Viisi virheellistä mielikuvaa: Totuus 3D-tulostuksesta

3D-tulostuksessa tulostuskone valmistaa kolmiulotteisen kappaleen digitaalisen mallin pohjalta kerros kerrokselta. Siinä yksinkertaistetusti lähtökohta teknologialle, jota 3D-tulostukseksi kutsutaan. Ja siihen yksinkertaistaminen on ehkä hyvä jättää. 3D-tulostaminen on moniulotteinen prosessi, ja vaikka teknologia on ollut käytössä jo 1980-luvulta lähtien, siihen liittyy useita paikkaansapitämättömiä yleistyksiä ja väärinkäsityksiä, kuten suhteellisen uusille ja voimakkaasti kehittyville aloille tuppaa käymään. Lisää yleistyksistä tuonnempana, otetaanpa ensin lyhyt ranskalainen kertaus kolmiulotteisen tulostuksen historiasta ja keskeisestä sanastosta:

• 1974 kemistitohtori David E. H. Jones kehittää 3D-tulostuksen konseptin Englannissa ja julkaisee ajatuksensa New Scientist -lehdessä.

• 1980-luvulla useat tahot ja henkilöt eri puolilla maailmaa kehittävät konseptia eteenpäin ja teknologian peruskäytännöt alkavat muodostua. Monet näistä käytännöistä ovat edelleen hyvin keskeisiä.

• 1986 keksijäyrittäjä Charles W. Hull kaupallistaa teknologian ensimmäisenä perustamalla 3D Systems Corporation -nimisen yrityksen Yhdysvaltojen Kaliforniassa.

• 3D-tulostustekniikoita ja nimikkeitä on syntynyt vuosien saatossa useita (Stereolitografia, Fused Deposition Modeling, Selective Laser Sintering, Selective Laser Melting, Direct Metal Laser Sintering…). Tekniikat eroavat toisistaan mm. valmistusmateriaalien, valmistusprosessien ja tulostuskoneiden tekniikan osalta, mutta kaikkien perusajatus on sama: tulostuskone valmistaa kolmiulotteisen kappaleen digitaalisen mallin pohjalta kerros kerrokselta.

• 3D-tulostus ja 2000-luvun alkupuolella yleistynyt termi ”lisäävä valmistus” (Additive Manufacturing, AM) tarkoittavat puhekielessä hyvin pitkälti samaa asiaa. Molemmat termit viittaavat siihen, miten kappaleen valmistuksessa materiaalia lisätään kerroksittain.

• Teollisuuden kontekstissa voidaan puhua myös, että 3D-tulostus on yksi lisäävän valmistuksen teknologioista ja prosesseista.

Yleistä keskustelua 3D-tulostukseen liittyen johdattelee mikäs muu kuin media. Usein klikkiotsikoidaan söpöistä kuution muotoisista pöytätulostimista, joilla innokkaat koti-insinöörit voivat printtailla fidget spinnereitä, tai maalaillaan uhkakuvia siitä, kuinka kohta kaikki mallintavat makuuhuoneissaan tuliaseita.

Vähitellen on kuitenkin kehitytty siihen pisteeseen, että ensimmäiset autojen ja talojen rungot sekä jopa ihmisten osat on onnistuneesti 3D-tulostettu. Teollisuuden alat ilmailusta elektroniikkaan, lääketieteeseen ja elintarviketuotantoon ovat ottaneet teknologian omakseen ja tuoteprototyyppien ohella myös varaosien sekä käyttövalmiiden lopputuotteiden tulostaminen korvaa kasvavissa määrin perinteisiä valmistusmenetelmiä. 3D-tulostuksen mahdollisuuksien suurin rajoite on mielikuvituksen puute.

Mutta mitä erheellisiä mielikuvia eritoten teollisesta 3D-tulostuksesta on valloillaan? Listasimme alle muutaman murrettavan myytin:

1. Mitä tahansa voi 3D-tulostaa.

Ei voi. Ainakaan ihan vielä. Kappaleiden muotojen puolesta ei juurikaan ole rajoitteita, mutta koko ja materiaalit vaikuttavat. Materflown laitekantaan kuuluvilla koneilla voi tulostaa kookkaita osia esim. prototyyppejä ja pienoismalleja (metalliosat max 280x280x365mm sekä muoviosat max 320x320x600mm), mutta parhaiten koneet soveltuvat pienempien varaosien sarjatuotantoon. Materiaaleihin kuuluu useita metalli- ja muovilaatuja. Voit lukea lisää tuotannosta ja materiaaleista täältä.

