kokeiluja tuotekehityksessä. Vain harvalla vastanneista yrityksistä kokemus oli edennyt asiakkaille asti esimerkiksi lisäarvon testaamisen muodossa. Tuotantoon asti lisäävä valmistus oli edennyt  alle 6%:lla kaikista vastanneista. Kokemusta lisäävästä valmistuksesta kuvannee hyvin koko kysymyksen keskiarvo, joka jäi yhteen ( 1 ) asteikolla 0 – 3. Eli työtä tiedon ja ymmärtämisen lisäämiseksi riittää.

Milloin sitten yritykset ovat ottamassa lisäävän valmistuksen teknologiaa käyttöön?

Vastausten perusteella käyttöönoton aikataulu ei ole kovin nopea. Vastanneet yritykset ovat ottamassa lisäävää valmistusta jossain mittakaavassa viimeistään viiden vuoden kuluessa.

Yrityksillä on varmasti kaikenlaisia tarpeita lisäävän valmistuksen hyödyntämiseen liittyen. Näistä nousi selkeimmin esille kokeilujen tekemisen tarve (ka.  3.4/ 5 ). Vähiten tarvetta oli pilotoinnille omassa toiminnassa, johon siihenkin on selkeästi tarvetta ((2,8 /5).

Tarpeet ovat hieman muuttuneet edellisestä kyselystä, jossa hyödyntäminen tuotekehityksessä (24/28 ) oli aika yleistä ja aika moni olisi voinut ottaa lisäävän valmistuksen tuotannon avuksi 17/28  tai jopa tuotantoon.

Lähes kaikki vastanneet yritykset olivat teollisuuden yrityksiä. Vastaajayritysten kokoluokka oli keskimäärin liikevaihdolla mitattuna n. 18 m€, joista yli 50 m€ liikevaihdon yrityksiä vain viisi. Henkilöstömäärän keskiarvo oli 100, eli vastaajayritykset eivät olleet aivan pieniä yrityksiä.

Onko Pohjois-Savo sitten jäljessä muun maailman kehityksestä lisäävän valmistuksen hyödyntämisessä?

Eri kyselyissä nousee esiin erityisesti kiinnostuksen ja kokeilujen kasvu metallitulostuksen osalta muualla maailmassa. Tähän viittaa myös maailmanlaajuisesti metallin 3D-tulostuslaitteiden merkittävä myyntikasvu, 80% edelliseen vuoteen verrattuna (Wohler’s Report 2018). Tällä alueella Suomi ja Pohjois-Savo ovat vasta heräämässä kokeiluihin. Metallitulostus vaatii enemmän tutkimukselta ja kehittämiseltä kuin muut materiaalit ja on investointinakin vaativampi. Metallitulostuksen kiinnostuksen selvittäminen vaatisi tarkennettua ja kohdennettua tutkimista erikseen.

Maailmalta löytyy jo runsaasti esimerkkejä siitä, että yritykset ovat löytämässä lisäävän valmistuksen hyödyt myös koko omaa liiketoimintaa muuttavissa tapauksissa.

Kuva 2. Esimerkki lisäävän valmistuksen käytöstä alumiinikappaleiden sarjatuotannossa, Lähde: Formnext 2017

 

Risto Kiuru
Lehtori, Liiketalous, TKI
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

 

Muotit ja 3D-tulostus

Savonian LIVA (Lisäävä Valmistus Pohjois-Savossa) –hankkeen aikana on tutkittu ja kokeiltu valumuottien tekoa useille eri materiaalille ja eri käyttötarkoitusten yhteydessä. Betoniin liittyvästä tutkimuksesta kirjoitettiinkin aiemmassa blogikirjoituksessa (https://blogi.savonia.fi/3dtulostus/2018/06/07/3d-tulostettujen-betonivalumuottien-testaus-ja-tulokset/).

Muottien 3D-tulostusta pienempiin käyttökohteisiin tutkittiin hankkeessa kolmella eri menetelmällä: jauhepetitekniikka (Powder bed Fusion), materiaalin pursotus (Material Extrusion) sekä nesteen fotopolymerisointi (Vat photopolymerization). Muotin valmistuksessa käytettävä 3D-tulostusmenetelmä valitaan yleensä muotin koon sekä tarkkuuden perusteella. Yleisesti ottaen menetelmien tarkkuus ja tulostusalueen koko kulkee seuraavasti, alkaen pienimmästä ja tulostusjäljeltään tarkimmasta: nesteen fotopolymerisointi, jauhepetitekniikka, materiaalin pursotus.

Nesteen fotopolymerisointi mahdollistaa pienet ja tarkat yksityiskohdat ja sitä käytetäänkin yleisesti mm. korumuottien valmistuksessa. Jauhepetitekniikan etuna on useiden ”pienestä keskikokoiseen” kokoluokan kappaleiden tulostus kerralla ilman tukirakenteiden tarvetta ja pursottavan menetelmän etuna puolestaan suurien kappaleiden valmistus. (Suuria kappaleita voi valmistaa muottikäyttöön myös sidosaineen ruiskutukseen perustuvalla hiekkatulostuksella, mutta kyseisiä laitteita on harvassa, Suomessa vain yksi kappale Hetitec Oy:llä.)

Pienemmän kokoluokan muotinvalmistusta kokeiltiin sekä silikonisille tuotteille että silikonisille muoteille, joita käytettiin kipsivalujen valmistuksessa. 3D-tulostuksen hyödyntäminen sekä suoraan osien valmistuksessa että muottien valmistamisessa mahdollistaa monimutkaistenkin rakenteiden valmistamisen edullisesti. Kipsivalut on hyvä tehdä elastiseen materiaaliin koska kipsi kovettuessaan tarrautuu lujasti kiinni kovaan muottimateriaaliin. 3D-tulostusmateriaalia löytyy myös joustavana, mutta silikonista valettu muotti on helppo valmistaa ja antaa pienissäkin kuvioinneissa hyvän toiston valuihin.

Seuraavaksi esitellään lyhyesti muutamia käytännön esimerkkejä LIVA –hankkeessa toteutetuista soveltuvuustesteistä/demonstraatioista 3D-tulostuksen käytöstä muottien ja silikonimuottien valmistuksessa.

Testi A: komponentti, jossa on silikonista valmistettu paisuva osa.

Kyseinen osa muodostuu runko-osasta, sekä siihen liitettävästä paisunta-osasta. Paisunnan maksimimäärää voi muuttaa vaihtamalla paisunta-osan. Sekä laitteen runko-osa, että silikoniosan muotti valmistettiin 3D-tulostamalla PLA-filamentista.

Kuva 1. Kaksiosainen komponentti, jossa silikoni toimii paisuvana osana.
Kuva 2. Silikoniosan valmistuksessa käytetyn muotin rakenne

Avonainen silikonirakko puristettiin laipalla kiinni runko-osaan ja valmistettu rakenne toimi suunnitellulla tavalla.

Testi B: Harjoituslääkkeiden valmistus hoitoalan koulutusta varten

Terveysalan koulutuksessa käytetään erilaisia harjoitustabletteja. Tutkittiin, löytyisikö harjoitustablettien valmistamiseen edullinen ja helppo tapa. Alustavien testien perusteella päädyttiin siihen, että muottien käyttäminen on edullinen ja helppo tapa valmistaa haluttuja kappaleita. 3D-tulostamisen käyttäminen muottien valmistuksessa mahdollistaa helpon räätälöinnin. Tarpeena on pieniä sarjoja useista eri kokoisista, muotoisista ja värisistä tableteista.

Muotin keernan 3D-tulostustekniikaksi valikoitui nesteen fotopolymerisointi sillä kyseessä on pienten ja geometrialtaan tarkkojen kappaleiden valmistus. Valmistusmateriaaliksi valikoitui kipsi, sillä testeissä 0,2 mm leveys ja syvyys toistuivat kipsissä tarkasti.

Valmistusprosessi oli seuraava:

  1. 3D-mallinnetaan halutut muodot ”pilleritangoksi”, jota käytetään muotissa keernana
  2. Valmistetaan keerna Formlabs Form2+ 3D-tulostimilla
  3. Sijoitetaan keerna valuastiaan, ja valetaan silikonimuotti
  4. Halkaistaan silikonimuotti ja poistetaan keerna
  5. Valetaan kipsistä kappaleet
  6. Kipsin kuivuttua puretaan kappaleet muotista
Kuva 3. Keerna 3D-mallina solidworksissa sekä 3D-tulostettuna kappaleena
Kuva 4. Sopivan silikonimuotin valmistusta kokeiltiin useilla eri toteutustavoilla
Kuva 5. Lopputuotteessa näkyy testauksen tässä vaiheessa vielä joitakin ilmakuplia

Alustavat tulokset näyttävät lupaavilta. Haasteena ovat vielä jossain määrin kipsivalussa esiintyvät ilmakuplat joista päästään todennäköisesti eroon sopivasti asemoitujen keernojen ja alipainepumpun avulla. Testausta jatketaan eri geometrioiden ja materiaalin seossuhteiden osalta.

