Ainetta lisäävä valmistus Pohjois-Savossa

Ainetta lisäävä valmistus Pohjois-Savossa suunnitteluperiaatteet ja yritysten näkökulmia Leka-tutkimusraportti Katri Honkanen Riikka Kutvonen 2013

2 SISÄLLYSLUETTELO 1 Johdanto... 4 2 Ainetta lisäävä valmistus... 6 2.1 AM-teknologian mahdollisuudet ja rajoitteet... 7 2.2 Prosessit... 8 2.3 Materiaalit... 11 2.4 Sovellukset... 13 3 AM-teknologia pohjoissavolaisissa yrityksissä... 16 3.1 AM-teknologian mahdollisuudet ja sovelluskohteet... 16 3.2 AM-teknologian haasteet... 17 3.3 Vaikutukset liiketoimintaan ja palveluihin... 18 3.4 Suunnittelu... 19 3.5 Tulevaisuuden näkymät... 20 4 AM-teknolgian vaikutukset suunnitteluun... 21 4.1 Yleiset suunnitteluperiaatteet... 21 4.2 Valmistettavuuden ja kokoonpanon huomioiminen... 22 4.3 AM-suunnittelu... 23 4.3.1 AM-teknologian huomioiva suunnittelu DFAM... 23 4.3.2 AM-suunnitteluperiaatteet... 25 4.3.3 Mekaanisten ominaisuuksien optimointi ja testaus... 26 4.4 Suunnittelun mahdollisuudet... 27 4.5 Suunnittelun rajoitteet... 31 4.6 Vaikutukset tuotekehitykseen... 34 5 Case-tutkimus... 36 5.1 Tausta... 36 5.2 Vaiheet... 36 5.2.1 Suunnittelu... 37 5.2.2 Kappaleen tulostus... 37 5.3 Loppupäätelmät... 39 5.3.1 Lopullisen kappaleen arviointi... 39 5.3.2 Hyödyt ja haasteet... 39 6 Johtopäätökset... 41 7 Yhteenveto... 43 8 Lähteet... 44

3 LYHENTEET ABS AM CAD DFA DFAM DFM DFMA DFR DFX EBM FDM FEF FEM LENS LMD LOM MJM PA SLA SLS STL UV 3DP Akryylinitriilibutadieenistyreeni eli ABS-muovi Ainetta tai materiaalia lisäävä valmistus (Additive Manufacturing) Tietokoneavusteinen suunnittelu (Computer Aided Design) DFA-periaate eli kokoonpanomyönteinen suunnittelu (Design for Assembly) AM-teknologian huomioiva suunnittelu (Design for Additive Manufacturing) DFM-periaate eli valmistusmyönteinen suunnittelu (Design for Manufacturing) Valmistus- ja kokoonpanomyönteinen suunnittelu (Design for Manufacturing and Assembly) Kierrätettävyyden huomioiva suunnittelu (Design for Recyclability) DFX-periaate (Design for X, Design for Everything) EBM-menetelmä (Electron Beam Melting) FDM-menetelmä (Fused Deposition Modeling) FEF-menetelmä (Freeze-form Extrusion Fabrication) Lujuuslaskennan elementtimenetelmä (Finite Element Method) LENS-menetelmä (Laser Engineered Net Shaping) LMD-menetelmä (Laser Metal Deposition) LOM-menetelmä (Laminated Objective Manufacturing) MJM-menetelmä (Multi-Jet Modeling) Polyamidi eli nylon Stereolitografia (Stereolithography) Lasersintraus (Selective Laser Sintering) Tiedostomuoto (Stereolithography) Ultravioletti Kolmiulotteinen tulostus (Three Dimensional Printing)

4 1 Johdanto Ainetta lisäävä valmistus eli AM-teknologia on valmistustekniikka, joka liittää materiaalia yhteen kerros kerrokselta. Teknologia on hyvin erilainen verrattuna perinteisiin materiaalia poistaviin menetelmiin, ja siksi se tarjoaa monia mahdollisuuksia. Ainetta lisäävää valmistusta on luonnehdittu kolmanneksi teolliseksi vallankumoukseksi. Se kuitenkin jakaa mielipiteitä ja voidaan nähdä sekä mahdollisuutena että uhkana. Tässä raportissa tarkastellaan, miten AM-teknologia vaikuttaa suunnitteluun, ja millaisia suunnitteluperiaatteita menetelmälle löytyy kirjallisuudesta. Lisäksi paneudutaan siihen, millaisia mahdollisuuksia ja rajoitteita suunnitteluun liittyy AM-teknologiaa käytettäessä. Raportissa selvitetään myös, miten pohjoissavolaiset yritykset suhtautuvat AM-teknologiaan ja sen yleistymiseen. Tavoitteena on selvittää tämänhetkisen tutkimuksen tilanne ja yritysten mielipiteet AM-teknologiasta. Raportti on toteutettu osana Pohjois-Savon liiton rahoittamaa LEKA-hanketta Tuotannon työkalut ja menetelmät -tutkimusalueelle. LEKA eli Pohjois- Savon teknologiateollisuuden tutkimus- ja teknologiansiirtoverkosto on koneenrakennukseen ja metalliteollisuuteen keskittyvä hanke, jossa alueen teollisuutta kehitetään tutkimus- ja kehitysprojekteilla (LEKA-hanke 2011). Raportin alussa käsitellään AM-teknologian toimintaperiaatetta ja erilaisia AM-tekniikoita. Tässä luvussa käsitellään myös materiaalivaihtoehtoja sekä AM-teknologiaa hyödyntäviä sovelluksia. Luvussa 3 esitellään raportin yhteydessä tehtyjen yrityshaastattelujen tulokset. Yrityshaastatteluissa kysyttiin yritysten mielipiteitä muun muassa AM-teknologian mahdollisuuksista ja haasteista, vaikutuksista liiketoimintaan ja suunnitteluun sekä tulevaisuuden näkymistä. Luku 4 jatkaa teoriaosuutta, ja siinä tarkastellaan AM-teknologian vaikutuksia suunnitteluun. Luvussa esitellään yleisiä suunnitteluperiaatteita ja tarkastellaan AMteknologian huomioivaa suunnittelua ja periaatteita. Viidennessä luvussa esitellään casetutkimuksen tulokset. Raportin rakenne ja teoreettinen viitekehys on esitetty kuvassa 1.

5 Kuva 1. Raportin rakenne ja teoreettinen viitekehys.

6 2 Ainetta lisäävä valmistus Ainetta lisäävällä valmistuksella (Additive Manufacturing, AM) tarkoitetaan kolmiulotteisten kappaleiden valmistamista suoraan CAD-mallin pohjalta liittäen materiaalia yhteen kerroksittain (ASTM F2792-10: 2010). Ainetta lisäävästä valmistuksesta käytetään yleisesti myös nimitystä pikavalmistus (Levy et al. 2003) ja puhekielessä nimitystä 3D-tulostus. Ainetta lisäävän valmistukseen kuuluu useita valmistusmenetelmiä, joista kaupallisessa käytössä ovat esimerkiksi stereolitografia, lasersintraus ja erilaiset pursotusmenetelmät (Guo et al. 2013). Toisin kuin perinteisissä valmistusmenetelmissä, joissa muodon valmistaminen usein perustuu materiaalin poistamiseen, AM-tekniikoissa lopullinen muoto saadaan aikaan ainetta lisäämällä (Huang et al. 2012). Erilaisia AM-prosesseja on kehitelty 1980-luvun lopulta alkaen. Erityisesti alkuvaiheessa AMtekniikoita käytettiin nopeutensa ansiosta komponenttien visualisointiin ja muotojen arviointiin. (Guo et al. 2013.) Teollisuudessa AM-tekniikoiden nopeutta on tähän mennessä käytetty hyväksi etenkin prototyyppien valmistamisessa tuotekehityssyklin lyhentämiseksi (Atzeni et al. 2012). Tekniikoiden kehityksen ansiosta prototyyppejä voidaan nykyisin valmistaa myös halutuilla materiaaliominaisuuksilla testaus- ja analysointitarkoituksiin (Guo et al. 2013). Tällä hetkellä AM-tekniikoita kehitetään erityisesti lopputuotteen valmistamiseen, ja joillain teollisuudenaloilla AM-teknologia on jo käytössä lopputuotteen valmistuksessa (Atzeni et al. 2012; Guo et al. 2013). Lisäksi eri AM-menetelmiä on käytetty epäsuorasti lopputuotteen valmistuksessa valmistamalla työkaluja ja muotteja perinteisten valmistusmenetelmien käyttöön (Guo et al. 2013). Tekniikan käyttöönottoa teollisuudessa ovat hidastaneet laitteiden, materiaalien ja kunnossapidon kalliit käyttökustannukset (Bourell et al. 2009). Hyödyntämällä kaikkia menetelmän mahdollisuuksia ja suunnittelemalla komponentteja ja kokoonpanoja uudelleen saadaan menetelmällä kuitenkin tuotettua perinteisille valmistusmenetelmille kokonaiskustannuksiltaan kilpailukykyisiä osia. Muoviosien tuotannossa AM-tekniikoiden käytön on osoitettu olevan kustannustehokkaampia pienillä ja keskisuurilla erillä kuin perinteisen ruiskupuristuksen. (Atzeni et al. 2010.) Myös metalliosien tuottamisen AM-tekniikoilla on tutkittu olevan tällä hetkellä kannattavaa, kun valmistetaan pieniä tai keskisuuria tuotantomääriä (Atzeni et al. 2012).