2. 3D-tulostaminen on järkevä valmistusmenetelmä vain silloin, kun kappaleen muoto ja geometria on monimutkainen.

On totta, että tulostamalla voi valmistaa huomattavasti haastavampia osia kuin perinteisillä valmistusmenetelmillä. Osien ei kuitenkaan tarvitse olla erityisen monimutkaisia, jotta tulostaminen on kustannusten ja toimitusaikojen suhteen kannattavampi vaihtoehto. Hyvänä esimerkkinä oheinen ruostumattomasta teräksestä valmistettu osa:

3. Tulostaminen on helppoa ja nopeaa: lataa mallin tiedosto koneelle, paina nappia ja kone tulostaa!

Periaatteessa juuri noin, käytännössä hieman työläämmin. Ennen kuin mitään tulostetaan, osien digitaaliset mallit tarkastetaan ja optimoidaan tulostusajoa varten. Yhteen ajoon pyritään lisäämään ja asemoimaan mahdollisimman monta ja monenlaista osaa, jotta tulostuskoneen kapasiteetista saadaan kaikki tila irti. Mitä täydempi ajo on, sitä matalampi hinta yhdelle osalle muodostuu. Koneitä täytyy myös huoltaa ja valmistella jokaiseen ajoon. Kun ajo on valmis, osat vaativat vielä jälkikäsittelyjä laadun parantamiseksi. Yksikään osa ei lähde tilaajalle ennen kuin vähintään putsaus ja pintakäsittely on tehty.

4. Kaikki tekniikat ja tulostimet tuottavat samaa tasaista laatua.

Laadun suhteen korostuu osaava henkilöstö ja tietotaito käytössä olevasta teknologiasta. Kuten alun ranskalainen yhteenveto kertoi, tulostustekniikoita ja koneita on useita, kaikki omine nyansseineen. Osaavan AM-suunnittelijan on ymmärrettävä eri tekniikat, mahdollisuudet ja rajoitukset sekä prosessit kokonaisvaltaisesti mallien optimoinnista tulostusmateriaalien ominaisuuksiin ja koneiden parametrien asettamiseen. Taitava AM-suunnittelija on siis sekoitus tuotesuunnittelijaa, muotoilijaa, teknistä suunnittelijaa ja materiaali-insinööriä. Materflown laitekantaan kuuluu SLS– ja SLM-tekniikan koneita, joita pidetään yleisesti teolliseen 3D-tulostukseen parhaiten soveltuvina muovi- ja metallikoneina.

Oman lukunsa laatuun lisäävät jälkikäsittelyt, sillä osat eivät tulostu käyttövalmiina. Ylimääräinen valmistusmateriaali kerätään talteen ja kierrätetään, osien mahdolliset reiät ja kanavat putsataan, osien pinnanlaatua parannetaan lasikuulapuhaltamalla ja tarvittaessa tehdään muitakin käsittelyjä, kuten hiontaa, värjäystä tai pinnoitusta. Jälkikäsittelyt ovat pitkälti käsityötä, mutta vuosien kokemus, prosessien jalostus ja osittainen automatisointi ovat tehostaneet jälkikäsittelyjen läpivientiä huomattavasti.

5. Onnistuuko parin osan nouto tai toimitus seuraavaksi päiväksi?

Hätätapauksissa mahdollisesti. Lähtökohtaisesti pyrimme kuitenkin ajamaan täysiä tuotantoajoja kustannustehokkuuden optimoimiseksi. Täydessä tuotantoajossa kestää maksimissaan pari päivää ja siihen jälkikäsittelyt päälle. Tilauksia ei siis kannata jättää viime tippaan.

3D-tulosteiden suunnittelun ja valmistuksen lisäksi Materflow auttaa yrityksiä hahmottamaan ja ottamaan 3D-tulostuksen mahdollisuuksia osaksi liiketoimintaa, muotoilua sekä konetekniikan ratkaisuja.