Testi C: ”Koeiho” lapsen keskivartaloa kuvaavaan phantomiin

Viimeisin testi liittyi Sense4Health -yrityksen kanssa tehtävään tutkimukseen, jossa tutkittiin 3D-tulostuksen mahdollisuuksia lapsen hengitysphantomin valmistamisessa. Testissa valmistettiin phantomin päälle silikonista valettu testi-iho. Koska kyseessä oli phantomin päälle tuleva ”kuori”, vaati kappaleen valmistaminen valamalla kaksi muottia ja keernan.

Torso valmistettiin vapaasti ladattavissa olevalla ”Make human” ohjelmalla. Tämän jälkeen mallitiedostoa muokattiin Solidworks –suunnitteluohjelmalla, jossa valmistettiin muokatun mallitiedoston perusteella muotit sekä keerna.

Kuva 6. Muotit suunniteltiin Solidworksilla

Koska tulostettava kappale oli hieman suurempi, valmistettiin muotit ja keerna Savonian suurimmalla pursottavalla tulostimella (German RepRap X1000). Selkä ja etupuolen muotteihin meni keernoineen tulostusaikaa noin 33 tuntia ja materiaalia 1,7 kg.

Kuva 7. Muotit, keerna ja valmis tuote phantomin päällä. Ihon läpi kuultava luuranko valmistettiin sekin 3D-tulostamalla.

Testauksen perusteella voidaan todeta, että 3D-tulostus tuo runsaasti mahdollisuuksia silikonimuottien ja -kappaleiden valmistuksessa. Se mahdollistaa entistä nopeammat ja iteratiiviset tuotekehityssyklit soveltuen paremmin ”juuri oikeaan tarpeeseen” (JOT) tuotantofilosofian mukaiseen tuotantoon.

 

Petri Mäkelä
Projektityöntekijä
Savonia-ammattikorkeakoulu, LIVA –hanke

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

3D-tulostettujen betonivalumuottien testaus ja tulokset

Betoni on materiaalina erinomainen sillä se muovautuu monenlaiseen muotoon. Betonirakenteiden muotoilua on kuitenkin tähän mennessä rajoittaneet muottitekniikat ja valmistusmenetelmät. Betonin valmistukseen on tullut uudenlaisia menetelmiä, kuten betonin 3D-tulostus, 3D-muottitekniikat ja muotobetoni, joilla voidaan tehdä entistä monimuotoisempia betonirakenteita. 3D-muottitekniikoiden etuna on betonin 3D-tulostukseen tai muotobetoniin verrattuna se, ettei betonin ominaisuuksia tarvitse muokata, vaan siinä voidaan käyttää betoniteollisuudessa jo pitkään kehitettyjä betoniseoksia joiden ominaisuudet ja käyttäytyminen eri olosuhteissa tunnetaan.

Savonian LIVA-hankkeessa tutkittiin 3D-tulostettujen muottien toimivuutta betonivaluissa. Muotteja testattiin valamalla useita variaatioita testipylväästä, jonka sivuille mallinnettiin lukuisia erilaisia muotoja muottien kokeilua ja demonstrointia varten.

Kuvassa oikealla puolella on ensimmäinen testivalu, keskellä toinen testivalu ja vasemmalla puolella kolmas testivalu. Etualalla on muutamia pienempiä koevaluja.

Ensimmäinen testivalu oli kreikkalaisen pylvään alaosa, jonka muotti valmistettiin kokonaan muovista 3D-tulostamalla. Muovimuotteja tulostettiin pursotusmenetelmää käyttävillä 3D-tulostimilla, joissa tulostus tapahtuu pursottamalla muovilankaa kuuman suuttimen läpi kerros kerrokselta. Suuret muotit tulostettiin German RepRap x1000 3D-tulostimella, missä on Savonian 3D-tulostimista suurin tulostusalue (1,0m x 0,8m x 0,6m). Ensimmäisen testin tuloksena havaittiin että pursottavalla menetelmällä valmistetut, 3D-tulostetut muovimuotit eivät kestä kovinkaan suuria valupaineita kerrosten välisessä pystysuunnassa. 3D-tulostetun muovimuotin ominaisuuksiin ja sitä kautta kestoon pystyy vaikuttamaan ottamalla valupaineen huomioon sekä suunnittelussa, valmistusvaiheessa että jälkikäsittelyssä.

Toisena testivaluna tehtiin 1,5m korkea pylväs, jossa 3D-tulostetut muovimuotit suunniteltiin muotin pintakerrokseksi pahvisen valuputken sisään. Koska perinteisten muotojen valmistaminen 3D-tulostamalal ei ole kustannustehokasta tai järkevää, tehtiin pylvään suorakulmainen alaosa perinteiseen tapaan puusta ja vanerista. Monimutkaisemmat muodot tehtiin 3D-tulostettujen muottien avulla, ja ne kiinnitettiin pohjaosaan valuputken kanssa. Lopuksi muotti tuettiin vielä hyvin kuormaliinoilla ja näin koko muotti kesti hyvin valupaineen ja 3D-tulostetut muovimuotit säilyvät uudelleen käytettäväksi.

Toinen testipylväs suunniteltiin pylväsvalaisimeksi, jonka sivuun suunniteltiin lukuisia erilaisia muotoja kuten pallo- ja kuutiokuvioita, naamoja, logoja, tekstejä ja lehtikuvioita. Muottien 3D-tulostamiseen käytettiin pääosin kovaa PLA-muovia. Kovissa muovimuoteissa on huomioitava muotin irrotussuunta ja muotin päästökulma, jotta muotti voidaan irrottaa betonista. Testipylväissä havaittiin, että pyöreät muodot toimivat parhaiten muotin irrotettavuuden ja valun pinnanlaadun kannalta.

Vasemman puoleisessa kuvassa on toisen testipylvään 3D-tulostetut muovimuotit ja valuputki. Keskimmäisessä kuvassa on 3D-tulostettu kasvomuotti ja oikean puoleisessa kuvassa on muotin irrotuksen jälkeinen kuva betonisesta kasvosta.

Toisessa testipylväässä tutkittiin myös 3D-tulostettuja hiekkamuotteja, jotka hankittiin Hetitec Oy:ltä. Hiekkamuotteja voidaan 3D-tulostaa sidosaineruiskutusmenetelmällä, jossa ohueksi levitetyn hiekkakerroksen päälle ruiskutetaan valikoidusti sidosainetta, joka kovettaa hiekan. Tulostus tapahtuu kerros kerrokselta ja tulostuksen jälkeen irtonainen hiekka irrotetaan kappaleesta. Hiekkamuottien valmistuksen etuna on melkein täydellinen muodon vapaus. Lisäksi hiekkamuotit voidaan hajottaa valun ympäriltä, jolloin muotin purettavuus ei rajoita muotoilua. Testipylväissä hiekkamuoteilla valmistettiin kolmiulotteinen lehtikuvio, joka olisi ollut muilla menetelmillä hyvin vaikea valmistaa. Hiekkamuottien irrotukseen testattiin muottiöljyä, joka teki betonista tumman värisen. Kiinteämpi muottirasva voisi toimia hiekkamuoteissa muottiöljyä paremmin. Hiekkamuoteista voidaan tehdä myös kestomuotteja kovettamalla ne epoksilla. Kestomuoteiksi kovetetuista hiekkamuoteista ei tehty testejä ja siinä olisikin jatkotutkimuksille aihetta.

Kuvissa on 3D-tulostetulla hiekkamuotilla valettu lehtimuoto. Oikean puoleisessa kuvassa (Kuva: Hannu Oksanen) on lehtimuotoa varten 3D-tulostettu hiekkamuotti.

Testipylväästä tehtiin vielä kaksi valua hyödyntäen aiemman testin muotteja. Kolmas ja neljäs testivalu valettiin yhteistyössä Betonimestarit Oy:n kanssa itsetiivistyvästä ylijäämäbetonista. Testeissä tutkittiin lisäksi joustavista ja pehmeistä muovilaaduista 3D-tulostettuja muovimuotteja, jotka osoittautuvatkin  kovia muotteja paremmin toimiviksi. Joustavilla muoteilla onnistui hyvin myös kulmikkaat muodot ilman mallinnettuja päästökulmia.  Lisäksi Betonimestarit Oy:n itsetiivistyvällä betonilla saatiin pylväisiin parempi pinnanlaatu ja muodot onnistuivat paremmin.

Kuvissa on yksityiskohtia Betonimestarit Oy:n betonilla valetusta testipylväästä

3D-tulostuksen käyttö betonivalumuottien valmistuksessa on ajankohtainen aihe jota tutkitaan tällä hetkellä ympäri maailmaa. Esimerkiksi Immensa Technology Labs on hakenut 3D-tulostetuille betonivalumuoteille patenttia Dubaissa (1) ja New Yorksissa on tutkittu 3D-tulostettujen muottien käyttöä historiallisessa restaurointikohteessa (2).  Voidaan siis todeta että Savonia näyttäisi olevan tutkimustyössään tältä osin hyvin ajan hermolla.