7 2.1 AM-teknologian mahdollisuudet ja rajoitteet AM-teknologiaa pidetään lupaavana valmistustekniikkana, koska se mahdollistaa monimutkaisten geometrioiden valmistamisen (Huang et al. 2012; Guo et al. 2013), kokoonpanojen muuttamisen yksittäisiksi komponenteiksi (Atzeni et al. 2010) ja lyhyemmät läpimenoajat (Waterman et al. 1994). Yhtenä merkittävimpänä etuna voidaan pitää valmistettavien komponenttien geometristen rajoitteiden vähentymistä. Perinteisten valmistusmenetelmien asettamien rajoitteiden poistuessa komponenttien rakennetta voidaan optimoida paremmin esimerkiksi painonsäästön tai lujuusominaisuuksien kannalta. (Atzeni et al. 2010.) Optimointia käsitellään lisää luvussa 4.4. Kerroksittaisella valmistustavalla voidaan myös minimoida raaka-aineiden häviöt valmistusprosessin aikana verrattuna perinteisiin valmistusmenetelmiin (Huang et al. 2012), ja siten säästää materiaalikustannuksissa. Ainetta lisäävän valmistuksen on lisäksi puhuttu siirtävän valmistusta takaisin kalliiden työvoimakustannusten maihin, koska kokoonpanoaikojen ja koneiden valvomiseen kuluva aika vähentyisi, eikä siten olisi tarvetta käyttää halvinta mahdollista työvoimaa. Paikan päällä tulostaminen myös vähentäisi kuljetuskustannuksia, lyhentäisi toimitusaikoja ja vähentäisi kuljetuksesta aiheutuvia päästöjä. (Atzeni et al. 2010.) AM-teknologian yleisimmät haasteet ovat pitkälti samat kaikilla käytettävillä menetelmillä (Onuh et al. 1999), vaikka myös eri tekniikoilla on omat rajoituksensa. AM-menetelmien ongelmiksi koetaan etenkin rajoittunut materiaalivalikoima, tuotettujen osien tarkkuus, huono toistettavuus sekä standardien puute. Jotta AM-teknologiaa voitaisiin ottaa laajemmin käyttöön teollisuudessa, etenkin tuotettujen komponenttien tarkkuutta ja yhdenmukaisuutta tulisi parantaa. (Guo et al. 2013.) Osien epätarkkuutta aiheuttaa porrastuminen ( stair-stepping effect), joka on seurausta kerroksittaisesta valmistustavasta. Kuvassa 2 on havainnollistettu porrastumista FDM-menetelmällä tulostetussa kappaleessa. Porrastuminen on vähäisempää käytettäessä ohuempia valmistuskerroksia, mutta kerrosvahvuuden pienentäminen myös pidentää tuotantoaikaa. (Onuh et al. 1999.) Monet yritykset eivät tällä hetkellä luota myöskään siihen, että AM-teknologialla voidaan tuottaa komponentteja, joilla on riittävän hyvät mekaaniset ominaisuudet. Tämä johtuu suurimmaksi osaksi siitä, että AM-laitteistot perustuvat vielä pitkälti pikavalmistuslaitteisiin, joissa tuotettujen komponenttien vaatimukset eivät ole samoja kuin lopputuotteelta vaadittavat ominaisuudet. (Guo et al. 2013.) Haasteita voivat aiheuttaa myös valitun teknisen laitteiston rajoitteet (Onuh et al. 1999).

8 Kuva 2. Porrastuminen AM-teknologialla tuotettavissa komponenteissa. 2.2 Prosessit Yleisesti AM-valmistusprosessi voidaan jakaa kahdeksaan vaiheeseen: CAD-mallin luomiseen, tiedoston kääntämiseen STL-muotoon, tiedoston lähettämiseen valmistuslaitteelle, prosessiparametrien määrittämiseen, osan valmistamiseen kerroksittain, osan poistamiseen valmistuslaitteesta, viimeistelyyn ja käyttöönottoon. Jokaisesta valmistettavasta komponentista on oltava CAD-malli, joka kuvaa yksikäsitteisesti komponentin geometrian ja se täytyy kääntää STL-muotoon ennen lähettämistä valmistuslaitteelle. Valmistuslaitteella määritellään prosessiparametrit, valmistetaan komponentti kerroksittain ja poistetaan komponentti valmistuslaitteesta. (Gibson et al. 2010a, s. 4 5.) Lisäksi menetelmästä riippuen varsinaisen valmistusprosessin jälkeen käytetään erilaisia jälkityöstömenetelmiä esimerkiksi komponentin mekaanisten ominaisuuksien parantamiseksi tai tukiaineiden poistamiseksi (Guo et al. 2013). Kaupallisessa käytössä oleviin AM-prosesseihin kuuluvat esimerkiksi stereolitografia (Stereolithography, SLA), FDM-menetelmä (Fused Deposition Modeling, FDM), lasersintraus (Selective Laser Sintering, SLS), LOM-menetelmä (Laminated Objective Manufacturing, LOM), kolmiulotteinen tulostus (Three Dimensional Printing, 3DP) ja LMD-menetelmä (Laser Metal Deposition, LMD). Kaupallisesti AM-teknologiaa käyttävät esimerkiksi Electro Optical Systems (EOS) Saksassa, Arcam Ruotisissa, MCP Tooling Technologies Englannissa ja Stratasys, 3D Systems sekä Optomec Yhdysvalloissa. (Guo et al. 2013.) Suomessa AM-teknologiaa tarjoavat esimerkiksi Oulun PMC, RPCase ja Alphaform RPI Oy. Myös useilla oppilaitoksilla on käytettävissään AM-laitteita. (FIRPA, 2013.) Suomessa AM-teknologia on vielä pitkälti proto-

9 tyyppivaiheessa, eikä tekniikkaa juuri käytetä lopullisten tuotteiden valmistuksessa. Tekniikan laajempaa käyttöönottoa on rajoittanut tekniikan kalleus sekä teollisuudessa yritysten epäluulot tekniikkaa kohtaan (Guo et al. 2013). Eri AM-prosessit voidaan jaotella monella eri tavalla (Vayre et al. 2012). Kirjallisuudessa menetelmät saatetaan usein luokitella sen perusteella, missä tilassa lähtöaine on. Tällöin eri menetelmät voidaan jakaa nestemäistä, jauhemaista, tahnaa ja levyä lähtöaineena käyttäviin luokkiin. (Guo et al. 2013.) Taulukossa 1 on esitetty yleisimmät kaupallisessa käytössä olevat AM-menetelmät ja niiden toimintaperiaatteet. Taulukko 1. Kaupallisessa käytössä olevia AM-menetelmiä ja niiden toimintaperiaate. Lähtöaine Menetelmä Toimintaperiaate Neste SLA Stereolitografia Nestemäistä hartsia kovetetaan laserilla. (Gebhardt, 2003, s. 89) Jauhe SLS Lasersintraus Jauhepetiä pyyhitään laserilla. (Buschow et al. 2001, s. 8007) SLM SLM-menetelmä Jauhe sulatetaan tehokkaalla laserilla. (Kruth et al. 2007) LMD LMD-menetelmä Jauhepartikkeleita syötetään laserin polttoakselille, jossa jauhe sulaa. (Lewis et al. 2000) 3DP Kolmiulotteinen tulostus Jauhepetiin ruiskutetaan nestemäistä kovetinta suuttimen avulla. (Pham et al. 1998) Tahna FDM FDM-menetelmä Pienellä pursottimella tuotetaan haluttu muoto kerroksittain. (Guo et al. 2013) Levy LOM LOM-menetelmä Päällekkäin asetettuihin levyihin leikataan haluttu muoto laserilla. (Guo et al. 2013) Nestemäistä lähtöainetta käytetään esimerkiksi stereolitografiassa. Stereolitografia (SLA) on ensimmäinen kaupallisessa käytössä ollut ainetta lisäävä valmistustekniikka (Melchels et al. 2010). Siinä nestemäistä hartsia kovetetaan laserilla kerros kerrokselta (Gebhardt, 2003, s. 89). Jokaisen kerroksen jälkeen komponentin rakennusalustaa siirretään alaspäin, jolloin jo kovetetun kerroksen päälle saadaan uusi kerros nestemäistä hartsia. Valmistusprosessin jälkeen ylimääräinen nestemäinen hartsi pestään pois ja mekaanisten ominaisuuksien paran-

10 tamiseksi kappaleelle suoritetaan lisäkovetus UV-valolla. (Melchels et al. 2010.) Kuvassa 3 on esitetty stereolitografian toimintaperiaate. Kuva 3. Periaatekuva stereolitografiassa käytettävästä laitteistosta. Jauhetta käytetään lähtöaineena esimerkiksi lasersintrauksessa ja kolmiulotteisessa tulostuksessa. Lasersintrauksessa (SLS) kappale muodostetaan pyyhkimällä jauhepetiä lasersäteellä. (Buschow et al. 2001, s. 8007) Jokaisen kerroksen jälkeen jauhepetiä alennetaan yhden kerroksen verran ja päälle levitetään uusi kerros jauhetta. (Guo et al. 2013.) Lasersintrauksessa jauhepartikkelit eivät ole täysin sulassa tilassa toisin kuin lasersintrausta muistuttavassa SLM-menetelmässä (Selective Laser Melting, SLM), jossa jauhe sulatetaan prosessissa kokonaan tehokkaalla laserilla (Kruth et al. 2007). Sulatilassa jauhepartikkelit kiinnittyvät paremmin toisiinsa ja menetelmällä voidaankin tuottaa lähes täysin tiiviitä komponentteja, jotka eivät vaadi jälkikäsittelyjä (Guo et al. 2013; Kruth et al. 2007). Myös LMD-menetelmä (Laser Metal Deposition, LMD) perustuu jauheen sulatukseen. Siinä jauhepartikkeleita syötetään laserin polttoakselille, jossa jauhe sulaa ja laserin siirryttyä eteenpäin jähmettyy uudelleen täysin tiiviiksi rakenteeksi muodostaen komponentin kerroksittain. (Lewis et al. 2000.) Myös kolmiulotteisessa tulostuksessa (3DP) käytetään jauhemaista lähtöainetta. Siinä jauhepetiin ruiskutetaan nestemäistä kovetinta pienen suuttimen avulla. (Pham et al. 1998.) Jokaisen kerroksen jälkeen jauhepetiä alennetaan yhden kerroksen verran ja lisätään uusi kerros jauhetta (Guo et al. 2013). Kolmiulotteinen tulostus vaatii jälkikäsittelyjä, mikäli tuotetun komponentin mekaanisia ominaisuuksia halutaan parantaa (Bak, 2003). Tahnamainen lähtöaine on käytössä esimerkiksi FDM-menetelmässä ja levy esimerkiksi LOM-menetelmässä. FDM-menetelmässä (Fused Deposition Modeling, FDM) käytetään

