3D-TULOSTUS perustuu 3D-malleihin. Mallit tuotetaan tietokoneavusteisesti muun muassa käsin kuvantamalla olemassa olevia asioita, muokkaamalla olemassa olevia malleja tai generoimalla malli automaattisesti annettujen kriteerien perusteella.

Useissa nykyisissä tietokoneavusteisissa CAD-mallinnusohjelmissa on jo sisäänrakennettuna toimintoja, jotka optimoivat kolmiulotteisen mallin 3Dtulostusta varten. Ohjelmistot kykenevät myös itse tuottamaan optimoituja muotoja, jotka noudattavat annettuja suunnittelukriteereitä esimerkiksi materiaalin määrän, tiheyden tai kestävyyden suhteen.

– 3D-tulostus on joustava työkalu, jota voi soveltaa lukemattomiin asioihin. Kun toiset valmistavat 3D-tulostuksella muovisia joulukoristeita yksinkertaisilla muovipursottimilla, toiset tuottavat koneiden metalliosia kehittyneemmillä lasersintrauslaitteilla, sanoo Ideascout Oy:n toimitusjohtaja Pekka Ketola. Ideascout on suomalaisyritys, joka valmentaa yrityksiä 3D-tulostuksen hyödyntämiseen.

3D-tulostusteknologian nähdään muuttavan perinteisiä suunnittelu- ja valmistustapoja, liiketoimintamalleja, strategioita ja logistiikkaketjuja. Siihen liittyvä materiaalikehitys on myös vauhdikasta: yksinkertaisimmillaan 3D-tulostettavaa materiaalia voidaan tuottaa selluloosasta ja vedestä. Tämänkaltainen materiaali on täysin luonnonmukaista ja biohajoavaa, mutta kestävyyttä on riittävästi muun muassa huonekaluvalmistukseen.

Teollisuudessa 3D-tulostettujen varaosien liiketoiminta kehittyy voimakkaasti maailmalla ja samalla myös meillä Suomessa. Aalto-yliopisto ja Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy ovat käynnistäneet tutkimushankkeen, joka pyrkii edistämään muutosta, jossa perinteisestä varaosien valmistusketjusta ja varastoinnista siirrytään digitalisoitumisen avulla dynaamiseen ja lisäarvoa tuottavaan verkostomalliin. Tällaisessa mallissa osien valmistus tapahtuu 3D-tulostamalla tarpeen mukaan, yleensä lähellä loppukäyttäjää. Tällöin varaosien toimitusten logistiikkaketjukin lyhenee.

Yksi 3D-tulostukseen liittyvän liiketoiminnan suurimmista potentiaaleista liittyy myös lääketieteellisiin sovelluksiin. Esimerkiksi luu- ja hammasimplantteja tuotetaan jo rutiininomaisesti muun muassa titaanin ja keramiikan 3D tulostuksella.

Ketolan mukaan peruslaitteet ovat jo nyt kaikkien saatavilla kotitietokoneiden hinnalla ja niitä hankitaan oppilaitoksiin, harrastuskäyttöön, yrityksiin ja yksityishenkilöiden käyttöön. Suurin osa oppimisesta tapahtuu kuitenkin toistaiseksi vielä kantapään ja kokeilujen kautta. Onkin lähes mahdotonta arvioida missä tilanteessa olemme 3D-tulostuksen sovellusten osalta 10 vuoden kuluttua.

– Kuten Internetin omaksuminen aikanaan, myös 3D-tulostus on uusi taito, jonka hallitsemisesta on konkreettista hyötyä työssä ja harrastuksissa. Perusteet on helppo oppia, mutta vasta mestari soveltaa osaamistaan luovasti ja pystyy ratkomaan kimuranttejakin ongelmatilanteita ja hyödyntää menetelmää tehokkaasti.

Myös koulutusta aiheeseen liittyen on jo Suomessa tarjolla. Esimerkiksi pirkanmaalainen joulukuussa 2014 käynnistynyt 3D-tulostuksen Akatemia, joka keskittyy 3D-tulostukseen liittyvän tiedon, valmiuden ja osaamisen levittämiseen Suomessa. Ketola muistuttaa, että 3D-tulostuksen, mallinnuksen ja muiden siihen liittyvien taitojen osaajia syntyykin nyt vauhdilla, mikä on hänen mielestään alan edistymisen ja tekniikan optimaalisen hyödyntämisen kannalta välttämätöntä.

Automaatio lisääntyy, tuotantokustannukset laskevat

Metallien 3D-tulostus on ottanut suuria harppauksia eteenpäin viime vuosina. Tulostettavien kappaleiden koot ovat kasvaneet ja prosessit myös nopeutuneet. Yleinen mielikuva on, että 3Dtulostus on vain protovalmistukseen, mutta nykyisin tarjolla oleva monilaserteknologia mahdollistaa tänä päivänä myös tuotteiden sarjavalmistuksen. 3Dtulostuksen hyödyntäminen sarjavalmistuksessa tekee tuotteista entistäkin suorituskykyisempiä, luotettavampia ja kevyempiä sekä yksinkertaistaa valmistusta.