Lisää tietoa 3D-tulostetuista muoteista ja tutkimuksista löytyy opinnäytetyöstä Sivuvirtabetonin hyötykäyttö ja lisäävä valmistus, Lampinen Sami, 2018. Opinnäytetyö on saatavilla osoitteessa: http://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2018060111842

Sami Lampinen
Projektityöntekijä
Savonia-ammattikorkeakoulu, LIVA-hanke

Katsaus 3D-tulostuksen käytöstä teollisuudessa

Suomen pikavalmistusyhdistys FIRPA järjesti tänä vuonna 20v juhlaseminaarin Otaniemessä samaan aikaan Nordic 3Dexpo –tapahtuman kanssa 18-19.4.2018.Seminaari oli kaksipäiväinen: Ensimmäinen päivä keskittyi 3D-tulostuksen käyttöön medikaalipuolella ja toinen päivä teollisuudessa. Tähän kirjoitukseen on tiivistetty poimintoja toisen päivän ohjelmasta.

Päivän avasi lisäävän valmistuksen edelläkävijä ja ehkä alan tunnetuin puhuja Terry Wohlers, joka on aikanaan ollut myös alkusysäys koko FIRPAn perustamiselle. Wohler’s Report on vuosittain julkaistava alan perusraportti johon on kerättyä tietoa markkinoiden kasvusta, teollisten toimijoiden uutuuksista, alan uutisista ja ylipäätään aiheeseen liittyvää materiaalia jo parinkymmenen vuoden ajan.

Esityksen sisältö painottui pitkälti Wohler’s Report 2018 raportissa julkaistuihin tietoihin. Tiivistettynä tilanne on maailmassa se, että 3D-tulostuksen markkinat kasvoivat yhteensä noin 21%. Vihdoin lähestytään kriittistä massaa jonka jälkeen kasvu nopeutuu entisestään. Esimerkiksi metallin 3D-tulostinten myynti kasvoi vuonna 2017 80% edellisvuoteen verrattuna. Myös materiaalimyynti ylitti ensimmäistä kertaa miljardin dollarin rajan.

Metallitulostinten myynnin kasvua selittää se, että useat suuret yritykset ovat saaneet viime vuosien kehitysprojektejaan päätökseen sekä parannettua sertifointi/laadunvalvontaprosessejaan. Markkinoille tuli myös muutamia uusia tulijoita (esim. Desktop Metal) kilpailevilla tekniikoilla. Uudet tekniikat mahdollista entistä halvempien osien valmistamisen, vaikka halvempi hinta näkyy myös materiaalin pinnanlaadussa. On kuitenkin paljon käyttökohteita joissa sillä ei ole merkitystä. Desktop Metal:in laitteisto perustuu pursotukseen, pesuun ja uunitukseen. Periaatteessa kyseessä on perinteinen pursotusmenetelmä, jolla pursotetaan metallijauhe tulostusalueelle. Jauhe kulkee sidosaineen mukana, joka mahdollistaa pursottavan menetelmän käytön. Tukimateriaalin ja peruskappaleen väliin pursotetaan ohut kerros keraamitahnaa, joka mahdollistaa tukimateriaalin helpon irroittamisen kappaleen valmistuksen jälkeen.

Kuva 1. Desktop metal –yrityksen innovaatio metallin 3D-tulostukseen on pursottavan menetelmän käyttö yhdessä pesun ja uunituksen kanssa. Huomaa oikeanpuolimmaisessa kappaleessa näkyvät valkeat kerrokset keraamia (”Ceramic Release Layer”), joka mahdollistaa tukirakenteen helpon irroittamisen.
Lähde: Nordic 3DExpo, 19.4.2018

Myös suurten kappaleiden valmistus on yleistymässä niin muovin kuin metallinkin osalta. Yksi esimerkki suuremmista tulostuskoosta on ORNL:n valmistama 3D-tulostettu sukellusvene, joka valmistettiin BAAM –laitteistolla. Materiaalina on hiilikuituvahvistettu ABS-muovi, ja moduuleihin lisätään kokoonpanon yhteydessä metallirakenteita varmistamaan tasainen puristuskuormitus kerrosten välillä. Lisätietoja sukellusveneestä löytyy seuraavasta youtube-videosta: https://youtu.be/8UY15kDVUek

Siemens ja kaasuturbiinien korjaustulostukset

Yksi päivän mielenkiintoisimmista esityksistä oli Jonas Erikssonin esitelmä siitä, miten Siemens hyödyntää 3D-tulostusta kaasuturbiinien korjausprosessissa. Asia ei ole uusi, sillä Siemens aloitti tutkimaan 3D-tulostuksen käyttöä kaasuturbiinien polttimien kärkien korjausprosessissa jo vuonna 2008. Tällä hetkellä kyseessä on jo arkipäiväinen toimenpide ja tuotantomäärissä ollaan ylitetty sarjatuotannon rajat (yli tuhat kappaletta). ”Korjaustulostuksen” edut ovat erittäin selvät. Perinteisellä tavalla korjattuna polttoainesuuttimesta joudutaan leikkaamaan pois paljon materiaalia vain sen takia jotta TIG-hitsauksena suoritettava korjaus on ylipäätään mahdollista suorittaa sopivaan kohtaan. 3D-tulostamalla tehtynä riittää, että koneistetaan pois kulunut osa (kärki) ja tulostetaan sen tilalle uusi.

Kuva 2. Siemens valmistaa korjausosat 3D-tulostamalla, etu perinteiseen korjaukseen on selvä.

Polttokärkien lisäksi Siemens on aloittanut vuonna 2017 valmistamaan 3D-tulostamalla turbiinin siivekkeitä. Kaasuturbiinin käyttöolosuhteet aiheuttavat haasteita materiaaliominaisuuksille. Tyypillisiä esimerkkejä käyttöolosuhteista ovat mm. lämpötila jopa 1400 C, pyörimisnopeus 6000-13000 rpm sekä suuret kylmä-kuuma lämpötilavaihtelut.

Siemensin esityksessä oli listattuna yleistasolla suurimmat 3D-tulostuksen hyödyt yritykselle: 50% lyhyempi läpimenoaika, 60% nopeammat korjaukset, 75% nopeammat tuotekehitysajat, 30% pienemmät kasvihuonepäästöt, 65% vähemmän resursseja kiinni tuotantoprosessissa sekä paremmat toiminnallisuudet.

Muuta mielenkiintoista

Jyrki Saarisen (Joensuun Yliopisto) esitys optiikan 3D-tulostuksesta oli myös mielenkiintoinen. Joensuussa on yksi maailman harvoista optiikan 3D-tulostukseen soveltuvista laitteista, ja meille tuli yllätyksenä miten hyvin laitteisto soveltuisi jopa pienten optiikoiden sarjavalmistuksiin. Massaräätälöintimahdollisuus on optiselle täysin uusi käsite, mikä mahdollistanee myös uusia liiketoimintamalleja. Laitteistoa kehittävä belgialainen Luxexcel on jo kehittänyt laitteesta A3 kokoisen tulostinlaitteen, eli tulevina vuosina on mahdollista entistä suurempien optisten komponenttien 3D-tulostaminen.

Yksi mielenkiintoinen bongaus oli seminaarin kanssa samaan aikaan järjestettävä 3D Nordic Expo –näyttelyssä esillä ollut UPM 3D Formi –tulostusmateriaali. Kyseessä on selluloosakuidusta ja teknisestä polymeeristä valmistettu filamenttimateriaali. Materiaalia myy suomessa ainakin Maker3D (https://www.3d-tulostus.fi ).

Kappaleita tutkittaessa meille kerrottiin että materiaali jähmettyy nopeasti mikä mahdollistaa kappaleiden tulostamisen jopa 75 asteen kulmassa ilman tukimateriaalia. Pikaisesti tutkittuna materiaali vaikutti hyvin samankaltaista kuin muut markkinoilla olevat puufilamenttimateriaalit, mutta onhan se hienoa että niinkin suuri suomalainen puualan toimija kuin UPM on lähtenyt kehittämään tulevaisuuden tulostusmateriaalia.

Kuva 3. UPM Formi –filamentista valmistettuja kappaleita, Lähde: Nordic 3DExpo, 19.4.2018

Katsaus 3D-tulostuksen käyttöön sairaalaympäristössä

Suomen pikavalmistusyhdistys FIRPA järjesti tänä vuonna 20v juhlaseminaarin Otaniemessä samaan aikaan Nordic 3Dexpo –tapahtuman kanssa 18-19.4.2018.Seminaari oli kaksipäiväinen: Ensimmäinen päivä keskittyi 3D-tulostuksen käyttöön medikaalipuolella ja toinen päivä teollisuuden käyttökohteisiin. Tähän kirjoitukseen on tiivistetty poimintoja ensimmäisen päivän ohjelmasta.