11 pientä pursotinta, jolla tuotetaan haluttu muoto pursottamalla kappale kerroksittain. (Guo et al. 2013.) Kuvassa 4 on esitetty FDM-menetelmän toimintaperiaate. Menetelmässä voidaan hyödyntää yhtä tai useampaa pursotinta (Khalil et al. 2005), mikä mahdollistaa materiaalin koostumuksen muuttamisen eri kohdissa kappaletta. LOM-menetelmässä (Laminated Objective Manufacturing, LOM) käytetään lähtömateriaalina levyjä, joita asetetaan päällekkäin ja jokaisen lisätyn levyn jälkeen haluttu muoto leikataan levyyn laserilla. Levyt saadaan prosessissa tarttumaan toisiinsa kuumuuden ja paineen avulla. Pinnanlaatu ja lopullisen tuotteen tarkkuus riippuu käytettyjen levyjen paksuudesta, mistä syystä menetelmällä ei yleensä saada valmistettua tarkkoja pintoja. (Guo et al. 2013.) Kuva 4. Periaatekuva FDM-menetelmän toiminnasta. 2.3 Materiaalit Erilaisilla AM-tekniikoilla on valmistettu komponentteja polymeereistä (Caufield et al. 2007; Schmidt et al. 2007), metalleista (Baufeld et al. 2010; Fischer et al. 2005), keraameista (Bertrand et al. 2007; Dufaud et al. 2002) ja komposiiteista (Kumar et al. 2010; Mahamood et al. 2013). Kaikkia materiaaleja ei kuitenkaan voida käyttää kaikissa prosesseissa. Esimerkkejä käytetyistä materiaaleista ja prosesseista on esitetty Taulukossa 2. Kaupallisessa valmistuksessa käytetään tällä hetkellä polymeerejä ja metalleja. Nylon eli polyamidi (PA) on käytetyin ja tutkituin polymeeri AM-prosesseissa (Guo et al. 2013), sillä sen on todettu sulavan ja kiinnittyvän parhaiten laseriin perustuvissa menetelmissä (Kruth et al. 2007). Metalleista kaupallisessa tuotannossa ovat esimerkiksi teräkset, nikkeli- ja titaaniseokset sekä alumiini (Vayre et al. 2012). Keraamien ja komposiittien käyttöä AM-prosesseissa tutkitaan ja kehitetään parhaillaan, mutta niistä valmistetut komponentit eivät ole vielä kaupallisessa tuotannossa

12 (Guo et al. 2013). Materiaalivalinta AM-prosesseissa laajenee tulevaisuudessa, koska uusia AM-tekniikkaan soveltuvia materiaaleja tutkitaan jatkuvasti. Taulukko 2. AM-teknologiassa käytettäviä materiaaleja ja niitä vastaavat prosessit. (Guo et al. 2013) Materiaaliryhmkimusryhmä Prosessit Valmistaja tai tut- Materiaalit Polymeerit Kertamuovit SLA, MJM 3D Systems Valoherkät polymeerit Kestomuovit MJM 3D Systems Vaha SLS EOS Polyamidi 12, GF polyamidi, Polystyreeni FDM Stratasys ABS, PC-ABS, PC, ULTEM 3DP 3D Systems Akryylimuovit, Vaha Metallit SLM EOS Ruostumaton teräs GP1, PH1 ja 17-4, koboltti-kromi MP1, titaani Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI ja TiCP, IN718, maraging teräs MS1, Al- Si20Mg LDM/LENS Optomec Teräs H13, 17-4 PH, PH 13-8 Mo, 304, 316 ja 420, alumiini 4047, titaani TiCP, Ti-6-4, Ti-6-2-4-2 ja Ti6-2-4-6, IN625, IN617, Cu-Ni seos, koboltti stellite 21 EBM Arcam Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, kobolttikromi Keraamit SLA (Griffith et al. 1996) Zirkonia-, silika-, alumiini- ja muita keraamipartikkelisuspensioita nestemäisessä hartsissa FDM (Allahverdi et al. 2001) Alumiinioksidi, PZT, Si3N4, zirkonia, silika, biokeraami SLS (Bertrand et al. 2007) Alumiinioksidi, silika, zirkonia, ZrB2, biokeraami, grafiitti, biolasi 3DP (Bak et al. 2003) Zirkonia, silika, alumiinioksidi, Ti 3SiC 2, biokeraami Komposiitit Homogeeniset FDM (Kumar et al. 2010) Polymeeri-metalli, polymeerikeraami, lyhyillä kuiduilla vahviste-

13 Funktionaaliset tut komposiitit 3DP (Bak et al. 2003) Polymeerimatriisi, metalli-keraami, keraami-keraami lyhyillä kuiduilla vahvistetut komposiitit LOM (Bak et al. 2003) Polymeerimatriisi, keraamimatriisi, kuitu- ja partikkelivahvistetut komposiitit SLS, SLM (Kumar et al. 2010) Metalli-metalli, metalli-keraami, keraami-keraami, polymeerimatriisi, lyhyillä kuiduilla vahvistetut komposiitit LMD/LENS (Kumar et al. 2010) CoCrMo/Ti6Al4V, TiC/Ti, Ti/TiO2, Ti6Al4V/IN718 FDM (Kumar et al. 2010) PZT FEF (Leu et al. 2011) Al2O3/ZrO2 AM-prosessit mahdollistavat myös yhden komponentin valmistamisen useammasta materiaalista, jolloin komponentin mekaanisia, kemiallisia, fysikaalisia ja muita ominaisuuksia voidaan muuttaa paikallisesti (Muller et al. 2013). Muuttamalla kappaleen paikallista koostumusta voidaan komponentin eri osat optimoida erilaisiin käyttötarkoituksiin tai - olosuhteisiin. Esimerkiksi turbiinin siivissä toinen pää voidaan optimoida lujuudeltaan ja toinen pää lämmönkestoltaan (LaMonica 2013). Myös esimerkiksi hammasrattaissa voidaan pyörän keskipisteen ja reunojen kovuuden ja kulumiskestävyyden parantamiseksi lisätä näiden alueiden karbidipitoisuutta (Jackson et al. 1999). Komponentin ominaisuuksia voidaan siis räätälöidä helpommin kuin perinteisillä valmistusmenetelmillä. AM-tekniikan mahdollistamalla asteittaisella koostumuksen muutoksella eri materiaalit voidaan myös saada liitettyä paremmin toisiinsa kuin muilla valmistustavoilla (Guo et al. 2013). 2.4 Sovellukset AM-teknologiasta on hyötyä erityisesti niissä sovelluskohteissa, joissa vaaditaan monimutkaisia geometrioita, mutta tuotantomäärät ovat suhteellisen pieniä. Tällä hetkellä AMteknologiaa on hyödynnetty lopputuotteiden valmistuksessa avaruusteknologiassa, ilmailu- ja autoteollisuudessa sekä lääketieteessä. (Guo et al. 2013.) Muilla teollisuuden aloilla AMtekniikoita on tähän mennessä käytetty etenkin prototyyppien valmistamisessa tuotekehityssyklin lyhentämiseksi (Atzeni et al. 2012) ja tuotekehityksen kustannusten pienentämiseksi

14 (Guo et al. 2013). Kuvassa 5 on esitetty esimerkkejä AM-teknologiaa hyödyntävistä aloista ja tähän mennessä käytetyistä sovelluskohteista. Lääketiede Avaruus- ja ilmailuteollisuus Autoteollisuus Kuluttajatuotteet Implantit Kudosten tukirakenteet Välineet Keinoelimet Moottorien osat Osien korjaus Valumuotit Vetoakselit Vaihteistot Jarrusysteemit Vaatteet Korut Harrastusvälineet Ruoka Kuva 5. Esimerkkejä AM-teknologiaa hyödyntävistä aloista ja niiden sovelluskohteista. Avaruusteknologiassa AM-teknologiaa hyödynnetään komponenttien monimutkaisia muotojen sekä pienten eräkokojen takia. Lisäksi avaruustekniikassa käytettävien kehittyneiden materiaalien, kuten titaaniseosten, nikkeliseosten ja korkealämpötilakeraamien, valmistaminen perinteisillä menetelmillä on usein hankalaa, kallista ja hidasta. Näistä syistä esimerkiksi Optomec ja Arcam valmistavat avaruus- ja ilmailuteollisuudelle erilaisia moottorin osia AMteknologialla. Osien valmistamisen lisäksi AM-teknologiaa on käytetty myös moottorien osien korjaamiseen. (Guo et al. 2013.) Ilmailuteollisuudessa AM-teknologian mahdollisuuksia voidaan hyödyntää painon ja rakenteen optimointiin (Tomlin et al. 2011). Esimerkiksi maailman suurin suihkumoottoreiden valmistaja General Electricin ilmailupuoli, GE Aviation, valmistautuu ottamaan käyttöön AM-teknologialla valmistettuja polttoainesuuttimia vuoden 2015 lopussa tai vuoden 2016 alussa (LaMonica 2013). Autoteollisuudessa AM-teknologiasta on tähän mennessä ollut hyötyä etenkin tuotekehityksessä, jossa AM-teknologian avulla voidaan lyhentää tuotekehityssykliä sekä pitää tuotekehityksen kulut kohtuullisina. Tuotekehityksen lisäksi AM-teknologiaa on lisäksi käytetty erityisesti valumuottien valmistamiseen. Luksusautoissa, joissa tuotantomäärät ovat pienempiä, AM-teknologiaa on käytetty myös lopullisten komponenttien valmistamiseen, esimerkiksi vetoakseleissa, vaihteiston osissa ja jarrusysteemeissä. Lopullisia komponentteja on käytetty lisäksi kilpa-autoissa, joissa AM-teknologian käytöllä on pyritty erityisesti painon optimointiin. AM-teknologia mahdollistaa painon optimoinnin esimerkiksi erilaisilla hilarakenteilla, jotka vähentävät komponentin painoa, mutta lisäävät lujuutta. Painon ja lujuuden optimointia sisäisellä hilarakenteella on esitetty netfabb GmbH:n valmistamassa komponentissa kuvassa 6. (Guo et al. 2013.)

