Kuinka metallia tulostetaan – isosti

Tämän päivän 3D-tulostus on paljon muutakin kuin pienten muovisten prototyyppien valmistusta. Ainetta lisäävään valmistukseen soveltuvien materiaalien ja sovellusten kirjo kasvaa jatkuvasti, ja kaikkein kiinnostavinta kehitystä tapahtuu isojen metallikappaleiden tulostamisessa.

Valokaareen perustuva lankapohjainen suorakerrostus eli WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) on kehittynyt viime vuosina erittäin merkittävästi ja osoittautunut monessa tapauksessa käyttökelpoiseksi tavaksi tulostaa metallia. WAAM-menetelmässä tietokoneohjattu kone käytännössä muodostaa tulostettavan kappaleen päällekkäisistä hitsausainekerroksista.
 

Hitsausrobotteja on ollut tietenkin käytössä jo pitkään, joten mikä tekee WAAM-menetelmän niin ajankohtaiseksi? Pääsyy on se, että suunnittelu- ja ohjelmointiteknologia on kypsynyt sellaiselle tasolle, että muodoltaan vaativia kappaleita pystytään ohjelmoimaan ja tulostamaan kustannustehokkaasti.

Uusille kasvuyrityksille tarjoutuu enemmän mahdollisuuksia, ja hinnat laskevat väkisinkin, kun markkinoille tulee lisää kilpailua. Hyvä esimerkki innovatiivisista lisäävän valmistuksen toimijoista on raketti-startup Relativity Space. Kun avaruusalukseen perinteisesti tarvitaan noin 100 000 osaa, Relativity Space on karsinut 3D-tulostusta hyödyntämällä osien määrän noin tuhanteen.

Yritys kertoo, että heiltä raketti syntyy ainoastaan kahdessa kuukaudessa. Kun uusiakin teknologioita kehitetään jatkuvasti, Relativity Space pystyy rakentamaan uusia rakettimalleja huomattavasti kilpailijoita nopeammin.
 

WAAM-menetelmän ilmeisimmät edut ovat samat kuin muillakin 3D-tekniikoilla. Tuotanto on paikasta riippumatonta, joten kalliit logistiikkakustannukset jäävät pois. Räätälöityjä varaosia voidaan tulostaa tarpeen mukaan, eikä harvoin tarvittavia osia ole tarpeen pitää varastossa. Automatisoidut, tietokoneohjatut prosessit minimoivat inhimillisten virheiden riskin.

Yksi 3D-tulostuksen isoista eduista on mahdollisuus valmistaa aivan uudenlaisia kappaleita. Suunnittelijat saavat vapaammat kädet, joten saavutettavissa on muotoja, joiden valmistaminen olisi perinteisillä menetelmillä erittäin kallista tai jopa mahdotonta.

Digitalisoitu 3D-suunnittelu luo mahdollisuuksia kokeiluille ja joustaville muutoksille. Prosessi on huomattavasti tehokkaampi kuin perinteinen tuotekohtaisiin työkaluihin perustuva tuotanto. Suunnitteluvaiheessa on helppo tehdä pikkumuutoksia ja iteraatioita, ja aikajänne ideasta valmiiksi tuotteeksi on lyhyempi kuin muilla menetelmillä.

Toinen WAAM:n hyöty on mahdollisuus pienentää metallikappaleeseen tarvittavaa ainemäärää, mikä on etu niin hiilijalanjäljen kuin kukkaronkin kannalta.
 

WAAM-menetelmän onnistumiselle on ratkaisevaa suunnittelijan ja valmistuksen yhteistyö. Hyvä esimerkki on energiateknologiayhtiö Wärtsilän valmistama moottorin kiinnitysosa, jonka suunnittelua tarkasteltiin Merinovan energiaklusterin suunnittelusprintissä. Käytännön suunnittelutyön teki Etteplan. Valmistuskumppani oli ANDRITZ Savonlinna Works.

Haasteena oli suunnitella osa siten, että estetään koneen alustan värähtely. Alkuperäisessä ratkaisussa oli neljä paksua, yhteen hitsattua metallilevyä, jotka viimeisteltiin tasojyrsimällä. Kiinnike kiinnitettiin paikalleen 16 pulttiliitoksella, ja painoa kertyi yhteensä yli 31 kiloa.