Päivän pohjusti Professori Antti Mäkitie (Helsingin yliopisto) yhdessä professori Ian Gibsonin kanssa (Deakin yliopisto, Australia). Seminaaripäivän anti oli monipuolinen ja kansainvälinen. Puhujat olivat Suomesta, Hong Kongista, Intiasta, Englannista ja Sloveniasta.

Päivän puheenvuoroissa oli useita esimerkkejä siitä, miten 3D-tulostusta voi hyödyntää medikaalipuolen sovelluksissa. Hammas-, suu- ja leukaluukirurgiaan liittyvät esimerkit olivat yleisimpiä, ja 3D-tulostuksen käytöstä näillä aloilla löytyy kokemusta suomalaisistakin sairaaloista. Suomessa hiljattain toteutetussa kyselyssä yliopistosairaaloille kallon ja kasvojen alueen sovellukset olivat toiseksi yleisin käyttöalue. Yleisesti ottaen 3D-tulostuksen käyttö sairaaloissa ei ole Suomessa vielä arkipäivää, sillä 41% vastanneista eivät hyödyntäneet 3D-tulostusta missään potilaskohtaisessa käytössä (mallit, implantit, työkalut, ohjaimet tms.).

Seuraaviin kohtiin on tiivistetty seminaariesityksistä 3D-tulostuksen käyttöä kliinisessä sairaalaympäristössä neljän käyttöalueen osalta.

  1. Suunnittelun mallit (preoperative models)
  2. Ohjaimet (Guides) ja Työkalut
  3. Implantit
  4. Proteesit ja apuvälineet

 

1. Suunnittelussa käytettävät mallit

Kuva 1. Luusairauspotilaan CT-kuvan perusteella tulostettu henkilökohtainen 3D-tuloste jota käytettiin leikkaussuunnittelun apuna. Kappale valmistettiin HP Multijet Fusion -tekniikalla. Lähde: 3DTech Oy/ Nordic 3DExpo 2018

Potilaskohtaisesta datasta (esim. CT-kuvat) valmistettujen näköismallien hyödyntäminen leikkaussuunnittelussa on yksi yleisimmistä tavoista hyödyntää 3D-tulostusta. Se on myös edullista ja materiaaliksi käy usein yleiset perusmateriaalit. Koska kyseessä ei ole ihmiseen asennettava implantti tai edes potilaaseen kosketuksissa oleva tuloste, myös viranomaismääräykset ovat kevympiä. Mikäli tulostetta aikoo käyttää leikkaussalissa, tulee sterilointitarpeet toki huomioida ja materiaalista liittyen siihen voi liittyä haasteita. Helppojakin ratkaisuja sterilointiin voi löytyä. Yhdessä esityksessä näytettiin kuva mallin hyödyntämisestä leikkaussalissa – 3D-tuloste oli siinä laitettu steriloidun muovipussin sisään.

Muovista tulostettua näköismallia voi käyttää esimerkiksi yleisimplantin tai rakenteen sovittamisessa ja muokkaamisessa haluttuun muotoon ennen leikkausta. Koska kyseessä on potilaan oma geometria, tulee sovittamisen tuloksena täydellisesti potilaaseen soveltuva ratkaisu joka on leikkaustilanteessa helpompi asentaa paikalleen. Jo pelkkä leikattavan kohteen näkeminen fyysisenä 3D-mallina auttaa lääkäreitä leikkauksen suunnittelussa, mutta tulosteen käyttäminen sovitteena on vieläkin selkeämpi etu.

Potentiaalisia etuja ovat siis parempi tarkkuus, parantunut turvallisuus sekä nopeammat operaatiot. Näköismallien käyttäminen myös mahdollistaa entistä laajemmat kirurgiset mahdollisuudet, kun operaatiota päästään suunnittelemaan ja harjoittelemaan konkreettisesti ennen leikkausta.

2. Ohjaimet ja työkalut

Toinen yleinen käyttökohde kliinisessä ympäristössä on erilaisten ohjainten valmistaminen leikkaustilannetta varten. 3D-tulostettuja ohjaimia käytetään maailmalla yleisesti hammaskirurgiassa, mutta niiden käyttö myös muissa kirurgisissa operaatioissa on lähtenyt yleistymään.

3D-tulostetut ohjaimet soveltuvat suoraan potilaan muotojen (esim. luurakenteen) päälle leikkaustilanteessa, ja mahdollistavat tarkat leikkaus/poraus/asennusoperaatiot.

Tohtori Christian Fangin (Department of Orthopaedics and Traumatology, The University of Hong Kong) esitti puheenvuorossaan useita esimerkkejä ohjureista, joita on käytetty leikkausoperaatioissa onnistuneesti.  Esimerkkitapauksissa oli käytetty poraus-, leikkaus-, poisto- ja ruuvausohjureita jotka mahdollistivat paremman potilasturvallisuuden, tarkkuuden ja nopeammat leikkausoperaatiot. Joissakin tapauksissa (esim. selkäydinleikkauksissa) ruuvien kiinnittäminen potilaaseen turvallisesti ilman 3D-tulostettuja potilaskohtaisia ohjureita voi olla jopa mahdotonta.

3. Implantit

Esillä oli luonnollisesti myös esimerkkejä metallista (yleensä titaani tai kobolttikromi) tulostettujen implanttien asennuksesta potilaisiin. Slovenia on asian suhteen Euroopan kärkimaita – maassa asennettiin ensimmäinen 3D-tulostettu implantti potilaaseen jo vuonna 2008. Useat laitevalmistajat tarjoavat jauhepetitekniikkaan pohjautuvia metallin 3D-tulostimia jotka soveltuvat implanttien valmistamiseen. Valmistus vaatii kuitenkin laitteiston sertifioinnin, joka on hidas ja raskas prosessi. Vastuukysymyksistä johtuen sertifiointi voi myös olla mahdollista ainoastaan yrityksille – esimerkiksi Sloveniassa Mariborin yliopisto, joka on euroopan pioneeri alalla, ei voi itse valmistaa implantteja vaan joutui ulkoistamaan valmistuksen yritykselle, joka haki sertifioinnin.

Useimmissa maissa 3D-tulostettujen implanttien käyttäminen leikkauksessa on erittäin tiukan säätelyn takana. Sekä Sloveniessa että Englannissa hyväksynnän saaminen kestää vähintään puoli vuotta, mikä voi olla joissakin tapauksissa potilaille liian myöhäistä.

Tiukasta säätelystä huolimatta 3D-tulostus on niin merkittävä edistusaskel lääketieteelle, että joissakin sairaaloissa potilaskohtaisesti valmistetut implantit ovat jo normaali osa operaatiota. Igor Drstvensek Mariborin yliopistosta kertoi erään ortopediakirurgin todenneen että 5 vuoden kuluttua 3D-tulostus ja –suunnittelu ovat yleistyneet siihen pisteeseen, että niiden hyödyntämättä jättäminen voi olla kiellettyä!

4. Proteesit ja apuvälineet

3D-tulostuksen käyttö proteesien valmistuksessa on erinomainen esimerkki käyttökohteesta, johon valmistusmenetelmä sopii hyvin. Proteesit ovat yksilöllisiä ja niiden valmistaminen perinteisin menetelmin on työlästä. Lisäksi proteesin käyttäjän elämäntavat (ikä, painon vaihtelut, voimaharjoittelu, urheilu) voi vaikuttaa olennaisesti proteesin soveltuvuuteen ja proteesilta vaadittaviin ominaisuuksiin. Markkinoilta löytyykin jo useampia yrityksiä, jotka ovat erikoistuneet 3D-tulostuksen hyödyntämiseen proteesien valmistuksessa. Yksi tällainen on saksalainen mecurius, joka on ollut viime vuosina esillä myös Formnextissä, eurooppalaisessa 3D-tulostuksen suurtapahtumassa joka järjestetään vuosittain Frankfurtissa.

Proteesien lisäksi yksi nousussa oleva käyttöalue on lastojen ja erilaisten ”väliaikaisten tukien” valmistus. 3D-tulostetun lastan valmistukseen liittyvät edut ovat vastaavia kuin proteesipuolellakin, mutta markkinoilla on myös tulossa lastoja joihin integroidaan erilaisia antureita ja lisälaitteita. 3D-tulostus myös mahdollistaa uudentyyppiset kiinnitysmekanismit.