15 Kuva 6. Painon ja lujuuden optimointia komponentin sisäisen hilarakenteen avulla. (netfabb GmbH, 2013.) Lääketieteessä AM-teknologiaa on käytetty ortopedisissä implanteissa, keinoelimissä, kudosten tukirakenteissa ja lääketieteellisten välineiden valmistuksessa. Implanttien valmistuksessa voidaan AM-menetelmien avulla valmistaa monimutkaisia muotoja (Guo et al. 2013) sekä huokoisia rakenteita edistämään luun ja kudoksen kasvua (Giannatsis et al. 2009). Lisäksi implanttien valmistuksessa voidaan käyttää suoraan hyväksi lääketieteellisissä kuvantamisissa saatua dataa potilaalle räätälöityjen implanttien valmistuksessa (Giannatsis et al. 2009). AM-teknologiaa on käytetty myös elävien solujen tulostamiseen (Jakab et al. 2010) ja sen käyttöä on tutkittu lääkeaineiden kuljetuksessa (Giannatsis et al. 2009). Teollisten sovelluskohteiden lisäksi AM-teknologiaa on käytetty myös esimerkiksi vaatteiden, elintarvikkeiden (Ylä-Jääski 2013) ja korujen tulostamiseen (Bourell et al. 2009). Myös erilaisissa harrastusvälineissä AM-tekniikoilla tuotetut osat lisääntyvät, sillä kuluttajien on mahdollista tilata oman 3D-mallin pohjalta valmistettuja tuotteita kotiin kuljetettuna esimerkiksi hollantilaiselta Shapeways-yhtiöltä (Lähdevuori 2013). Myös kotitalouksille suunnattujen tulostimien suosio on lisääntynyt, kun tulostimien hinnat ovat laskeneet. Erilaiset ainetta lisäävään valmistukseen erikoistuneet nettiyhteisöt helpottavat tiedon ja mallien jakamista, mikä entisestään madaltaa kynnystä kotitulostimien käyttöön. (Ylä-Jääski 2013.) Kotitalouksille tarkoitettuja valmiita CAD-malleja internetissä tarjoaa esimerkiksi Thingiverse, jonka sivuilla yhteisön jäsenet voivat myös jakaa omia mallejaan muiden kanssa.

16 3 AM-teknologia pohjoissavolaisissa yrityksissä AM-teknologia ei ole yleisesti hyväksytty valmistusmenetelmä suurimmassa osassa teollisuudenaloista viime vuosien nopeasta kehityksestä huolimatta (Guo et al. 2013). Haasteena yritykset ovat kokeneet erityisesti laitteiden, materiaalien ja kunnossapidon korkeat kustannukset (Bourell et al. 2009). Lisäksi monet yritykset eivät luota siihen, että AM-teknologialla voidaan tuottaa komponentteja, joilla on riittävän hyvät mekaaniset ominaisuudet (Guo et al. 2013). Laajemman teollisen käyttöönoton mahdollistamiseksi menetelmän toistettavuutta pitäisi parantaa, standardointia pitäisi lisätä sekä laitteistoa pitäisi kehittää myös suurien osien tulostamiseen (Bourell et al. 2009). Yhdysvalloissa NSF-työryhmän vuonna 2009 laatima kattava raportti Roadmap for Additive Manufacturing: Identify the Future of Freeform Proceeding (Bourell et al. 2009) listaa AM-teknologian tutkimuksen tärkeimmäksi tavoitteeksi seuraavan 6 8 vuoden aikana teknologian parantamisen siihen pisteeseen, että teollisuus näkee sen hyvänä vaihtoehtona perinteisille valmistusmenetelmille. Tässä työssä selvitettiin pohjoissavolaisten yritysten näkemyksiä ainetta lisäävän valmistuksen haasteista, hyödyntämisestä sekä vaikutuksista suunnittelutyöhön ja liiketoimintaan. Haastattelut suoritettiin 17.6. 27.6.2013 välisenä aikana ja niihin osallistuivat Ponsse Oyj, Hydroline Oy, Normet Oy, Junttan Oy ja Samesor Oy. Haastatelluissa yrityksissä AMteknologia on ollut tähän mennessä käytössä lähinnä prototyyppien ja pienoismallien valmistuksessa ja käytetyt palvelut on tilattu alihankkijoilta. Kaikissa yrityksissä AM-teknologiaa ei ole vielä hyödynnetty. Seuraavaksi käsitellään haastattelujen tuloksia. 3.1 AM-teknologian mahdollisuudet ja sovelluskohteet Niin painonsäästö, kustannussäästö. Sitten lujuusominaisuudet varmaan saadaan optimoitua sen mukaan. Materiaalia sinne, missä sitä tarvitaan. Tähän mennessä mitkä hyödyt on ollut, niin nehän on ihan kestottomia just tässä prototyyppivaiheessa. Yhtenä tärkeimmistä AM-teknologian tämänhetkisistä eduista pidettiin ajan ja kustannusten säästöä tuotekehityksessä. Nopeutensa ansiosta AM-tekniikoiden nähtiin mahdollistavan muotojen ja erilaisten ratkaisujen nopean testaamisen ennen kalliiden työkalujen hankkimista. Joissain yrityksissä nopean prototyyppivalmistuksen arveltiin myös lisäävään innovaatioi-

17 den määrää sekä mahdollistavan erilaisten ratkaisujen rohkeamman kokeilun. AMtekniikoilla tuotettujen prototyyppien ja pienoismallien koettiin lisäksi helpottavan ideoiden esittämisessä eteenpäin joko yrityksen sisällä tai suoraan asiakkaalle. Lopullisissa tuotteissa mahdollisuuksien koettiin vielä riippuvan siitä, mihin AM-teknologia kehittyy lähivuosien aikana. AM-teknologiasta arveltiin kuitenkin olevan hyötyä lopullisten tuotteiden valmistuksessa etenkin nopeutensa ansiosta, jolloin tuotteiden läpimenoajat lyhenisivät tai tuotteita voitaisiin räätälöidä enemmän nykyisessä ajassa. Lisäksi geometristen rajoitteiden vähentyessä komponentteja voitaisiin optimoida painon ja lujuuden kannalta sekä samalla materiaalien käytön kannalta. Materiaalikustannusten arvioitiin pienentyvän, koska materiaalihukka olisi perinteisiä valmistusmenetelmiä vähäisempi ja kalliita materiaaleja voitaisiin käyttää vain välttämättömissä kohdissa. Myös kokoonpanojen muuttaminen yksittäisiksi komponenteiksi nähtiin joissain yrityksissä hyödyllisenä mahdollisuutena. AMteknologian eduiksi luettiin lisäksi säästöt työkalukustannuksissa kertaluonteisissa erissä sekä mahdollinen kuljetustarpeen vähentyminen ja toimitusaikojen lyhentyminen. Kaikissa yrityksissä tuotteiden kuljettamisen muuttumista tiedostojen myymiseksi ja osien tulostamiseksi lähellä asiakasta ei nähty mahdollisena lähitulevaisuudessa tai ajatusta pidettiin vieraana. Tällä hetkellä AM-teknologian käyttö nähtiin hyödyllisenä etenkin prototyyppien ja pienoismallien sekä erilaisten markkinointimateriaalien valmistamisessa. Muut yritysten listaamat sovelluskohteet koskivat pitkälti muoviosia, koska lähes kaikissa yrityksissä koettiin vain muovien valmistamisen AM-teknologialla kehittyneen riittävälle tasolle käytettäviksi lopullisissa tuotteissa. Menetelmien ja materiaalien kehittyessä sekä kustannustason laskiessa AMteknologiasta arvioitiin kuitenkin olevan hyötyä niissä sovelluskohteissa, joissa eräkoot ovat suhteellisen pieniä ja joissa on monimutkaista muotoilua tai joita on jostain muusta syystä vaikea valmistaa perinteisillä valmistusmenetelmillä. Yrityksissä koettiin tärkeiksi myös ne sovelluskohteet, joissa vaaditaan painon ja lujuuden optimointia. 3.2 AM-teknologian haasteet No että mitenkä nämä materiaalit saadaan sen verran kestäviksi ja tasalaatuisiksi. Se kustannustasohan siellä loppujen lopuksi hyvin pitkästi kertoo sitten, että miten on järkevä tehdä.

18 Yleistä kustannustasoa ja valmistettujen komponenttien ominaisuuksia pidettiin haastatelluissa yrityksissä AM-teknologian käyttöönottoa määräävinä tekijöinä. Tällä hetkellä AMteknologiaa ei pidetty yrityksissä taloudellisesti kilpailukykyisenä vaihtoehtona perinteisille valmistusmenetelmille lopullisten komponenttien valmistuksessa. Mahdollisesti parantuneista ominaisuuksista ja kevyemmästä rakenteesta huolimatta yrityksissä koettiin, että valmistettujen tuotteiden täytyisi olla myös hinnaltaan kilpailukykyisiä. Erityisen haasteellisena yrityksissä koettiin tällä hetkellä AM-tekniikoilla käytössä olevat materiaalit ja valmistettujen komponenttien lujuus- ja muut ominaisuudet. Metallien ja muiden vaativien materiaalien ei koettu olevan vielä AM-teknologian materiaalivalikoimassa. Myöskään komponenttien lujuus- ja muiden ominaisuuksien ei vielä uskottu olevan samalla tasolla kuin perinteisillä valmistusmenetelmillä valmistettavien komponenttien. Lisäksi valmistettujen osien mittatarkkuus, pinnanlaatu ja vaaditut jälkikäsittelyt mietityttivät. Epäilyksiä herättivät myös mikrorakenteeltaan tasalaatuisten rakenteiden aikaansaaminen, täysin tiiviiden osien valmistaminen ja riittävän kokoisten komponenttien valmistaminen. Mediassa AMteknologia on tällä hetkellä ollut esillä lähinnä muovien tulostamisessa, mikä entisestään saattaa lisätä yritysten epäluuloja AM-teknologiaa kohtaan lopullisten tuotteiden valmistuksessa. Tästä syystä myös asiakkaiden vakuuttaminen uuden teknologian mahdollisuuksista koettiin ongelmallisena. Yleisesti menetelmän edut ja muutokset yrityksen toimintaan saatettiin kokea vieraina. 3.3 Vaikutukset liiketoimintaan ja palveluihin Niin luultavasti se ajaisi siihen, että kokeiluja tulisi enemmän ja sitä kautta niitä innovatiivisia ratkaisuja löytyisi helpommin. Ja mihin se ajaisi pidemmässä juoksussa luultavasti olisi se, että asiakaskohtaisia räätälöityjä ominaisuuksia tulisi enemmän. Erityisesti AM-tekniikoiden nopeudella ja komponenttien mahdollisella räätälöinnillä koettiin olevan suuri merkitys yrityksen liiketoimintaan ja sen tarjoamiin palveluihin. Nopeuden koettiin lisäävän ketteryyttä yrityksen toimintaan, koska päivityksiä voitaisiin tehdä nopeammalla aikataululla ja asiakaspalautteet saataisiin nopeammin käytäntöön. Nopea valmistussykli mahdollistaisi myös useampia kokeiluja, jolloin syntyisi mahdollisesti enemmän innovatiivisia ratkaisuja. Lisäksi tuotteiden variointia voisi tehdä nykyistä myöhäisemmässä vaiheessa kokonaisprosessia. Suurimmassa osassa yrityksistä uskottiin tuotteiden läpimenoaikojen lyhenevän merkittävästi AM-teknologialla. Joissain yrityksissä läpimenoaikojen

