Lisäävä valmistus muuttaa suunnittelua

Kolumni  18.02.2020

Metallien lisäävä valmistus, eli 3D-tulostus, on viime vuosina löytänyt paljon hyviä käyttökohteita ja sovelluksia eri aloilta. Asiantuntijoiden arviot ja laitemyynnin vuosittainen kasvu viittaavat käytön vain lisääntyvän lähitulevaisuudessa. Tästä huolimatta menetelmän käytöllä on yksi suuri rajoittava tekijä: hinta. Erityisesti yleisimmät metallien lisäävän valmistuksen prosessit ovat valmistusmenetelminä hyvinkin kalliita.

3D-tulostuksen menetelmät ovat perinteisesti toimineet pääasiassa prototyyppien ja tuotannon apuvälineiden valmistusmenetelmänä. Metallien lisäävän valmistuksen kasvupotentiaali piileekin oleellisesti sen tehokkaassa hyödyntämisessä lopputuotteiden valmistuksessa. Jotta hintavien menetelmien käyttö tällaisten osien valmistuksessa voidaan perustella, täytyy tulosteen tuottaa jotain etua verrattuna perinteisesti valmistettavaan osaan. 3D-tulostaminen mahdollistaa hyvinkin vapaiden muotojen valmistamisen, jolloin tuotteen optimoiminen toiminnallisuus edellä mahdollistuu. Tämä lähtökohta asettaa suunnittelijan aivan toisenlaiseen asemaan kuin esimerkiksi koneistettavaa kappaletta suunniteltaessa, jossa tilanne on kärjistettynä täysin päinvastainen. Tuotteen optimointi on lisäävän valmistuksen kannalta hyvinkin kriittistä, sillä yksinkertainen kappale valmistuu tehokkaammin perinteisin menetelmin. Jokainen ylimääräinen gramma kappaleen painossa vaikuttaa negatiivisesti tulosteen hintaan.

Laskennan ja simulaatioiden rooli kasvaa entisestään

Ajatusmaailman muutosten lisäksi suunnittelijan työkalut muuttuvat. Perinteisillä CAD-työkaluilla mallintaessa suunnittelija tekee paljon päätöksiä itse, piirtelee luonnoksia sekä leikkaa ja pursottaa kappaleen ominaisuuksia. Lisäävällä valmistuksella valmistettavien kappaleiden suunnittelu vaatii kuitenkin aivan uusia työkaluja, joissa suunnittelu tapahtuu laskenta edellä. Optimoitujen rakenteiden suunnittelu intuitiivisesti on usein mahdotonta ja mallinnus manuaalisesti vähintäänkin työlästä. Ohjelmistotalot ovat vastanneet tähän tarpeeseen tuomalla markkinoille huiman määrän erilaisia työkaluja rakenteiden optimointia ja uudenlaista mallinnusta varten. Alan vaikuttajat puhuvatkin ”fysiikka- ja matematiikkalähtöisestä suunnittelusta” sekä ”rakenteiden ohjelmointikielestä”.

Itse mallinnuksen lisäksi toinen tärkeä suunnittelun työkalu liittyy valmistettavuuden varmistamiseen. Metallien 3D-tulostuksessa on usein prosessin luonteesta johtuva riski valmistuksen epäonnistumiselle. Tähän ongelmaan onkin kehitetty apuvälineitä, joiden avulla ensimmäinen erä voidaan valmistaa digitaalisesti ­– niin sanottu 0-sarja. Markkinoille on tuotu erilaisia ratkaisuja tulostusprosessin laskennallista simulointia varten, jotka mahdollistavat osan valmistettavuuden tarkastelun ennen todellista tulostusta.

Lisäävän valmistuksen myötä laskennan ja simulaatioiden rooli suunnittelutyössä kasvaa huomattavasti. 3D-tulostuksen osuuden kasvaessa valmistavassa teollisuudessa, vaaditaan suunnittelijoilta sellaista ymmärrystä esimerkiksi lujuuslaskennasta ja elementtimenetelmästä, jota tämän päivän mekaniikkasuunnittelijoilta ei välttämättä löydy. Onkin tärkeää, että koulutusmaailmassa pidetään huolta näiden, muussakin suunnittelussa tärkeiden, taitojen vahvasta opetuksesta. Tämän lisäksi tulee myös huomioida työelämässä jo olevien työntekijöiden koulutus, jotta osaaminen vastaa ajan tarpeita.

Diplomityöntekijä Atte Heiskanen, TkK.
LUT-Yliopisto

Projektitutkija Niko Riikonen, DI
LUT-Yliopisto

Dosentti Heidi Piili, TkT.
LUT-Yliopisto