Abby M. Paterson Loughboroughin Yliopistosta Englannista esitteli seminaarissa tutkimustyötään 3D-tulostettujen lastojen parissa. Yliopisto on aiemmin tutkinut 3D-tulostettujen lastojen hyötyjä ja kustannusrakennetta ja nyt meneillään on suunnittelun ongelmakohtiin perehtyminen. Yleiset suunnitteluohjelmat eivät ole erityisen helppokäyttöisiä, ja niissä on suuri määrä tarpeettomia ominaisuuksia ja valintoja, jos tavoitteena on lastan suunnittelu. Mikäli 3D-tulostetut lastat halutaan saattaa yleiseen käyttöön, on tarpeen helppokäyttöinen ohjelmisto jolla voi nopeasti räätälöidä asiakkaan tarpeisiin soveltuvan lastan. Tähän mennessä tutkimuksessa on kartoitettu tarvittavia ominaisuuksia ja seuraavaksi edessä on ohjelman luominen.

Kuva 2. 3D-tulostetun lastan prototyyppi, Lähde: Dr. Abby M. Paterson, ”Specialised software to support 3D Printing of wrist splints”, FIRPA 18.4.2018

Parhaaksi materiaaliksi lastojen valmistuksessa oli osoittautunut jauhepetitekniikkaan perustuvat laitteet, mutta tulevaisuudessa tilanne voi muuttua. Esimerkiksi multimateriaalitulosteet voivat tuoda mielenkiintoisia mahdollisuuksia tämän osa-alueen sovelluksiin erityisesti joustavien materiaalien osalta. Tietyltä alueelta joustava materiaalirakenne mahdollistaisi entistä paremmin potilaskohtaisesti soveltuvat kappaleet. Tällä hetkellä ongelmana on vielä joustavien multimateriaalien osielta kulutuskestävyys.

Päivän viimeisenä esityksenä oli puhujien paneeli, jossa asiantuntijat kävivät ajankohtaisia teemoja läpi. Esille nousi selvä tarve siitä, että maailmasta löytyisi puolueeton, kansainvälinen ryhmä joka keräisi tilastotietoa ja käyttökokemuksia 3D-tulostuksen käytöstä sairaalaympäristössä. Tiedon yhteensopivuutta varten tulisi kehittää standardimalli/pohja, jonka perusteella tietoa kerättäisiin.

Lyhyt katsaus lisäävään valmistukseen vuodelta 2017

Vuoden 2017 aikana 3D-tulostuksen maailmanvalloitus jatkui edellisvuosien tapaan kiivaassa tahdissa. Viimeisen muutaman vuoden aikana on ollut näkyvissä selvät merkit siitä että valmistusmenetelmä tulee muuttamaan valmistavaa teollisuutta perusteellisella tavalla – ainoa kysymysmerkki on ollut siinä, miten nopeasti muutos tulee tapahtumaan. Muutos näkyy myös alan terminologiassa: viime vuosiin saakka on puhuttu “3D-tulostuksesta” mutta nykyisin käytetään ehkä jo enemmän termiä lisäävä valmistus, Additive Manufacturing. Lisäävällä valmistuksella tarkoitetaan 3D-tulostusta teollisessa mittakaavassa osana tuotantoprosessia.

Viime vuonna julkaistussa Sculpteon ”Annual State of 3D Printing 2017” –raportissa kyseltiin yli 900 yritykseltä niiden näkemystä 3D-tulostuksen tilasta maailmassa. Eurooppa oli kyselyssä hyvin edustettuna, sillä n. 60% vastanneista yrityksistä oli Euroopasta.

  • 72% vastanneista yrityksistä olettaa investointiensa määrän kasvavan 2018
  • 49% vastanneista yrityksistä kasvatti investointejaan 3D-tulostukseen vuonna 2017
  • 90% ajattelee 3D-tulostuksen olevan kilpailuetu yritykselle

Työkaluvalmistus

Lähes kaikki teolliset autovalmistajat hyödyntävät 3D-tulostusta eri vaiheissa valmistusprosessia ja käyttöönoton määrä kasvaa jatkuvasti. Ehkä suurin vaikutus tähän mennessä on muutokset työkaluvalmistukseen. Joillakin tehtailla valmistetaan jo yli 80% työkaluista 3D-tulostamalla.

Hyvänä esimerkkinä työkaluvalmistuksesta on Volkswagen, joka esitteli Formnext 2017 –tapahtuman seminaarissa esimerkkejä siitä miten edullisen luokan 3D-tulostinlaitteilla voi saavuttaa satojen tuhansien eurojen vuosittaiset säästöt. Alla olevan esimerkkikuvan mukaisen kiinnittimen valmistus maksoi 600 € ja kehitysaika oli 56 päivää. Nyt sama onnistuu 10 päivässä ja valmistuskustannus on 21 €. Vuositasolla kyseisen suojakiinnittimen käyttö säästää tehtaalla kymmeniä tuhansia euroja.

Kuva 1: Esimerkki vanteen suojaavasta kiinnittimestä. Lähde: Miguel José, “Maximizing production efficiency with 3D printed tools, jigs and fixtures”, Volkswagen Autoeuropa, Formnext 2017

Varaosien valmistus

Varaosien valmistus puhuttaa teollisuudessa paljon, ja siinä katsotaan olevan huomattavan suurta potentiaalia. Vaikka haasteita tämänkin käyttöalueen osalta riittää, vuoden 2017 aikana useat alan suurista toimijoista kertoivat jo hyödyntävänsä 3D-tulostusta varaosavalmistuksessa. Ilmailuala on ollut kehityksen kärjessä valmistaen vuosien saatossa kymmeniä tuhansia komponentteja lentokoneisiin, helikoptereihin, raketteihin ja satelliitteihin. Viimeisen viiden vuoden aikana myös autoteollisuus on noussut näkyvästi kehitykseen mukaan.

Esimerkkeinä lisäävää valmistusta hyödyntävistä ajoneuvoteollisuuden toimijoista ovat mm.

  • Volkswagen AG kertoi käynnistävänsä varaosien valmistuksen vanhoihin automalleihinsa 3D-tulostamalla
  • Catepillar sekä Volvo ovat kumpikin kertoneet valmistavansa koneisiinsa varaosia 3D-tulostamalla
  • Mercedes-Benz ja Daimler Bus tarjoavat sekä kuorma-autoihinsa että vanhempiin automalleihinsa varaosavalmistusta 3D-tulostamalla.
  • BMW avasi vuodenvaihteessa 2018 nettisivuillaan palvelun, jossa Mini Cooper –automerkin ostajat voivat räätälöidä neljää eri komponenttia autoissaan.
  • Porsche aloitti vuoden 2018 alusta 3D-tulostettujen varaosien tarjoamisen malleihinsa, joihin ei ole perinteisiä varaosia enää tarjolla.

Ajoneuvoteollisuuden lisäksi myös raskaampi teollisuus on löytänyt 3D-tulostettujen varaosien valmistuksesta etuja. Saksan rautatiet (Deutche Bahn AG) jatkoi vuoden 2017 aikana kehitysprojektiaan, ja valmisti juniin satoja varaosia 3D-tulostamalla. Yritys ennakoi tulevaisuudessa määrän kasvavan jopa 15000 kappaleeseen vuodessa. Alla olevassa kuvassa näkyy jarrujärjestelmän varaosa, jonka valmistusmateriaali on tulostuksen myötä vaihtunut titaaniksi. Testausjaksolla havaittiin 3D-tulostetun osan kulutuskestävyyden olevan jopa viisi kertaa parempi kuin aiemmin.

Kuva 2: Deutche Bahn valmistaa junan jarrujärjestelmän varaosia 3D-tulostamalla. Lähde: Florens Lichte / Deutsche Bahn AG, “Printing spare parts – How 3d printing revolutionizes maintenance”, Formnext 2017

Lopputuotteiden valmistusta ja suuria voluumeita

Yksi maailman suurimmista tulostuspalvelutoimijoista, Belgialainen Materialise valmisti vuonna 2016 yli miljoona 3D-tulostettua osaa. Viime vuoden luvut on vielä julkaisematta, mutta jotain kuvaa antaa se, että Q3/2017 yrityksen liikevaihto tulostuspalvelujen osalta kasvoi 16.3%. Metallitulosteiden osuus valmistuksesta on ollut pientä (vuonna 2016 <1% valmistetuista osista) mutta Materialisen edustaja arveli sen nousevan muutaman vuoden sisällä jopa kahteen prosenttiin. Kun otetaan huomioon yrityksen valmistamien osien lukumäärä, on kyseessä melkoinen kasvu metallin 3D-tulostuksessa.

Kaikki kehitys ei kuitenkaan tapahdu teknologiapainotteisilla aloilla kuten ilmailualalla ja autoteollisuudessa. Esimerkkejä kuluttajia lähempänä olevista aloista on useita, esimerkiksi Invisalign valmistaa 3D-tulostuksen avulla yli 17 miljoonaa uniikkia oikomiskalvoa vuodessa. Metallisia kruunuja, päällysteitä ja muita hammasalan komponentteja valmistetaan vuosittain miljoonia.