19 lyhenemiseen suhtauduttiin epäilevästi, koska varsinkin AM-teknologian käyttöönoton alkuvaiheessa osa komponenteista valmistettaisiin edelleen perinteisillä menetelmillä. AM-tekniikoiden käyttöönoton koettiin yrityksissä lisäävän asiakaskohtaisesti räätälöityjen tuotteiden määrää. Joissain yrityksissä räätälöinnin lisäämä tuotteiden erilaisuus koettiin myös haasteellisena liiketoiminnan kannalta, koska tällä hetkellä räätälöinti yrityksissä perustuu pitkälti massaräätälöintiin ja harkittuun erialaisuuteen. Toisaalta nopea räätälöinti mahdollistaisi paremmin asiakkaan prosesseihin sopivien tuotteiden valmistamisen. Lisäksi variaatioiden määrän lisääntymisen seurauksena standardoinnille ei olisi enää samanlaista tarvetta kuin nykyisin. Joissain yrityksissä koettiin, että menetelmän hyödyt yleisesti välittyisivät asiakkaalle. Myös esimerkiksi toimitusajat lyhenisivät, jos valmistuspaikat olisivat hajautettuna lähellä asiakasta. Lisäksi huoltotoiminnassa tiedostojen lähettämisen varaosien sijaan koettiin näissä yrityksissä olevan suuri merkitys tulevaisuudessa. 3.4 Suunnittelu Kun ne suunnittelijat olisi tämän kanssa sinut tämän homman kanssa, niin siitä voisi syntyä kaikenlaista sen jälkeen. Tekisi mieli päästä suoraan sellaiseen tilanteeseen, että käytetään kaikki hyöty siitä. Että ei vedetä mututuntumalla tuohon vaan materiaalia vaan annetaan laskennan laskea, minne materiaalia laitetaan. Yrityksissä oltiin yksimielisiä siitä, että AM-teknologian käyttöönotto toisi suunnittelijoille lisää vapauksia uusien ratkaisujen suunnittelussa ja joidenkin nykyisin käytettyjen ratkaisujen uudelleen kehittelyssä. Toisaalta kaikkien mahdollisuuksien hyödyntämiseksi suunnittelijoiden koettiin tarvitsevan lisäkoulutusta. Tähän mennessä suunnittelijoiden on tarvinnut ajatella valmistusmenetelmän rajoituksia, eikä rakenteita ole vielä kannattanut todella lähteä optimoimaan. Lisäksi nopean kehityksensä takia AM-teknologiaan tutustuminen on jäänyt pitkälti suunnittelijoiden oman aktiivisuuden varaan. Joissain yrityksissä nähtiin hyödyllisenä myös se, että suunnittelijat näkisivät, mitä asioita uusi valmistustekniikka mahdollistaa ja millaisiin sovelluksiin AM-teknologiaa on jo käytetty. Perinteisten suunnitteluohjelmien ei kaikissa yrityksissä koettu tällä hetkellä tukevan suunnittelua AM-valmistusmenetelmille. Erityisesti FEM-tarkastelujen ja lujuuslaskennan koettiin vaikeutuvan nykyisillä laskentaohjelmilla, kun tarkasteltavana on useista eri materiaaleista valmistettu komponentti. Joissain yrityksissä nykyisten ohjelmien ei koettu myöskään

20 mahdollistavan kunnolla komponenttien painon optimointia. Laskentaohjelmien koettiin kuitenkin olevan oleellisessa osassa siinä, että AM-teknologiasta saataisiin kaikki mahdollisuudet hyödynnettyä. Nykyisten laskentamenetelmien uskottiin kehittyvän AM-teknologian mukana. 3.5 Tulevaisuuden näkymät Tietysti ollaan kiinnostuneita, jos alueelle on tulossa jotain tulostimia tai muita laitteita tai palveluja tämän ympärille. Siinä mielessä Suomessa olisi hyvä olla mukana siinä kehityksessä. Kehittyy nopeasti, on kallista lähteä ensirintamassa sinne. Yrityksissä uskottiin AM-tekniikan käytön yleistyvän seuraavan 5 10 vuoden aikana. Koska maailmalla AM-teknologia on etenkin tällä hetkellä iso juttu, koettiin yrityksissä, että myös Suomessa olisi hyvä olla kehityksessä mukana. AM-teknologian käyttöönottoa ja tutkimusta aivan eturintamassa pidettiin kuitenkin liian kalliina ja joissain yrityksissä ydintoiminnan ulkopuolisena toimintana. Hyvänä asiana pidettiin jonkin yrityksen erikoistumista AMtekniikkaan ja yleisesti alueelle tulevista AM-laitteista ja -palveluista oltiin kiinnostuneita. Yritykset eivät olleet hankkimassa lähitulevaisuudessa omia AM-laitteistoja lopputuotteiden valmistamiseen, mutta yhdessä yrityksessä harkittiin oman muovilaitteiston hankkimista suunnittelukäyttöön. Muissa yrityksissä omaa laitetta harkittiin hankittavaksi tulevaisuudessa proto- ja työkaluvalmistukseen. Yrityksissä koettiin, että perustutkimus pitäisi viedä vielä konkreettisemmalle tasolle ennen kuin yleistyminen yritysten edustamilla toimialoilla olisi mahdollista. Käyttöönoton koettiin olevan erityisesti riippuvainen siitä, miten laitteet ja teknologia yleisesti kehittyvät. Kehityksen toivottiin tulevan esimerkiksi laite- ja materiaalivalmistajilta, koska yrityksillä ei välttämättä ole mahdollisuuksia lähteä panostamaan omaan tutkimukseen. Lisäksi määrääviksi tekijöiksi AM-teknologian käyttöönotossa ja yleistymisessä listattiin kustannukset ja tuotettujen komponenttien materiaaliominaisuudet.

21 4 AM-teknolgian vaikutukset suunnitteluun Tässä luvussa käsitellään AM-teknologialla valmistettavien kappaleiden suunnittelua. Ensin luvussa 4.1 perehdytään yleisiin suunnitteluperiaatteisiin ja luvussa 4.2 valmistettavuuden huomioivaan suunnitteluun. Luvussa 4.3 tarkastellaan AM-teknologian huomioivaa suunnittelua, AM-teknologian vaikutuksia perinteiselle DFM-periaatteelle ja AM-suunnitteluperiaatteita. Suunnittelulla voidaan vaikuttaa paljon AM-teknologialla valmistettavien kappaleiden ominaisuuksiin. Sen vuoksi luvussa 4.3 käydään lisäksi läpi mekaanisten ominaisuuksien optimointi ja testaus. Luvuissa 4.4 ja 4.5 käsitellään AM-teknologian suunnittelulle tarjoamia mahdollisuuksia ja rajoituksia. Viimeisessä luvussa tarkastellaan AM-teknologian vaikutuksia tuotekehitykseen. 4.1 Yleiset suunnitteluperiaatteet Suunnittelu on yksi insinöörityön keskeisimpiä tehtäviä. Se on monimutkainen prosessi, jossa suunnittelijat tuottavat, arvioivat ja määrittävät konsepteja laitteille tai prosesseille, joiden muoto ja funktio saavuttavat asiakkaiden tarpeet täyttäen samalla tietyt rajoitukset. (Dym et al. 2005.) Suunnitteluprosessissa yhdistellään innovatiivisesti tieteellistä informaatiota, insinööritekniikkaa ja markkinointia, jotta saadaan kehitettyä kannattava tuote (Mansour et al. 2003.) Suunnitteluprosessia voidaan kuvata suunnitteluvaiheilla, joiden lukumäärä vaihtelee viidestä jopa kahteenkymmeneenviiteen. Toimivan tuotteen suunnitteluun ei ole olemassa yhtä yleisesti hyväksyttyä suunnitteluvaiheiden ketjua, vaan eri kirjailijat ja suunnittelijat ovat luoneet omia prosessejaan. Esimerkiksi Dieterin suunnitteluprosessissa kuvaillaan kuusi vaihetta, joista ensimmäinen on tarpeen tunnistaminen. Keksiäkseen ratkaisun ongelmaan suunnittelijan on ymmärrettävä ja tunnistettava käyttäjän tarpeet. Tämän jälkeen tulee määritellä ongelma, joten suunnittelija tekee tiiviin lausunnon ongelmasta sekä tunnistaa ongelman vaatimukset ja rajoitukset. Kolmannessa vaiheessa kerätään tietoa esimerkiksi käsikirjoista, standardeista, lehdistä ja asiantuntijoilta. Tiedon keräämisen jälkeen alkaa käsitteellistäminen. Ratkaisun määrittämisessä luovuus on tärkeää, ja siksi tässä vaiheessa käytetään erilaisia työkaluja, kuten ryhmässä tapahtuva ideointia. Kahdessa viimeisessä vaiheessa arvioidaan ja keskustellaan suunnitellusta tuotteesta. Arviointivaiheessa suunnittelua analysoidaan perusteellisesti esimerkiksi tarkkojen tietokonelaskelmien tai prototyypin avulla. Vii-