– Nykyään saatavilla olevilla metallien 3D-tulostimilla pystytään tulostamaan periaatteessa kaikkia huoneen lämpötilassa hitsattavia metalleja. Tulostettavien kappaleiden materiaaliominaisuudet ovat lähellä taottua
materiaalia. Maksimi kappalekoko on 500x280x320mm, jota SLM-koneella kasvatetaan kerroskerrokselta 20- 100um kerrospaksuudella neljällä laserilla. Tulostuskoot kuitenkin kasvavat nopeasti teknologian jatkuvat kehittymisen myötä.

Ketolan mukaan tulevaisuudessa 3D-tulostukseen on tulossa yhä enemmän automaatiota. Tämän myötä yksittäisten kappaleiden valmistuskustannukset tulevat edelleen laskemaan.

– Esimerkiksi lentokoneteollisuus – kuten GE Aviation – on aloittamassa todella laajan sarjavalmistuksen uuden sukupolven kappaleilla, joissa hyödynnetään 3D-tulostuksen tarjoamaa muotovapautta. Toisin sanoen kappaleita ei tarvitse enää suunnitella perinteisien valmistusmenetelmien rajoitteiden mukaisesti, vaan niistä pystytään tekemään täysin optimaalisia sekä tulostaa monimutkainen kokonaisuus kerralla.

Prototyypeistä sarjatuotantoon

3D-tulostus nopeuttaa merkittävästi teknologiateollisuuden innovaatioprosesseja. Tuotteiden kaupallistamisaika lyhenee ja tehostuu merkittävästi, kun yritykset pääsevät testaamaan toimivia prototyyppejä ja mallikappaleita ennen
sarjatuotannon aloittamista.

Teknologia soveltuu hyvin koneiden ja laitteiden varaosien sekä työkalujen valmistukseen. Lasersulatusmenetelmällä valmistetut komponentit ovat yhtenäisen materiaalinsa ja sen kerroksisen lasersulatuksen ansiosta kestäviä ja lujia.

AM Finland Oy hyödyntää 3Dtulostustekniikkaa pääasiassa valmistaessaan teollisuuteen prototyyppejä, pikamalleja, työkaluja ja varaosia. Tuotteita voidaan valmistaa neljästä eri materiaalista: ruostumattomasta teräksestä, kobolttikromista, pronssista ja hopeasta. Yhtiö palvelee eri teollisuudenaloja kuten koruteollisuutta, eri teollisuusalojen yrityksiä sekä hammasimplantteja valmistavia hammaslaboratorioita.

– Laitteistollamme voimme valmistaa 90x90x80mm rakennusalueelle mahtuvia metallikomponentteja. Yhteistyökumppaneiden kautta tarjoamme palveluna myös muita metallivaihtoehtoja, suurempia metallikomponentteja, muovia ja oheispalveluita. Myös mallinnus ja erilaiset tuotteiden viimeistelyt kuuluvat palveluihimme, toteaa yhtiön myynti- ja markkinointipäällikkö Sanni Heikkinen.

Heikkisen mukaan yritys toimittaa ”jonkin verran” myös varaosia teollisuuteen.

– Uskon, että tulevaisuudessa varaosien toimitukset kasvavat. Kaikkiin laitteisiin ei ole olemassa varaosia ja niin saatavuus voi olla työn takana. Myös pitkät toimitusajat voivat haitata ja tuoda suuria kustannuksia esimerkiksi tuotantolinjojen seisoessa. Meiltä metallikomponentin saa normaalisti 3-7 arkipäivässä ja nopeutetulla aikataululla jopa samana päivänä lähiseudulle.

Tulevaisuudelta yhtiö toivoo voivansa palvella asiakkaitaan myös suurempien metallikomponenttien valmistuksessa ja laajemman materiaalivalikoiman kanssa.

– Haluamme myös tarjota yhä laajemmin oheispalveluita. Lähiaikoina on tulossa, myös kuluttajille mahdollisuus tilata meidän tuotteitamme yhden yhteistyökumppanimme kautta. Heillä on jo ennestään 3D-tulostuksen verkkokauppa.

Uusia liiketoimintamahdollisuuksia

3DTech Oy:n Marko Piiran näkemyksen mukaan teollisuus elää 3D-tulostuksen suhteen tämän hetken Suomessa vasta ”tutustumisvaihettaan”. Teknologian kehityksen ansiosta tulevaisuus tulee kuitenkin olemaan erittäin mielenkiintoinen ja mahdollisuuksia täynnä aina lääketeollisuuden personoiduista lääkkeistä talojen rakentamiseen.

– Juuri nyt teollisuus ”tutustuu” eri 3D-prosesseihin ja materiaaleihin aktiivisesti etsien sekä lisäarvoa tuottavia kokonaisuuksia nykyisiin prosesseihinsa ja tuotteisiinsa että kokonaan uusia liiketoimintamahdollisuuksia. 3D tulostus ei tule mullistamaan kaikkea, mutta se tulee luomaan uusia liiketoimintamahdollisuuksia niin kokonaan uusille yrittäjille kuin perinteisille teollisuuden aloille.