Adidas puolestaan aloitti yhteistyön Carbon 3D –yrityksen kanssa ja valmistaa Futurecraft 4D-kenkiä. $300 hintaisia kenkiä valmistettiin v.2017 noin 10.000 kpl, mutta tavoitteena on huomattavasti suuremmat valmistusmäärät. Tämän vuoden valmistusmäärä on jo yli 100.000 paria, seuraavina vuosina jopa useampi miljoona.

Kuva 3: Adidaksen Futurecraft –kengän 3D-tulostettu kennorakenne, Lähde: https://www.adidas.com/us/futurecraft

Metallin 3D-tulostus tulee vauhdilla tuotantoon

Kuten aiemmin Materialise –yrityksen tuotantomäärien yhteydessä mainittiin, metallien tulostus on vihdoin rantautumassa teollisuuteen. Viimeisen parin vuoden aikana yritykset eri toimialoilta ovat viimeisen kahden vuoden aikana testanneet ja sertifioineet metallin 3D-tulostuksia lopputuotteiksi. Nyt prosessi on hallussa jo sen verran vahvasti, että valmistettavat osat alkavat olla jo lähes arkipäivää tuotannossa.

Edelläkävijöiden lisäksi myös muu perusteollisuus on herännyt metallin 3D-tulostuksen mahdollisuuksiin. Uusimman Wohler’s Reportin mukaan metallin 3D-tulostusjärjestelmien myynti kasvoi viime vuonna 80% aiempaan verrattuna (Wohler’s Report 2018).

Tällä hetkellä teollisuudessa dominoivat jauhepetitekniikkaan perustuvat laitteet ja suuret laitevalmistajat kuten SLM, EOS ja Concept Laser. Markkinoille on kuitenkin muutamien avainpatenttien rauettua saapunut runsaasti pienempiä toimijoita.

Tämän lisäksi eri prosesseihin perustuvat metallin 3D-tulostinlaitteet ovat saapuneet markkinoille. Esimerkkinä uusista järjestelmistä on Desktop Metal, joka tarjoaa kahdenlaista ratkaisua metallin 3D-tulostukseen. Yrityksen ”Studio” –laitteiston kohderyhmä on prototyyppivalmistus, ja laite perustuu metallipastan pursottamiseen pursotusmenetelmän tapaisesti. Valmistettu kappale uunitetaan, jolloin pastassa mukana olleet sidosaineet palavat pois, jättäen vain metallin jäljelle. Toinen vastaavaa laitteistoa tarjoava yritys on Markforged ja tämän vuoden alusta Desktop Metal haastoi Markforgedin oikeuteen patenttirikkomuksesta.

Tulosteiden laatu on jauhepetimenetelmiin perustuviin laitteisiin verrattuna karkeaa, mutta sekä tulostinlaite että materiaali ovat hinnaltaan selvästi halvempia. Teollisuudesta löytynee runsaasti käyttökohteita myös karkeamman tulostusjäljen osille, kun se näkyy myös alhaisempana valmistuskustannuksena. Desktop metal on tuomassa markkinoille myös edullisen, jauhepetiin perustuvan järjestelmän suurten kappalemäärän tuotantotarpeita silmällä pitäen.

Kuva 4: Markforged Adam –tulostimella valmistettu metalliosa (vasen) ja Desktop Metal Studio –tuloste (oikea). Lähde: Formnext 2017

Vuoden 2017 tilanteeseen liittyvää lisäluettavaa löytyy mm. seuraavien linkkien takaa:

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu
http://alvo.savonia.fi/

 

Uutta ilmettä betonirakenteisiin 3D-tulostetuilla muoteilla

Uudenlaiset 3D-muottitekniikat ovat viime aikoina nousseet esille betonin valmistuksessa. Esimerkiksi vuoden 2017 betonirakenne Kruunuvuorenrannan koonta-asema Helsingissä on hieno esimerkki 3D-muottitekniikoiden mahdollisuuksista. (http://betoni.com/tapahtumat-ja-koulutukset/vuoden-betonirakenne/vuosi-2017/)

Kuva 1: Koonta-aseman betoniseinän kuviot. Kuvaaja: Timo Kiukkola, kuvalähde: http://betoni.com/medialle/kuvapankki/betonipaivat-ja-nayttely/vuoden-betonirakenne/2017-kruunuvuorenrannan-koonta-asema/

3D-tulostus on yksi 3D-muottien valmistusmenetelmistä, jolla voidaan valmistaa muotteja esim. muovista, hiekasta tai vahasta. Erityisesti Saksassa on testattu paljon 3D-tulostettuja hiekkamuotteja betonivaluissa. Saksalainen 3D-tulostusyritys Voxeljet valmistaa hiekasta 3D-tulostavia teolliseen valmistukseen suunniteltuja 3D-tulostimia. Suurin Voxeljetin hiekkatulostin VX4000 on tulostusalueeltaan jopa 4m x 2m x 1m. Suomessa hiekkatulostuksiin on erikoistunut Hetitec Oy, joka on myös Voxeljet AG:n virallinen yhteistyökumppani. Voxeljetin hiekkatulostimilla voidaan tehdä hyvinkin tarkkoja ja vapaa muotoisia hiekkamuotteja. Hiekkamuotit voivat olla kestomuotteja tai kertakäyttöisiä. Hartsikäsittelyn avulla hiekkamuotit saadaan kestämään useita käyttökertoja, jolloin muotti kestää purkamista, vaikka sorkkaraudalla. Kertakäyttöisillä muoteilla voidaan kuitenkin tehdä täysin vapaita muotoja, jolloin muotti puretaan hajottamalla tai vedellä pesemällä.

Kuva 2: 3D-tulosten hiekkamuotin etuna on muotoilun vapaus. Lähde: Voxeljet AG, Friedberg

3D-muotteja voidaan valmistaa myös vahasta. Vahamuotteja on käytetty Lontoon metrohankkeessa vuonna 2016. FreeFab valmistaa vahamuotteja ensiksi 3D-tulostamalla ja sen jälkeen pinta vielä 3D-jyrsitään tarkaksi. Vahamuotti irrotetaan betonista hajottamalla ja sulattamalla, jonka jälkeen vaha on uudelleen käytettävissä seuraavassa muotissa. Vahamuotin etuna on sen helppo purkaminen, vahan uudelleen käytettävyys ja vähäinen materiaalihukka.

Kuva 3: FreeFAB vahamuotin valmistus ja käyttö. Lähde: http://www.freefab.com/

Betonin valmistuksessa on tullut viime vuosina useita muita innovaatioita, jotka voisivat mahdollistaa betonirakenteiden uudenlaisen muotoilun. Näistä ehkä eniten huomiota herättänyt on betonin 3D-tulostus, jossa on kuitenkin omat ongelmat ja haasteet. 3D-tulostetun betonin laatu ja kestävyys eivät ole vielä tällä hetkellä riittävän hyviä, jotta betonin 3D-tulostusta voitaisiin käyttää rakentamisessa. Betonin 3D-tulostus vaatii vielä materiaalien ja tekniikan kehitystä sekä testausta, jotta tulostetut rakenteet täyttävät vaaditut rakennusmääräykset.

3D-tulostettujen muottien hyvänä puolena on se, että niissä voidaan käyttää haluttua betonilaatua sekä perinteistä valuprosessia, jolloin betonin ominaisuudet jo tunnetaan. Perinteinen betonin valmistusprosessi ei siis muutu, vaan 3D-tulostaminen tuo valutekniikkaan uusia mahdollisuuksia. 3D-tulostamisen hyötynä ovat monimuotoisemmat pinnat, joita on vaikea perinteisillä menetelmillä valmistaa, kuten:
• kaksoiskaarevat pinnat
• 3D-pinnat ja -kuviot
• logot ja tekstit koho- tai uppokuvioina

3D-tulostamista kannattaa usein yhdistää osaksi perinteistä muottitekniikkaa. Muottien tukirakenteet sekä suorat ja tasaiset muotin kohdat kannattaa edelleen valmistaa perinteisin muottitekniikoin esim. vanerimuotteina. 3D-tulostaa kannattaa vain ne osat, jotka ovat muuten vaikeita valmistaa ja yhdistää ne 3D-tulostetut osat perinteisiin muotteihin.
Savonian LIVA-hankkeessa on tutkittu 3D-tulostettujen muottien valmistusta ja niiden toimivuutta betonivalussa. Kokeiluissa on käytetty Savonian muovia pursottavia 3D-tulostimia ja valmistettu muovisia muotteja ja muotinosia. Pienien prototyyppien valmistukseen on käytetty useita pienen kokoluokan 3D-tulostimia. Suuremmat täysikokoiset muotit on valmistettu German RepRap x1000 3D-tulostimella, missä on Savonian 3D-tulostimista suurin tulostusalue, 1m*0,8m*0,6m. Vaikka tulostusalue on melko iso, tulostusaika on kuitenkin isoissa tulostuksissa muovia pursottavalla 3D-tulostimella pitkä.

Kuva 4: Savonian 3D-tulostettu muovimuotti kokeilu.