22 meiseen vaiheeseen kuuluu esimerkiksi piirustusten tarkastelua ja laadunvarmistusta. (Mansour et al. 2003.) Kuvassa 7 näkyy suunnitteluprosessin päävaiheet. Tarpeen tunnistaminen Ongelman määrittely Tiedon kerääminen Keskustelu Arviointi Käsitteellistäminen Kuva 7. Esimerkki suunnitteluprosessista. 4.2 Valmistettavuuden ja kokoonpanon huomioiminen Suunnitteluvaiheessa tehdyillä päätöksillä on suuri vaikutus esimerkiksi valmistettavuuteen, laatuun ja tuotekustannuksiin (Jo et al. 1993, s. 4), ja yli 70 prosenttia tuotteen loppukustannuksista määräytyy suunnitteluvaiheessa (Mansour et al. 2003). Tuotteen suunnittelun kanssa samanaikaisesti kaikki tuotantojärjestelmään liittyvät prosessit huomioivaa menetelmää kutsutaan rinnakkaiseksi suunnitteluksi. Menetelmän tavoitteena on, että tuotteen rakenne vastaa toiminnallisia vaatimuksia ja valmistuksen vaatimuksia. (Jo et al. 1993, s. 4.) Rinnakkaisesta suunnittelusta on hyötyä esimerkiksi tuotekehityksessä, sillä sen avulla voidaan parantaa laatua, vähentää kustannuksia ja kierrosaikoja sekä lisätä joustavuutta, tuottavuutta ja tehokkuutta. Eräs lähestymistapa rinnakkaiseen suunnitteluun on DFX-periaate, joka tulee sanoista Design for X. (Mansour et al. 2003.) Lyhenteessä X voi merkitä useita eri asioita, ja toinen nimitys periaatteelle onkin Design for Everything (Hietikko 2008). DFX on yläkäsite monelle suunnitteluperiaatteelle, kuten tuotteen valmistusmyönteiselle suunnittelulle (DFM, Design for Manufacturing), kokoonpanomyönteiselle suunnittelulle (DFA, Design for Assembly) tai kierrätettävyydelle (Design for Recyclability) (Hietikko 2008; Mansour et al. 2003). Lisäksi voidaan käyttää termiä DFMA (Design for Manufacturing and Assembly), jossa yhdistyvät valmistettavuuden ja kokoonpantavuuden huomiointi (Hietikko 2008). Taulukkoon 3 on listattu tässä tekstissä esiintyvät olennaiset suunnitteluperiaatteet.

23 Taulukko 3. Erilaiset suunnitteluperiaatteet. Lyhenne Periaate Merkitys DFX Design for X DFX-periaate DFM Design for Manufacturing Valmistusmyönteinen suunnittelu DFA Design for Assembly Kokoonpanomyönteinen suunnittelu DFMA Design for Manufacturing and Assembly Valmistus- ja kokoonpanomyönteinen suunnittelu DFAM Design for Additive Manufacturing AM-teknologian huomioiva suunnittelu DFA-suunnitteluperiaatteessa huomioidaan helppo kokoonpantavuus ja tavoitteena on tehdä tuote mahdollisimman vähillä kokoonpanoa vaativilla osilla. Tavoitteena on myös, että osien kokoonpano on mahdollisimman nopeaa. (Hietikko 2008.) DFM-periaatteessa taas huomioidaan tuotteiden valmistettavuus suunnittelun alkuvaiheessa. Näin tuotteet saadaan valmistettua helpommin ja taloudellisemmin. (Mansour et al. 2003.) DFM-periaatteen tarkoituksena on optimoida valmistukseen liittyvät toiminnot, kuten esimerkiksi valmistusprosessit, kokoonpano, testaus ja huolto. Lisäksi periaatteella varmistetaan muun muassa paras kustannustaso, laatu, turvallisuus ja asiakastyytyväisyys. (Hietikko 2008.) Huomioimalla DFMperiaate voidaan saavuttaa merkittäviä tuloksia, kuten jopa 50 %:n kustannussäästöjä (Mansour et al. 2003). DFM-periaatteen mukaisessa suunnittelussa on omat suuntaviivansa, joista ensimmäinen on suunnitella modulaarinen tuote. Osat suunnitellaan yksittäisinä komponentteina, joissa on standardin mukaiset liitoskohdat muihin komponentteihin. Lisäksi käytetään standardikomponentteja. Periaatteen mukaan osista tulee suunnitella monipuolisia ja monikäyttöisiä. Lisäksi tuote tulee suunnitella niin, että se on helppo valmistaa ja tuottaa. (Mansour et al. 2003.) 4.3 AM-suunnittelu AM-teknologian huomioivassa suunnittelussa sovelletaan perinteisiä suunnitteluperiaatteita uudella tavalla, jotta AM-teknologian tarjoamat mahdollisuudet saataisiin hyödynnettyä mahdollisimman tehokkaasti. AM-suunnittelua varten on suuntalinjoja, jotka auttavat suunnittelemaan kappaleita uudelle valmistustavalle sopivaksi. 4.3.1 AM-teknologian huomioiva suunnittelu DFAM DFM-periaatteen mukaisesti tuotteita on suunniteltu niin, että valmistaminen olisi mahdollisimman helppoa ja kustannukset pieniä. AM-teknologian myötä suunnittelijoiden on pohdittava DFM-periaatetta uudelleen, jotta teknologiasta saataisiin kaikki hyöty irti. AM-

24 teknologian suunnitteluperiaatteiden kehittyessä tuotteita voidaan suunnitella paremmin uudelle valmistusmenetelmälle sopiviksi. AM-teknologiaa varten kehitelty suunnitteluperiaate on nimeltään DFAM eli Design for Additive Manufacturing. (Rosen 2007.) DFAM-periaatteen tavoitteena on maksimoida tuotteiden suorituskykyä muodon, koon, hiearkkisen rakenteen ja materiaalikoostumusten kautta. Jotta suunnittelijat pääsisivät tähän tavoitteeseen, heidän tulisi pitää mielessä tiettyjä suuntaviivoja. AM-teknologia mahdollistaa monimutkaisen geometrian käytön lisäämättä valmistuksen kestoa tai aiheuttamatta lisäkuluja yksinkertaiseen geometriaan verrattuna. Teknologia mahdollistaa myös kustomoidun geometrian tai osien käytön, koska valmistus tapahtuu suoraan 3D-datan pohjalta. Teknologian avulla voidaan usein yhdistää osia, integroida piirteitä monimutkaisemmiksi osiksi ja välttää kokoonpanon tarvetta. Suunnittelijoiden tulisi unohtaa kaikki perinteisten valmistusmenetelmien asettamat rajoitukset, vaikkakin AM-kohtaisia rajoitteita saattaa olla. (Gibson et al. 2010a, s. 287.) AM-teknologian vaikutuksia valmistettavuuden huomioimiselle eli DFM-periaatteelle voidaan tarkastella, kun verrataan AM-teknologiaa esimerkiksi ruiskuvaluun. Ruiskuvalulla valmistettavassa komponentissa seinämäpaksuus tulee ottaa huomioon, sillä jähmettymisen ollessa epätasaista voi aiheutua esimerkiksi vääntymistä. Seinämäpaksuuden ollessa epätasainen voi syntyä myös säröjä ja murtumia jännitysten vuoksi. Lisäksi terävät kulmat voivat aiheuttaa osan vaurioitumisen. Suunnittelussa tulisi minimoida yhtymäsaumat ja painumat. Yhtymäsaumat syntyvät, kun eri virtausrintamat kohtaavat valun aikana, ja ne ovat valukappaleiden heikkoja kohtia. Painumat taas muodostuvat, kun ohut kohta jähmettyy paksua kohtaa nopeammin. Ruiskuvalussa valettava osa on saatava irti muotista valun jälkeen, ja siksi osaan on suunniteltava päästökulmat irrottamisen helpottamiseksi. Lisäksi suunnittelussa on mietittävät, missä ja mihin suuntaan jakosauma on, sillä se vaikuttaa esimerkiksi kappaleen koneistamiseen. (Hague et al. 2003a; Mansour et al. 2003.) Toisin kuin ruiskuvalussa, AM-teknologiassa ei tapahdu materiaalin sulamista ja jähmettymistä muotin sisällä. Tämän vuoksi suunnitteluvaiheessa ei tarvitse huolehtia tasaisesta seinämäpaksuudesta, jotta materiaali virtaisi tasaisesti. AM-teknologiaa käytettäessä ei myöskään tarvitse välttää niin paljon teräviä kulmia, yhtymäsaumoja ja painaumia tai huolehtia jakosaumojen sijainnista. Eniten AM-teknologia vaikuttaa kuitenkin suunniteltavien osien geometrioiden monimutkaisuuteen. Ruiskuvalulla valmistettavaan osaan pyritään yleensä tekemään mahdollisimman vähän monimutkaisia piirteitä, kuten pohjallisia reikiä, kierteitä tai sisennöksiä. Kyseisiä piirteitä on mahdollista tehdä ruiskuvalulla, mutta niiden teko vaatii

25 koneistamista, testausta ja prototyyppejä, mikä lisää kustannuksia ja läpimenoaikaa. AMteknologiaa käytettäessä monimutkainen geometria ei ole ongelma, vaan vaikeitakin muotoja pystytään valmistamaan CAD-mallin perusteella. (Hague et al. 2003a; Mansour et al. 2003.) 4.3.2 AM-suunnitteluperiaatteet AM-teknologian yleistymisen myötä on omaksuttava uudenlaiset suunnitteluperiaatteet, sillä suunnittelussa ei tarvitse enää seurata niin tiukkoja sääntöjä kuin ennen. Uusien suunnitteluperiaatteiden avulla voidaan lisätä toiminnallisuutta ja vähentää komponenttien määrää yhdistämällä toimintoja. Suunnittelun muuttuessa vapaammaksi huomiota voidaan kohdistaa enemmän esteettisyyteen ja osan toimintaan. (Becker et al. 2005.) On huomioitava, että AM-teknologia ei poista kaikkia valmistusteknisiä rajoitteita, vaan korvaa ne erilaisilla suunnittelunäkökohdilla. Nämä näkökohdat ovat kuitenkin helpompia ottaa huomioon suunnittelussa. (Diegel et al. 2010.) AM-teknologian avulla valmistettavia kappaleita suunniteltaessa on tärkeää hyödyntää teknologian tarjoamia etuja. Kappaleet ja kokoonpanot tulee suunnitella kokonaan uudestaan, eikä vain valmistaa samanlaisia kappaleita eri prosesseilla. Kokoonpanoa tulee miettiä sen toimivuuden kannalta, ja käyttää vapaamuotoista suunnittelua. Kokoonpanon osien lukumäärää voi myös vähentää yhdistelemällä kappaleiden toimintoja tehokkaasti, mikä pienentää kokoonpanokustannuksia. Suunnittelussa on tavoiteltava mahdollisimman pientä massaa ja suurta lujuutta, sekä käytettävä mahdollisimman vähän materiaalia. Tähän voidaan päästä käyttämällä esimerkiksi onttoja rakenteita tai sisennöksiä, jos ne sopivat kappaleeseen. Kappaleen lujuusominaisuuksiin taas voidaan vaikuttaa muotoilulla. Materiaalia tulisi laittaa vain sinne, missä sitä tarvitaan. Lisäksi ainetta lisäävän valmistuksen ansiosta suunnittelussa ei tarvitse miettiä, miten osat voitaisiin koneistaa tai valaa. (Becker et al. 2005.) Kuvassa 8 on yhteenveto AM-teknologian tärkeimmistä suunnitteluperiaatteista.