Piiran mukaan varaosaliiketoiminta tulee muuttumaan juuri 3D-tulostuksen ja digitaalisten toimintaympäristöjen sekä metallitulostuksen laatu- ja kustannuskehityksen ansiosta seuraavan kymmenen vuoden aikana.

– Toimitamme jatkuvasti yhä enemmän ja enemmän koneiden sekä laitteiden osia, jotka ovat 3D-tulostettuja ja tarvittaessa pintakäsiteltyjä olosuhdevaatimusten mukaan. Nämä ovat esimerkiksi siis jo suoraan myös koneiden ja laitteiden varaosia, jotka tullaan jatkossakin valmistamaan 3D-tulostamalla ja tarpeen mukaan hyvinkin nopeasti. Esimerkkeinä mainittakoon robottien nivelvarret, alipainetarttujat, toimilaitteiden kiinnikkeet ja gripperit.

3D-tulostusmateriaalien kirjo on varsin laaja – aina metalleista, kvartsihiekan, kumimaisten materiaalien, komposiittien ja biomateriaalien kautta muoveihin.

–Koska jo pelkästään erilaisia tulostusprosesseja on useita, niin kaikkia materiaaleja emme pysty 3D-tulostamaan omissa tiloissamme. Hyvien yhteistyö- kumppaniemme kautta pystymme kuitenkin tarjoamaan kustannustehokkaasti varsin kattavan materiaaliportfolion. Kumppaneista ensisijaisesti käytetään kotimaisia vaihtoehtoja ja vasta sen jälkeen ulkomaisia – esimerkiksi silloin, mikäli emme pysty joko materiaali- tai kustannusteknisistä syistä tuotetta valmistamaan kotimaassa.

3D-tulostus palvelee teollisuuden tarpeita

Tämän päivän yksi selkeästi nähtävillä oleva trendi alalla on Canorama Oy:n 3 D tuotepäällikkö Kai Pekarilan mukaan se, että tulostusmateriaalit eivät aseta enää ehtoja tulostinvalinnalle. Esimerkiksi yhdysvaltalainen 3D Systems julkisti tammikuussa 2016 niin sanotun multimateriaalitulostimen, joka mahdollistaa uusien entistä elastisempien materiaalien tulostamisen – esimerkiksi vaikkapa ilmapallojen tulostuksen.

Tämän vuosituhannen alussa oli jo nähtävissä selkeä trendi siitä, että 3Dtulostaminen menee pilveen. Pekarilan mielestä tämä on vain hyvä asia, sillä se tuo taas uusia mahdollisuuksia mallien tilaajille. Tilaajat voivat jatkossa valita eri suunnittelijoita ja erilaisia malleja tai vastaavan tuotteen, mutta toteutettuna eri materiaaleilla.

– Tulosteen tilaajalla on nyt mahdollisuus kilpailuttaa eri toimittajia helpommin, tosin lopputuotteen laadusta ei voi olla aina takeita. Toisaalta tulostinten hinnat ovat tulleet kohtuullisiksi ja niiden laatu on parantunut näiden muutaman vuoden aikana jo merkittävästi, joten sellaisen hankinta omaan käyttöön on useimmissa tapauksissa ostopalveluja kannattavampaa.

Kehittyvä trendi on myös se, että 3D-tulostaminen on oleellinen osa teollista tuotantolinjaa ja se soveltuu yksittäisten räätälöityjen tuotteiden lisäksi myös massaräätälöintituotantoon – tästä yhtenä esimerkkinä on hammasimplanttien tulostaminen.

Pekarilan mielestä jo nykyisin saatavilla oleva 3D-tulostustekniikka palvelee hyvin teollisuuden tarpeita. Nykyisillä ammattitulostimilla voidaan tuottaa jo erittäin isoja esineitä yhdellä tulostuksella. Esimerkiksi 3D Systemsillä on tulostin, jolla voidaan tulostaa kerralla 1,5 metriä leveä esine.

– Teollisuus on käyttänyt jo jonkin aikaa 3D-tulostusta proto- ja testimallien lisäksi myös lopputuotteiden valmistukseen. Erityisesti metallitulostuksen kehitys on mahdollistanut entistä kestävien lopputuotteiden valmistuksen. 3D-tulostusta käytetään jatkuvasti teollisessa tuotannossa auto-, elektroniikka-, energia- ja ilmateollisuuden sekä terveydenhuollon ja teollisten komponenttien saralla. Teollisuudessa tehdään 3D-tulostamalla tuotantoon ja varaosiksi esimerkiksi tarkkoja muovimuotteja, pumppuja, implantteja, moottorin osia ja työkaluja.

Pekarilan mukaan 3D-tulostaminen mahdollistaa kaiken sen mikä muulla teollisella valmistamisella on mahdotonta, eli lopputuote joka on vapaasti suunniteltu ideaalisen lopputuloksen saamiseksi. Tuote joka on sekä kevyt, saumaton, joustava, tarkka ja kestävä että helposti uudelleen muuteltavissa.