Merinovan suunnittelusprintissä todettiin nopeasti, että kiinnitykseen riittää 8 pulttia. Koska projekti oli vielä pelkästään digitaalisessa muodossa, suunnitelmia oli helppo muuttaa lennossa.

Jos kyseessä olisi ollut perinteinen suunnitteluprosessi, olisi ollut iso houkutus välttää lisätyötä pitäytymällä 16 pultissa – jolloin olisi samalla menetetty uusien innovatiivisten ratkaisujen mahdollisuudet.

Kuva 1. havainnollistaa, kuinka komponentin suunnittelussa hyödynnettiin kolmen suunnitteluohjelmiston parhaita etuja. Optimaalisella 3D-datan hallinnalla pystytään toteuttamaan nopeasti geometrisia muutoksia (tässä tapauksessa kiinnityspulttien karsiminen 16:sta 8:aan).
 

Wärtsilän moottorikiinnikkeen suunnitteluun käytetyt suunnitteluohjelmistot, kuten Altair Inspire ja nTopology, pystyvät ehdottamaan erilaisia ratkaisuja asetettujen parametrien rajoissa. Puhutaan topologiaoptimoinnista – miten tulostettava kappale voidaan suunnitella siten, että materiaalia kuluu mahdollisimman vähän tinkimättä kuitenkaan käyttötarkoituksen edellyttämästä tukevuudesta.

Suunnitteluohjelmiston ehdotukset voivat ruokkia uusia ideoita, mutta insinöörin on kuitenkin osattava karsia mahdottomat tai epäviisaat ratkaisut ja valita lupaavat jatkokehitykseen.

Kiinnikkeen lopullinen versio painoi ainoastaan 21 kiloa, siis merkittävästi vähemmän kuin lähtökohta. Kuten kuvasta näkee, futuristiset muotoiluratkaisut tuskin olisivat syntyneet ihmissuunnittelijan piirustuspöydällä.

Wärtsilän moottorikiinnike

Onko kerroksittain tulostettu metallikappale yhtä tukeva ja kestävä kuin teräsaihiosta koneistettu? Nähtävästi on. ANDRITZ suoritti 95 kerroksesta muodostetulle 3D-kappaleelle rajut testit, joissa selvitettiin esimerkiksi taivutuslujuutta, korroosionkestoa sekä isku- ja myötölujuutta. Kappale sai puhtaat paperit ja eräissä tapauksissa jopa ylitti asetetut vaatimukset.
 

Uusien ratkaisujen kokeilu vaatii rohkeutta ja tulevaisuuteen suuntautuvaa asennetta. Wärtsilän projektissa onnistunut lopputulos vaati monenlaista asiantuntemusta ja ennakkoluulotonta ajattelua. Tarvittiin myös suunnittelijoiden, tuotantohenkilöstön ja asiakkaan tiivistä yhteistyötä.

Lisäävä valmistus herättää paljon lupauksia. WAAM-menetelmän mahdollisuudet laajenevat jatkuvasti, mutta edelleen tarvitaan investointeja, jotta koko kapasiteetti saadaan irti sen sijaan, että rajalliset resurssit hajotetaan perinteisen tuotannon ja lisäävän valmistuksen kesken.

WAAM on jo osoittautunut tuotantokäytössä toimivaksi ratkaisuksi. Edellä mainitun moottorikiinnikkeen lisäksi ANDRITZ on kehittänyt ja asentanut viime aikoina ensimmäiset WAAM-menetelmällä tulostetut osat sellutehtaan prosessilaitteisiin. Meneillään on myös projekti, jonka tavoitteena on kasvattaa tulostettavien osien kokoa muutamista kymmenistä kiloista satoihin kiloihin.

Laajemmin tarkasteltuna lisäävä valmistus on yksi digitalisaatio-megatrendin alavirroista. Lisäksi se lähentää olennaisella tavalla virtuaalista ja fyysistä todellisuutta toisiinsa. CAM-suunnittelun, ohjelmistojen ja valmistustekniikan kehitys avaa uusia mahdollisuuksia, jotka olisivat olleet mahdottomia vielä muutama vuosi sitten. Tuskin on mahdollista kuvitellakaan, millaista käyttöä WAAM-menetelmälle löytyy, kun mennään joitakin vuosia eteenpäin. Katsotaan mihin pääsemme. Tästä tulee hieno matka.

Haluatko tietää lisää metallien 3D-tulostamisesta? Ota yhteyttä!