26 AM-teknologian tarjoamien etujen hyödyntäminen Kappaleiden ja kokoonpanojen uudelleen suunnittelu Osien ja kokoonpanojen toimivuuden miettiminen Toimintojen yhdistely ja kokoonpanon osien lukumäärän vähentäminen Pienen massan ja suuren lujuuden tavoittelu Materiaalin käyttö vain siellä missä sitä tarvitaan Kuva 8. AM-teknologian suunnitteluperiaatteet. 4.3.3 Mekaanisten ominaisuuksien optimointi ja testaus Jotta AM-suunnitteluperiaatteita voitaisiin noudattaa lujuuden ja painon optimoinnissa, on komponenttien mekaaniset ominaisuudet voitava arvioida riittävällä tarkkuudella jo suunnitteluvaiheessa. AM-teknologialla valmistettavien komponenttien mekaanisten ominaisuuksien suunnittelua vaikeuttavat kuitenkin nykyiset CAD-ohjelmat sekä ominaisuuksien osittainen määräytyminen prosessiparametrien mukaan. Jotta mekaanisia ominaisuuksia voitaisiin arvioida riittävällä tarkkuudella etukäteen, nykyisiä CAD-ohjelmia pitäisi kehittää tukemaan monimutkaisten geometrioiden ja useista materiaaleista koostuvien komponenttien mallintamista (Bourell et al. 2009). Koska myös prosessiparametrit vaikuttavat lopullisen komponentin ominaisuuksiin (Mahamood et al. 2013), mekaanisten ominaisuuksien arvioiminen ja optimointi etukäteen vaatii tietoa myös valmistusprosessin erityispiirteistä. Tästä syystä pitäisi kehittää menetelmiä, joilla voitaisiin etukäteen arvioida AM-menetelmien prosessirakenne-ominaisuudet -suhteita. (Bourell et al. 2009.) Tällä hetkellä FEM-malleja on käytetty jonkin verran rakenteiden optimoinnissa, ja saatuja tuloksia on verrattu todellisiin mekaanisten kokeiden antamiin tuloksiin (Hambali et al. 2012; Rayneau-Kirkhope et al. 2012). Vastaavuudet ovat olleet hyviä, mutta malleissa on edelleen puutteita ja ne vaativat jatkotutkimusta (Rayneau-Kirkhope et al. 2012). FEM-mallinnusta on käytetty myös sopivien prosessiparametrien selvittämiseen (Zäh et al. 2010). AM-menetelmillä valmistettujen komponenttien mekaanisista ominaisuuksista on tähän mennessä tutkittu jonkin verran staattisia mekaanisia ominaisuuksia, mutta dynaamisten

27 mekaanisten ominaisuuksien tutkimus on jäänyt vähemmälle (Spierings et al. 2013). Yleisesti mekaaniset testaukset on suoritettu testisauvoista standardien mukaan (Paul et al. 2007), ja tutkimukset ovat rajoittuneet yksittäisiin materiaaleihin. Joissain tapauksissa tutkittujen materiaalien ominaisuudet ovat olleet paremmat kuin perinteisillä valmistusmenetelmillä (Lewis et al. 2000). AM-menetelmillä tuotettujen komponenttien mekaanisten ominaisuuksien paremmuudesta ei kuitenkaan ole kirjallisuudessa yksimielisyyttä. Mekaanisten ominaisuuksien tutkimuksesta huolimatta AM-menetelmille ei ole juurikaan kehitetty yhtälöitä, joilla mekaanisia ominaisuuksia voitaisiin laskea etukäteen. AM-teknologialla valmistettaville huokoisille materiaaleille on kuitenkin joitakin yhtälöitä, joilla mekaanisia ominaisuuksia voidaan arvioida jo suunnitteluvaiheessa. Yhtälöissä on vielä puutteita, ja niillä voidaan lähinnä vertailla eri materiaaleja keskenään, mutta mekaanisia ominaisuuksia ei voida etukäteen arvioida riittävällä tarkkuudella. (Choren et al. 2013.) 4.4 Suunnittelun mahdollisuudet AM-teknologia tarjoaa ainutlaatuisen valmistustekniikkansa ansiosta suunnittelijoille monenlaisia mahdollisuuksia, joiden avulla voidaan vaikuttaa muun muassa räätälöintiin, parantaa tuotteiden toimintaa ja monitoimisuutta sekä alentaa kokonaisvalmistuskustannuksia. AM-teknologian tarjoamia mahdollisuuksia ovat esimerkiksi muodon monimutkaisuus, materiaalin monimutkaisuus ja toiminnallinen monimutkaisuus. (Gibson et al. 2010a, s. 283.) Muodon monimutkaisuus tarkoittaa sitä, että voidaan valmistaa lähes mitä muotoja tahansa, monimutkaiset geometriat valmistuvat helposti ja muotoa voidaan optimoida. Materiaalin monimutkaisuus kuvaa sitä, että osaan voidaan valmistaa esimerkiksi erilaisia materiaalikoostumuksia, koska valmistus tapahtuu kerros kerrokselta. (Gibson et al. 2010a, s. 283; Rosen 2007.) Toiminnallinen monimutkaisuus taas tarkoittaa sitä, että voidaan valmistaa täysin toiminnallisia kokoonpanoja ja mekanismeja suoraan ilman kokoonpanoa (Gibson et al. 2010a, s. 284). Kuvassa 9 näkyy suunnittelumahdollisuuksien jaottelu muodon, materiaalin ja toiminnallisuuden mukaan.

28 Muoto Materiaali Toiminnallisuus Monimutkaisten geometrioiden valmistaminen Muodon optimointi Geometrian räätälöinti Erilaiset materiaalikoostumukset Räätälöinti materiaaleilla Valmiiden kokoonpanojen tulostaminen Kokoonpanon osien yhdistäminen Rakenteen optimointi Kuva 9. AM-teknologian suunnittelun mahdollisuudet. Suunnittelijoiden työskentelyä on pitkään rajoittanut se, miten suunniteltava tuote saadaan valmistettua tai kokoonpantua. Valmistustapa on vaikuttanut esimerkiksi muotoiluun ja materiaalivalintoihin (Hague et al. 2003a). AM-teknologia tarjoaa suunnittelijoille monia mahdollisuuksia, sillä se vähentää paljon aikaisempia rajoitteita (Diegel et al. 2010). Yksi suurimmista eduista on monimutkaisten muotojen valmistaminen, mikä on mahdollista kerros kerrokselta tapahtuvan materiaalin lisäyksen ansiosta. Monimutkainen muoto ei myöskään lisää valmistuskuluja, toisin kuin monissa perinteisissä ainetta poistavissa valmistusmenetelmissä, joissa valmistuskustannukset kasvavat suoraan verrattuna monimutkaisuuteen. AM-teknologialla monimutkaisen muodon saa ilman ylimääräisiä kustannuksia. (Hague et al. 2003a; Hague et al. 2003b.) AM-teknologialla on vaikutuksia suunnittelijoiden työskentelytapaan. Yleensä suunnittelijat on opetettu ottamaan huomioon käytössä olevien valmistustekniikoiden asettamat rajoitteet ja vaatimukset, kuten valettaessa päästökulmat ja vakio seinämäpaksuus. Suunnittelijat ovat myös voineet tottua tekemään melko yksinkertaisia geometrioita. Koska AM-teknologialla valmistustapa on täysin erilainen, vähenevät perinteiset rajoitteetkin. Nyt suunnittelijoiden tulisi miettiä enemmän osan tarkkoja vaatimuksia ja olla innovatiivisempia, jotta AMteknologian tarjoamat mahdollisuudet saadaan hyödynnettyä. (Hague et al. 2003a; Hague et

29 al. 2003b.) Suunnittelijat voivat myös kiinnittää lisää huomiota tuotteiden ulkonäköön (Hague et al. 2003a). Rajoitteiden vähenemisen ansiosta suunnittelussa voidaan keskittyä enemmän tuotteen toiminnallisiin vaatimuksiin. Nyt tuotteiden ominaisuuksia voidaan optimoida tehokkaammin suunnittelemalla esimerkiksi tuotteen geometria paremmaksi. Optimoinnilla haetaan täydellisiä ominaisuuksia muun muassa painon tai rakenteiden lujuuden suhteen. (Hague 2006.) Painon optimointi voidaan toteuttaa esimerkiksi ontolla rakenteella, kuten luvussa 4.3.2 mainittiin. Kappaleen kevenemisen lisäksi ontto rakenne lyhentää valmistusaikaa ja pienentää materiaalikustannuksia. (Gibson et al. 2010a, s. 54.) Kappaletta voidaan keventää myös huokoisella rakenteella, jossa materiaalia on vain siellä missä sitä tarvitaan. Rakenne on myös hyvin luja. (Gibson et al. 2010a, s. 297; Rosen 2007.) Perinteisillä valmistusmenetelmillä on usein ollut vaikeaa tai mahdotonta tehdä tuotteen käyttötarkoituksen kannalta parasta rakennetta tai geometriaa. Kuvassa 10 havainnollistetaan esimerkin avulla, mitä optimoinnilla voidaan tehdä etulevyn ominaisuuksien parantamiseksi. A-kohdassa näkyy perinteisillä valmistusmenetelmillä valmistettu etulevy, jonka virtauskanavat on tehty kanuunaporalla. B-kohdassa vasemmanpuoleisessa etulevyssä virtauskanavien muoto on optimoitu ja oikeanpuoleisessa etulevyssä paino on optimoitu kokoamalla massa vain virtauskanavien ympärille. B-kohdan rakenteet voidaan valmistaa AMteknologialla, mutta perinteisillä valmistusmenetelmillä se olisi vaikeaa. (Hague 2006.) Kuva 10. a) Alkuperäinen etulevy. b) Virtauskanavien ja painon suhteen optimoitu etulevy. (Hague 2006.)