3D-tulostettujen muovimuottien valmistaminen pursotusmenetelmällä vaatii suunnittelussa useita huomioitavia asioita. Ensimmäisenä on luonnollisesti valmistusmenetelmän mahdollisuudet ja rajoitteet – erityisesti tulostussuunta ja tukimateriaalitarve tulee ottaa huomioon muottien ja kappaleen muotojen suunnittelussa. Toinen olennainen asia on muotin purettavuus ja irrotussuunta. Nämä tekijät vaikuttavat myös kappaleen muotoiluun ja rajoittavat muotoilun mahdollisuuksia. Muovimuotteihin täytyy mallintaa pienet päästöt, jotta muotit irtoavat valun jälkeen betonista. Kappaleessa ei siis voi olla muotoja, josta muodostuu negatiivisia päästöjä. Muovimuoteissa kannattaa käyttää modulaarisia ratkaisuja hyödyksi, jolloin myös vaikeammat muodot ovat mahdollisia purkaa. Lisäksi suunnittelussa on huomioitava betonin materiaaliominaisuudet. Liian pienet muodot hajoavat helposti muotteja purkaessa.

3D-tulostetun muovimuotin irrotus betonivalusta voi olla haastavaa, vaikka muoteissa käyttääkin muottiöljyä. Muovimuoteissa oleva kerroksellinen tulostuspinta lisää muotin ja betonin välistä kitkaa ja vaikeuttaa muotin irrotusta. Toinen haaste muovimuotin irrotuksessa on muotin kesto. 3D-tulostetun muovimuotin kestoon vaikuttaa moni asia. Tulostusparametreja säätämällä voidaan vahvistaa seinämien vahvuutta tai lisätä täyttökerrosta. Täyttökerrosta lisäämällä rakenteesta tulee vahvempi, mutta tulostukseen kuluu enemmän materiaalia ja aikaa. Toinen taloudellisempi ratkaisu voisi olla vahvistaa muovimuotteja polyuretaanitäytöllä tai käyttämällä hartsikovetteita.

3D-tulostettuja muovimuotteja voidaan käyttää yhdistämällä pieniä 3D-tulostettuja muotinosia perinteisiin muoteihin. Suurissa tuotantomäärissä tai suurissa muoteissa pitkän tulostusajan takia muovimuotit eivät ole välttämättä paras vaihtoehto, vaan silloin esim. hiekkamuotit voisivat olla järkevämpi vaihtoehto. Hiekkamuotit tulevat myös silloin kyseeseen, kun muodot ovat haasteellisia muovimuotin tulostuksen tai irrotuksen kannalta. Savonian LIVA-hankkeessa onkin seuraavaksi vuorossa 3D-tulostettujen hiekkamuottien testaaminen betonivaluissa.

Sami Lampinen
Projektityöntekijä
Savonia-ammattikorkeakoulu, LIVA-hanke

Terveellistä ja turvallista 3D-tulostamista kotona ja työpaikalla

Kuten jo tiedetään, 3D-tulostaminen avaa uusia mahdollisuuksia eri teollisuuden aloille ja kotipuuhastelijoille. Tulostusmenetelmien ja –materiaalien kehittyessä lähes minkä tahansa muotoisen tai ominaisuuden omaavan kappaleen tuottaminen on mahdollista. Kun laitteita ja materiaaleja on vapaasti saatavilla, voi kaiken helposti olettaa olevan myös turvallista. Julkisen tiedon vähäisyyden vuoksi Savonia-ammattikorkeakoulun LIVA-hankkeessa tutkittiin kattavasti 3D-tulostamisen päästöjä. Tutkimustulokset sekä tietoa 3D-tulostamisen työhygieniasta löytyy vuodenvaihteessa julkaistusta raportista ”3D-tulostuksen terveydelle haitalliset altisteet ja työhygienia”, joka on saatavilla osoitteesta: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-203-247-8.

Kuva 1. Mittaustapahtuman glamouria.

 

Tekniikka ja terveys

3D-tulostamisessa tekniikan kehitys on ollut erittäin kiivasta viime vuosikymmenten aikana. Tekniikkafokuksen myötä terveydellinen näkökulma on toisinaan jäänyt pimentoon. Kuluttajatason laitteiden yleistyessä räjähdysmäisesti huomiota on alettu kiinnittämään yhä enemmän myös laitteista vapautuviin päästöihin. 3D-tulostusmenetelmissä kohtaavat usein korkeat lämpötilat ja muovi. Yhdistelmä, jonka tiedetään vapauttavan ilmaan kemikaaleja ja nanohiukkasia. Eivätkä kotitulostajat suinkaan ole ainoa altistuva ryhmä, sillä 3D-tulostuslaitteita hankitaan lisääntyvissä määrin myös työpaikoille ja pelkästään 3D-tulostamiseen, eli lisäävään valmistukseen, perustuvia yrityksiä perustetaan jatkuvasti – myös Suomessa.

Kuva 2. Kemikaalinäytteiden kaasukromatografi-massaspektrometrianalyysilaitteisto.

 

Edelläkävijänä tutkimustiedon tuotossa

Tutkimusasetelma oli varsin yksinkertainen. Tutkimuksen keskipisteenä ovat erilaisiin menetelmiin perustuvien 3D-tulostuslaitteiden sekä mittauskohteessa käytettyjen jälkikäsittelymenetelmien päästötasot. Datan kertyessä ja mittauskohteiden hyvin erilaisten asetelmien kautta havaittiin myös pieniä, mutta merkittäviä yksityiskohtia liittyen 3D-tulostamisen turvallisuuteen. Esimerkiksi, miten erilaiset tulostusmateriaalien ominaisuudet, ilmanvaihtojärjestelmät ja käytetty menetelmä vaikuttavat tulostusprosessin päästöihin ja tätä kautta laitteen ympärillä oleskeleviin ihmisiin. Merkittävä huomio oli myös, että toisinaan jälkikäsittelyprosessit aiheuttivat suurimmat päästötasot – tätä ei välttämättä tulisi ajatelleeksi.

Kuva 3. Karbonyylinäytteiden esikäsittelyprosessi.

 

Tieteellistä arvoa lisäsi erityisesti mittausten laajuus. LIVA-hankkeen tutkimuksissa kartoitettiin yhteensä kuuden erilaisen 3D-tulostintyypin ja -menetelmän päästötasot sekä jo maailmanlaajuisesti tutkitusta materiaalin pursotustekniikasta mitattiin viiden erilaisen tulostusmateriaalin käytöstä vapautuvat päästöt. Näin laajaa yksittäistä tutkimusta ei aiemmin oltu suoritettu ja hankkeen tutkimuksessa tuotetun tiedon nojalla jatkotutkimuksia voidaan suunnitella spesifisemmällä tasolla. Jatkotutkimuksia onkin syytä suorittaa liittyen etenkin nestemäisiä tulostusmateriaaleja hyödyntäviin sekä sidosaineita käyttäviin tekniikkoihin.

 

Kohti turvallisempaa 3D-tulostamista

Kehittyneissä maissa on saavuttu pisteeseen, jossa työperäisiä sairauksia ei enää juuri tavata. Tästä syystä 3D-tulostamisen terveysvaikutusten kartoittaminen on tärkeää, jotta alaan liittyviltä mahdollisilta ammattitaudeilta voidaan välttyä jo ennen niiden esiintymistä. Kuten kaikessa muussakin, myös 3D-tulostamisessa pätee vanhat viidakon lait – järkeä saa, ja tulee käyttää. Yleisesti päästötasot ovat maltillisella tasolla, mutta poikkeuksiakin löytyy etenkin teollisen mittakaavan tulostamisessa. Työpaikoilla teknisten ratkaisujen ja henkilökohtaisen suojautumisen avulla voidaan suojautua merkittävimmiltä terveydelle haitallisilta altisteilta. Kotona puolestaan tärkeintä on miettiä laitteen sijoittelua – sen oikea paikka ei ole yöpöydällä.

 

Antti Väisänen
Projektityöntekijä
Savonia-ammattikorkeakoulu, LIVA-hanke

 

 

Lisäävä valmistus tekee tuloaan myös rakennusalalle

Lisäävä valmistus (3D-tulostuksen teollinen hyödyntäminen) on viime vuosina yleistynyt nopeasti eri teollisuudenaloilla. Vaikka toistaiseksi valmistusmenetelmää hyödynnetäänkin huomattavasti enemmän mm.  ilmailualalla ja autoteollisuudessa on se vihdoin tekemässä tuloaan myös rakennusalalle. Potentiaalia löytyy rakennusalalta monen muun teollisuuden alan tavoin useilta eri osa-alueilta työkalujen valmistuksesta lopputuotteisiin saakka.

