Katsaus lisäävän valmistuksen (aka 3D-tulostus) mahdollisuuksiin ja kustannuksiin metallisten tuotteiden valmistuksessa: Case jauhepetitekniikka
Piili, Heidi; Hirvimäki, Marika; Väistö, Tapio; Nyamekye, Patricia; Pekkarinen, Joonas; Salminen, Antti (2014-12-05)
Final version
Piili, Heidi
Hirvimäki, Marika
Väistö, Tapio
Nyamekye, Patricia
Pekkarinen, Joonas
Salminen, Antti
05.12.2014
Teknillinen tiedekunta, LUT School of Technology LUT Kone, LUT Mechanical Engineering
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-265-671-1
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-265-671-1
Tiivistelmä
Suurelle yleisölle lisäävä valmistustekniikka eli ns. 3D-tulostustekniikka näyttäytyy lehtien otsikoissa ja artikkeleissa esiin pulpahtavana ”muotiaiheena”, mutta sekä muovien 3D-tulostustekniikka että metallienkin vastaava valmistustekniikka on ollut olemassa maailmalla ja Suomessa 80-luvun puolivälistä alkaen. Yhdysvalloissa ja Saksassa tekniikkaa käytetään valmistavassa teollisuudessa toiminnallisten osien tuotannossa. Esimerkiksi lentokoneen suihkumoottorien osia ja lääketieteellisiä välineitä tehdään metallijauheesta lisäävän valmistuksen avulla. Itse asiassa eräs menetelmä metalliesineiden valmistamiseksi lasersäteen avulla keksittiin Suomessa ja sitä myös kehiteltiin täällä, mutta teollisuudenala lähti aikanaan nousuun Saksassa. Lisäävä valmistus on tällä hetkellä maailmanlaajuisesti eräs kiinnostavista tuotantotekniikoista, jonka uskotaan muuttavan monia asioita tuotteiden suunnittelussa, toiminnoissa ja valmistuksessa. Tämä tekniikka ei kiinnosta pelkästään valmistavaa teollisuutta, vaan tietotekniikan, lääketieteen, koruvalmistuksen ja muotoilun osaajat sekä uusien liiketoimintamallien kehittäjät ja logistiikka operaattorit ovat teknologiasta kiinnostuneita. Suomelle 3D-tulostustekniikka on suuri mahdollisuus, sillä maassamme on vahva teollinen tieto- ja viestintätekniikkaosaaminen sekä lisäksi olemme maassamme erikoistuneet varsin vaativien teollisiin laitteiden valmistukseen. Eräät suurimmista mahdollisuuksista tällä tekniikalla ovat toimitusketjuihin liittyvät muutokset. Uutta on, että pienetkin yritykset ja organisaatiot voivat soveltaa tätä tekniikkaa valmistuksessa ja jopa kehitellä täysin uusia tuotteita. On myös arvioitu, että lisäävän valmistuksen merkitys valmistustapoihin ja toimitusketjuihin voi olla suurempi kuin koskaan aikaisemmin minkään teknologisen uudistuksen kohdalla. Lisäävästä valmistuksesta usein puhutaankin kolmantena teollisena vallankumouksena juuri tämän takia. 3D-tulostuksen kustannuksia tarkasteltaessa on tärkeätä huomata että vain sulatetun jauheen määrä ratkaisee, ei käytettävän geometrian monimutkaisuus. Tämä erottaa perinteisen ja lisäävän valmistuksen toisistaan. Perinteisesti kappaleen keventäminen on maksanut ”ylimääräistä”, kun taas lisäävässä valmistuksessa kappaleen keveys on jopa kustannusta alentava tekijä. Valmistettavan kappaleen korkeus on yksi kriittisimpiä kustannuksiin vaikuttavia tekijöitä. Tämän vuoksi useamman kappaleen valmistus yhdellä kertaa parantaa kannattavuutta huomattavasti. Samalla kertaa voi ja itse asiassa kannattaakin valmistaa keskenään erilaisia kappaleita. Perinteiset valmistustavat sen sijaan ovat nykyajan vaatimuksille liian hitaita; ne joustavat huonosti, kun kyseessä on pienet, asiakaslähtöiset erät. Trendi on globaalisti kohden yksilöllisiä asiakaslähtöisiä tuotteita, jolloin myös valmistustekniikoiden on oltava joustavia pysyäkseen näiden vaatimusten perässä. Lisäävä valmistus sopii erityisesti hyvin piensarjatuotantoon. Suuremmissa valmistuserissä kuitenkin perinteiset tekniikat ovat kustannustehokkaampia. Additive manufacturing, or commonly known as 3D printing, appears to public audience as trend issue in newspapers and media. This technology is actually invented in middle of 80´s and it has been developed since that. Additive manufacturing is used in fabrication of functional parts in Germany and in USA. For example, parts for jet engine of air planes and medical devices are produced from metallic powder by assist of additive manufacturing. Actually, one method for laser additive manufacturing of metallic materials is invented in Finland and it has been also developed in Finland but this field of industry started later to grow in Germany. Additive manufacturing is at the moment one of most interesting manufacturing technology globally, and it is believed to change many things in manufacturing industry. This technology does not only attract manufacturing industry but it provides also new possibilities for information technology, medical applications, fabrication of jewellery and designers. 3D printing is huge opportunity for Finland also as our country has strong know-how in information and communication technology and also in specialization of manufacturing of demanding industrial devices. One of the largest possibilities in additive manufacturing is related to changes of supply chains. Small companies and organizations can apply this technology to their manufacturing and create even new products. It is also estimated that additive manufacturing has larger effect on ways to fabricate things and on supply chains than it has ever seen in any technological break-through. This is why additive manufacturing is very often referred as third industrial revolution. When costs of 3D printing are observed, it important to understand that only amount of melted powder matters, not the complexity of used geometry. This is where additive manufacturing varies from conventional manufacturing techniques. Fabrication of light-weight structures has been traditionally expensive when additive manufacturing this is actually decreasing manufacturing costs. Height of workpiece is one of major factor to increase manufacturing costs in 3D printing. This is why fabrication of many pieces at print is recommended. And it is beneficial to also manufacture at one print workpieces which vary a lot from each other. Conventional manufacturing technologies are too slow for demands of nowadays clients; they are very inflexible, especially when customer-orientated, small series production is considered. As trend in these days are towards this, it sets also high demands for capability and flexibility of manufacturing industry. Additive manufacturing is very suitable for small series production and conventional manufacturing technologies have many advantages in in case large-scale fabrication.
Lähdeviite
Editors: Piili, H., Hirvimäki, M., Väistö, T., Nyamekye, P., Pekkarinen, J., Salminen, A., Katsaus lisäävän valmistuksen (aka 3D-tulostus) mahdollisuuksiin ja kustannuksiin metallisten tuotteiden valmistuksessa: Case jauhepetitekniikka, Research Report 40, Faculty of Technology, Department of Mechanical Engineering, Lappeenranta University of Technology, Finland, 2014, 31 p.