30 Tuotteiden optimointia voidaan käyttää kokoonpanojen osien yhdistämiseen, mikä vähentää kokoonpanon tarvetta ja kustannuksia. Tämän lisäksi osien yhdistämisellä voidaan optimoida tuotteen rakennetta sen sijaan, että jouduttaisiin tekemään kompromisseja valmistettavuuden tai kokoonpanon vuoksi. AM-teknologian avulla voidaan valmistaa sellaisia muodoltaan optimoituja monimutkaisia kappaleita, joita ei voisi tehdä perinteisillä menetelmillä. Kuvassa 11 on esimerkki kokoonpanon osien vähentämisestä. Siinä monimutkainen sotilaslentokoneen putkiston osan kokoonpano on yhdistetty vain yhdeksi komponentiksi, joka saadaan valmistettua kerralla AM-teknologialla. (Hague 2006.) AM-teknologian avulla voidaan myös valmistaa monimutkaisia toisissaan sidoksissa olevia liikkuvia osia valmiina kokoonpanoina. Kokoonpano valmistetaan kuin yhtenä komponenttina, ja valmistuslaitteesta tullessaan osat ovat kiinni toisissaan ja kokoonpano on käyttövalmis. (Diegel et al. 2010.) Kuva 11. Esimerkki kokoonpanon osien lukumäärän vähentymisestä. (Hague 2006.) AM-teknologian ansiosta voidaan tehdä paljon räätälöityjä tuotteita. Koska enää ei tarvitse tehdä suuria eräkokoja kustannusten pienentämiseksi, mahdollisuudet tehdä edullisia ja monimutkaisia räätälöityjä osia paranevat, ja teoriassa kaikki valmistettavat osat voisivat olla räätälöityjä. Geometrialtaan tai rakenteeltaan räätälöityjä tuotteita on tehty aikaisemminkin, mutta perinteisillä valmistusmenetelmillä se on vaatinut paljon työtä ja tehty ensisijaisesti käsityönä. Nyt edullisen kustannustason vuoksi tavallisilla ihmisillä on koko ajan parempi mahdollisuus ostaa heille räätälöityjä tuotteita. (Hague 2006.) AM-teknologia mahdollistaa tuotteiden räätälöinnin myös materiaalien avulla. Kun kappale tehdään esimerkiksi valamalla, se tehdään yleensä homogeenisestä materiaalista, ja vaikka kappaleessa olisikin kahta tai useampaa homogeenistä materiaalia, olisi niiden välillä selvä raja. AM-teknologian avulla on mahdollista tehdä erilaisia materiaaliyhdistelmiä ja saada näin aikaan haluttuja ominaisuuksia osan eri kohtiin. (Hague et al. 2003a; Hague 2006.)

31 Tällä hetkellä massamarkkinoilla ei ole mahdollisuutta saada täysin räätälöityjä tuotteita perinteisillä valmistusmenetelmillä, vaan puhutaan massaräätälöinnistä. Massaräätälöinti saavutetaan modularisoinnin avulla, eli valmistetaan moduuleja, jotka voidaan yhdistää ja näin saadaan vaihtelevia yhdistelmiä. AM-teknologia kuitenkin muuttaa räätälöinnin saatavuutta helpommaksi, ja sillä voidaan tehdä yksilöllisesti räätälöityjä tuotteita, joista kaikki voidaan valmistaa samalla laitteella. (Hague 2006.) Hyvä esimerkki tästä on kuulolaitteiden kuorten valmistus lasersintrauksella, sillä sintraamalla voidaan valmistaa jopa satoja geometrialtaan erilaisia kuoria kerralla (Gibson et al. 2010a, s. 288). 4.5 Suunnittelun rajoitteet AM-teknologia tarjoaa suunnittelijoille paljon mahdollisuuksia muodon, rakenteen ja materiaaliominaisuuksien suhteen. Silti AM-teknologia asettaa omat rajoitteensa, joita ovat esimerkiksi valmistusnopeus, tarkkuus, pintageometria, toleranssit, seinämäpaksuus, kappaleen koko, materiaalien ominaisuudet ja materiaalivalikoima. AM-teknologian asettamat rajoitteet eivät ole niin tarkkoja kokonaistoiminnallisuuden kannalta, mutta valmistusprosessi ja materiaalit pitää silti tuntea kunnolla. (Gibson et al. 2010b.) AM-teknologian suunnittelulle asettamat olennaisimmat rajoitteet on listattu kuvaan 12. Rajoitteet käydään tarkemmin läpi seuraavissa kappaleissa. Yhteensopivuus muiden kappaleiden kanssa Helppo kokoonpantavuus Pinnanlaatu Tulostusorientaatio Tukirakenteet Eri AMtekniikoiden omat rajoitukset Kuva 12. AM-teknologian asettamat rajoitukset ja suunnittelussa huomioitavat asiat. Vaikka ainetta lisäävällä valmistuksella pystytään tulostamaan melkein mitä muotoja tahansa, ei se silti välttämättä tarkoita täydellistä suunnittelun vapautta. Suunnittelussa on yleensä huomioitava suunniteltujen kappaleiden yhteensopivuus olemassa olevien komponenttien

32 kanssa. Tuotteet koostuvat tyypillisesti monista osista, ja jos uusiin kappaleisiin halutaan yhdistää valmiita kappaleita, on se otettava huomioon suunnittelussa. Suunnitteluprosessissa on todennäköisesti myös huomioitava DFA-periaate (Design for Assembly) eli suunnittelun aikana mietitään, miten osat saadaan kokoonpantua helposti. Vaikka komponentteja voidaankin mahdollisesti vähentää yhdistelemällä osia ja tekemällä niistä monimutkaisempia, saattaa lopulliseen tuotteeseen silti joutua lisäämään esimerkiksi piirilevyjä tai pattereita. Jos kappaleeseen lisätään muita komponentteja AM-teknologian avulla, ongelma ei ole niin suuri. (Hague et al. 2003b.) Suunnittelussa pitää huomioida kappaleen pinnanlaatu. Koska valmistustapa lisää ainetta kerros kerrokselta, pinnoille saattaa muodostua selvästi näkyvää porraskuviota (kuvat 2 ja 13). Porraskuvion vuoksi pinnansuuntaa ja kulmaa täytyy miettiä sekä suunniteltaessa että tulostettaessa. Pinnanlaatuvirheitä voi korjata jälkikäteen esimerkiksi helmipuhalluksella tai hiomalla. (Diegel et al. 2010.) Porrasmaisen pinnan epätasaisuuteen voi vaikuttaa myös pienentämällä kerrospaksuutta, jolloin kappale vastaa tarkemmin alkuperäistä CAD-mallia. Valmistamisessa ei kuitenkaan kannata käyttää pienintä mahdollista kerrospaksuutta, koska se pidentää valmistusaikaa ja -tiedostoja. (Onuh et al. 1999.) Kuvassa 13 nähdään, miten kerrospaksuus vaikuttaa kappaleen pinnanlaatuun ja siihen, miten hyvin valmis kappale vastaa alkuperäistä mallia. Kuva 13. Kerrospaksuuden vaikutus kappaleen pinnanlaatuun ja porrasefektiin. Kuvassa puoliympyrä. Suunnitteluvaiheessa on mietittävä, miten päin kappale tullaan valmistamaan AMteknologialla, sillä oikealla tulostusorientaatiolla voidaan vähentää monia tulostuksen ongel-

33 mia, kuten porrasefektiä. Jos esimerkiksi sylinteri valmistetaan pystyasennossa, lopullinen kappale koostuu toistensa päällä olevista rengasmaisista kerroksista ja vastaa melko tarkasti alkuperäistä CAD-mallia. Jos taas sama sylinteri valmistetaan kyljellään, reunoille muodostuu selkeät eri kerroksien muodostamat porraskuviot. Tällöin lopputuote vastaa mallia huonommin. Monimutkaisemmissa kappaleissa optimaalisen tulostussuunnan päättäminen voi olla vaikeampaa, kun erilaisia piirteitä on monella akselilla. Tällöin voi joutua arvioimaan, onko joku piirre tärkeämpi kuin muut. Valintaan voi vaikuttaa myös esimerkiksi valmistusajan vaihtelu orientaatiosta riippuen, tukirakenteiden tarve ja erilaiset pinnantarkkuusvaatimukset, kuten että pinnalla ei saa olla jälkiä tukirakenteista. (Gibson et al. 2010a, s. 53.) Kuva 14 havainnollistaa, kuinka suuri vaikutus kappaleen orientaatiolla on tukirakenteisiin. Tulostussuunta vaikuttaa myös tulostetun kappaleen mekaanisiin ominaisuuksiin. Tulostettaessa kappaleita kerrokset muodostuvat x-y-suunnassa, ja seuraavat kerrokset lisätään z- suunnassa, minkä vuoksi kappaleen joustavuudessa ja lujuudessa on pieniä eroja vaaka- ja pystysuunnassa. Teknologian kehittyessä kappaleista on tulossa homogeenisempiä, mutta suunta kannattaa silti huomioida ennen valmistamista. (Diegel et al. 2010.) Kuva 14. Tulostusorientaation vaikutus tukirakenteisiin. Jotkut AM-tekniikat vaativat tulostuksen aikana tukirakenteita, joiden tehtävä on kiinnittää kappale rakennusalustaan, vähentää kappaleen vääristymistä sekä tukea ulkonevia poikkileikkauksia, yli 45 asteen kulmassa nousevia pintoja ja irrallisia kohtia (Onuh et al. 1999). Tukirakenteet ovat tyypillisesti onttoja tai huokoisia rakenteita, jotka poistetaan valmistuksen jälkeen (Strano et al. 2013). Tukirakenteiden määrää kannattaa yrittää minimoida. Kaikilla tekniikoilla alaspäin oleva pinta on aina hieman huonompi, mutta tukirakenteet vielä pahen-