Erityisesti Lähi-Idässä on suuria odotuksia ja tavoitteita tulevaisuudelle rakennusten 3D-tulostamisen suhteen. Esimerkiksi Dubaissa investoitiin vuonna 2016 100 miljoonaa dollaria uuteen tulostuskeskukseen ja asetettiin rakennusalan strategiatavoitteeksi, että 25% kaikista uusista rakennuksista on 3D-tulostettu vuoteen 2030 mennessä. Vastaavia tavoitteita löytyy myös esim. Saudi-Arabiasta ja Egyptistä.

Savonian LIVA-hankkeessa kartoitettiin lisäävän valmistuksen käyttöä maailmalla rakennusalan sovelluksissa. Selvitystyöstä valmistui vuoden lopulla raportti ”Lisäävän valmistuksen käyttö rakennusalalla, Tilannekatsaus 2017”, ja se on vapaasti ladattavissa osoitteesta: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-203-242-3

Pienestä se on kaikki lähtenyt…

Kuten monella muullakin teollisuuden ja tuotannon aloilla, pienoismallien valmistus on ollut yksi yleisimmistä käyttökohteista rakennusalalla. Syynä tähän on ollut paitsi hinta, myös tekniset rajoitteet kuten tarkkuus ja tulostusalueen koko. Pienoismallit ovat rakennusalalla edelleen yksi yleisimmistä käyttökohteita ja niitä 3D-tulostetaan niin rakennussuunnittelun kuin kaupunkisuunnittelu tarpeisiin. Ne voidaan valmistaa arkkitehdin tietomallia hyödyntäen hyvinkin tarkkoina ja halutussa mittakaavassa.

Kuva 1. Esimerkki 3D-tulostetusta pienoismallista, Lähde: Zortax Inventure, Formnext 2017

Kohti suurempia kokonaisuuksia

Viime vuosien kiinnostavimpia kehityskohteita ovat suuremman kokoluokan tulosteet sillä tulostinlaitteiden tekninen kehitys mahdollistaa nykyisin rakennusten osien ja jopa kokonaisten rakennusten valmistamisen. 3D-tulostuksessa käytettävien rakennusmateriaalien kirjo on laaja, teräksestä, saveen, hiilikuituun ja betoniin. Luonnollisesti tutkimuksen kohteena ovat usein ympäristöystävälliset materiaalit, mutta esimerkiksi betonin 3D-tulostuksella voidaan saavuttaa materiaalikäytön optimoinnin myötä selvästi pienempi hiilijalanjälki perinteiseen betonin valmistustapaan verrattuna.

Muutamia esimerkkejä suuremmista 3D-tulosteista ovat Hollannissa valmistettava metallinen kävelysilta kanaalin yli ja Italiassa savi-olkimassasta 3D-tulostamalla valmistettu savimaja. Muovista sekä hiili- ja lasikuiduista on 3D-tulostettu upean muotoisia paviljonkeja ympäri Eurooppaa ja Yhdysvaltoja.

Kuva 2: Muutamia kuvia rakennusalaan liittyvistä suurempikokoisista 3D-tulostuksista, Lähteet: MX3D, Stuttgartin yliopisto, WASProject

Yksi tämän hetken puhutuimmista rakennusalan 3D-tulostusaiheista on betonin 3D-tulostus, johon liittyen on viime vuosina otettu suuria kehitysaskeleita. Betonista voidaan valmistaa elementtejä tai jopa kokonaisia rakennuksia. Betonia voidaan 3D-tulostaa useilla eri lisäävän valmistuksen menetelmillä, joista tällä hetkellä yleisin on materiaalin pursotukseen perustuvat menetelmä.

Meneillään onkin ideologinen kahtiajako: 3D-tulostuksen hyödyntäminen elementtien valmistamisessa tehtaalla hallitussa ympäristössä sekä rakennuksen ja/tai sen osien valmistus suoraan rakennustyömaalla. Esimerkkejä 3D-tulostetuista rakennuksista ja niiden elementeistä löytyy tähän mennessä Kiinasta, Yhdysvalloista, Lähi-Idästä ja Venäjältä. Myös Eurooppaan on nousemassa ensimmäinen 3D-tulostettu rakennus – Hollannissa on käynnissä projekti, jossa 3D-tulostetaan hotellirakennus.

Kuva 3: a) Dubain 3D-tulostettu toimistorakennus. b) Winsun -yrityksen 3D-tulostama kartano Kiinaan vuonna 2014.

Betonirakenteiden valmistaminen rakennustyömaalla

Markkinoilta löytyy tällä hetkellä muutamia toimijoita, jotka kehittävät rakennustyömaalla käytettäviä betonin 3D-tulostusjärjestelmiä. Tunneituimpia lienevät Apis Cor (http://apis-cor.com/en/) sekä Contour Crafting (http://contourcrafting.com/), mutta markkinoille on tulossa useita uusia toimijoita.

Suoraan rakennustyömaalla valmistamisessa on useita hyviä puolia, mm. materiaalin kuljetus. Kun rakenteet valmistetaan paikan päällä, on raaka-aineet helpommin kuljetettavassa muodossa. Haasteita ovat mm. rakenteiden kestävyys, keliolosuhteet ja viranomaismääräykset.  Vaikka ratkaisuissa lisätäänkin raudoituksia rakenteisiin on tekniikka vielä kehitysvaiheessa ja sen arkipäiväistyminen useamman vuoden takana. Keliolosuhteiden osalta mm. Apis Cor käyttää laitteitaan paikan päälle asennettavan teltan sisällä, joka mahdollistaa 3D-tulostuksen hieman hallitummassa ympäristössä. Viranomaismääräykset puolestaan ovat useissa maissa vielä kesken, joka on rajoittanut valmistusmenetelmän käyttöä useimmissa maissa lähinnä esittelytaloihin.

Kuva 4: a) Apis Cor tulostin valmistaa tolppamaisella tulostinlaitteella rakennusta teltan sisällä. b) Contour Crafting ratkaisussa tulostin muistuttaa siltanosturia, jonka työskentelyalue kattaa koko rakennustyömaan.

Elementtivalmistus

Elementtivalmistuksen hyvänä puolena on se, että tehtaalla rakennettavat elementit valmistuvat hallitussa ympäristössä ja rakennustyömaalle viedään elementtejä, joten niiden asentaminen ei poikkea aiemmasta toimintatavasta. Tavoitteena on tehostaa elementtivalmistusta, ja esimerkiksi suomalainen Fimatec on kehittänyt tulostuslaitetta, joka on suoraan konvertoitavissa elementtitehtaan tuotantojärjestelmään ja valmistaa rakennusmääräykset täyttävää seinää kustannustehokkaasti. Hyvänä puolena on myös se, että seinän eri rakennekerrokset (betonikuoret ja lämmöneristeet) voidaan valmistaa samalla kertaa. Heikkoudeksi voidaan puolestaan laskea se, että elementtien kuljetukseen liittyvä logistiikka säilyy ennallaan perinteiseen verrattuna.

Arkkitehtuuri ja 3D-tulostaminen – uusi ulottuvuus

Hyödynnetään tulevaisuudessa 3D-tulostusta tehtaalla tai suoraan rakennustyömaalla, tässä vaiheessa on jo selvää, että 3D-tulostus mahdollistaa uudenlaisen geometrisen vapauden rakennusten muotoiluun ja koristeluun. 3D-tulostaminen voi tuoda arkkitehtuuriin uudenlaisia ilmenemismuotoja ja rikastuttaa kaupunkikuvaa.

Kuva 5: a) Emerging Objects yrityksen 3D-tulostama paviljonki. b) Voxeljetin tulostuslaitteella valmistettu arkkitehtuurinen taideteos.

 

Sami Lampinen
Projektityöntekijä
Savonia-ammattikorkeakoulu, LIVA-hanke

 

 

Kuvalähteet:

kuva 2a)http://mx3d.com/projects/bridge-2/
kuva 2b)https://www.dezeen.com/2017/04/12/icd-itke-research-pavilion-university-stuttgart-germany-carbon-fibre-robots-drones/
kuva 2c)http://www.wasproject.it/w/en/il-muro-di-terra-e-paglia-alle-soglie-dei-3-metri/

kuva 3a)http://www.intellect.com.bd/details/367/worlds-first-3d-printed-office-started-functioning
kuva 3b)https://www.washingtonpost.com/news/innovations/wp/2015/02/05/yes-that-3d-printed-mansion-is-safe-to-live-in/?utm_term=.e893c5eb7d0f

kuva 4a)http://apis-cor.com/en/about/blog/features-and-perspectives-of-3d-printing
kuva 4b)https://www.architetturaecosostenibile.it/architettura/criteri-progettuali/stampante-3d-costruisce-casa-886/

kuva 5a)https://inhabitat.com/worlds-largest-3d-printed-building-made-from-powdered-cement-unveiled-at-uc-berkeley/3d-printed-bloom-pavilion-ronald-rael-uc-berkeley-17/
kuva 5b)https://www.designboom.com/architecture/digital-grotesque-full-scale-3d-printed-room-realized/