Valmistusmenetelmät vertailussa: 3D-tulostus ja koneistus metallikappaleiden valmistamisessa

Artikkeli julkaistu 23. huhtikuuta 2019

3D-tulostus ja koneistus ovat perusperiaatteiltaan täysin päinvastaisia valmistusmenetelmiä. Tässä blogiartikkelissa kerromme, miten eri menetelmiä kannattaa hyödyntää metallikappaleiden valmistuksessa.

Tämä on metallin lisäävään valmistukseen keskittyvän blogisarjamme neljäs osa. Edellisessä osassa kerroimme suunnittelun merkityksestä metallin lisäävässä valmistuksessa.

3D-tulostus ja koneistus ovat toistensa vastakohtia

Metallikappaleita voidaan valmistaa muun muassa 3D-tulostamalla (ainetta lisäävä valmistus) tai koneistamalla. Nämä yleisesti käytössä olevat menetelmät perustuvat kuitenkin jo lähtökohtaisesti täysin päinvastaisille tekniikoille, mikä asettaa omat reunaehtonsa sopivan valmistusmenetelmän valinnalle.

Koneistamisessa kustannukset syntyvät raakamateriaalin hankinnan lisäksi käsillä olevan materiaalin työstämisestä. Mitä vähemmän alumiinikuutiota tarvitsee muokata, sitä pienemmät ovat kustannukset. Käytännössä koneistuksella valmistettavat kappaleet pyritäänkin suunnittelemaan mahdollisimman yksinkertaisiksi, sillä monimutkaiset muodot tietäisivät heti hyppäystä kustannuksissa. Tästä johtuen kappaleisiin tuppaa jäämään jopa 30–70 % ns. ylimääräistä materiaalia, jolla ei tuotteen toiminnallisuuden kannalta ole mitään merkitystä, mutta jota ei kustannusten nousun takia kannata poistaakaan.

3D-tulostuksessa kustannukset muodostuvat täysin toisella tapaa. 3D-tulostamisen kustannukset ovat sidoksissa kappaleen valmistamiseen käytetyn materiaalin määrään ja kappaleen kokoon. Mitä enemmän materiaalia käytetään, sitä enemmän valmistus maksaa. Ajatuksena onkin, että 3D-tulostuksessa kappaleeseen jätetään vain sen ydintoiminnallisuuden kannalta tärkeä materiaali. Tämä johtaa siihen, että toisin kuin koneistuksessa, 3D-tulostuksessa kappaleiden monimutkaisuus ei maksa käytännössä mitään – itse asiassa geometrialtaan monimutkaisempi kappale saattaa tulla yksinkertaista kappaletta halvemmaksi, jos materiaalia kuluu kappaleen valmistamiseen vähemmän.

Koneistusta aloitellessa ollaan ikään kuin samassa tilanteessa kuin kuvanveistäjä ison kuutiomaisen marmoripaasin edessä: mitä enemmän paasia muokataan ja mitä monimutkaisempi on lopullisen kappaleen muoto, sitä enemmän työntekoon menee aikaa (eli koneistuksen tapauksessa kustannuksia). Taidevertausta jatkettaessa 3D-tulostus puolestaan voisi vertautua esimerkiksi maalaustaiteeseen, jossa lähtötilanteessa on vain tyhjä taulu ja mitä enemmän kankaalle vedetään siveltimenvetoja, sitä enemmän kuluu maalia ja aikaa (eli 3D-tulostamisen tapauksessa kustannuksia).

Asia saattaa näin esitettynä kuulostaa yksinkertaiselta, mutta yllättävän usein pinttyneet käsitykset perinteisten valmistusmenetelmien kustannusrakenteesta ohjaavat sitä, miten ihmiset hahmottavat 3D-tulostusta. Hyvä esimerkki on titaanikappaleen valmistaminen. Titaanihan on materiaalina melko kallista, ja tarvittavan titaanimäärän hankkiminen koneistamalla valmistettavaa kappaletta varten ei välttämättä ole kovinkaan järkevää. 3D-tulostamalla titaanikappaleen valmistaminen voikin kuitenkin käydä järkeen, sillä 3D-tulostettuun kappaleeseen ei tarvitse upottaa moninkertaista määrää ylimääräistä materiaalia, vaan titaania voidaan käyttää juuri sen verran kuin kappaleen toiminnallisuuden kannalta on tarpeen. Tällä tavoin arvokkaitakin metalleja voidaan 3D-tulostuksen avulla hyödyntää ihan ns. käyttökappaleissa ja kustannukset pysyvät järkevinä. Pelkästään koneistuksen periaattein ajateltuna tällainen mahdollisuus jäisi todennäköisesti kokonaan huomaamatta.

Milloin kannattaa käyttää mitäkin valmistusmenetelmää?

Kaiken edellä esitetyn valossa on luonnollista päätyä miettimään, että missä tilanteissa kannattaa käyttää 3D-tulostusta ja missä tilanteissa mahdollisesti jotain muuta valmistusmenetelmää. Tähän voisi esittää nyrkkisääntönä seuraavan jaottelun:

3D-tulostaminen kannattaa silloin, kun 1) kappaleen geometriset muodot ovat monimutkaisia, 2) jos puhutaan yksilöllisestä kappaleesta tai piensarjatuotannosta, tai 3) jos tuotanto halutaan aloittaa hyvin nopealla aikataululla. 3D-tulostamista kannattaa harkita myös silloin, jos materiaalin käyttöä halutaan esimerkiksi yrityksen hiilijalanjäljen pienentämisen näkökulmasta hillitä.

Koneistaminen, sorvaaminen tai muu vastaava ns. perinteinen valmistusmenetelmä kannattaa silloin, kun valmistettava kappale on sen verran yksinkertainen muodoltaan, että sen valmistaminen on koneistaen/sorvaten helppoa.

3D-tulostus, koneistus ja ruiskupuristus vertailussa.
Erilaiset valmistusmenetelmät sopivat erilaisiin tilanteisiin.

Älä tyydy yhteen – hybriditulostus hyödyntää monia menetelmiä

Olemme nyt todennäköisesti yhtä mieltä siitä, että ns. perinteiset valmistusmenetelmät ja 3D-tulostus toimivat hyvin erilaisin tavoin ja siksi niihin tulee myös suhtautua eri tavalla. Tämä ei kuitenkaan tarkoita sitä, että sinun tarvitsisi tässä ja nyt valita puoltasi – tämä ei ole mikään taistelu 3D-tulostuksen ja perinteisten valmistusmenetelmien välillä emmekä halua ketään sellaiseen lietsoa.

Sodan sijaan olemme rauhan asialla, me nimittäin näemme valmistavalle teollisuudelle valtavasti mahdollisuuksia nimenomaan näiden erilaisten valmistusmenetelmien järkevässä yhdistelyssä. Meidän silmissämme menetelmien yhdisteleminen kristallisoituu hienoimmalla mahdollisella tavalla hybriditulostuksessa.

Mitä on hybriditulostus? Hybriditulostuksessa esimerkiksi koneistamalla valmistettuun kappaleeseen lisätään 3D-tulostamalla sellaisia muotoja ja ominaisuuksia, joita ei koneistamalla ole mahdollista tai kannattavaa tehdä.

Erityisen käyttökelpoinen hybriditulostus on sellaisissa tilanteissa, joissa kappaleessa on esimerkiksi jokin tietty osa, joka vaatii monimutkaista työstä: tällöin koko muu kappale kannattaa valmistaa esimerkiksi koneistamalla ja monimutkainen osa vain lisätään kappaleeseen 3D-tulostamalla. Samalla tavalla hybriditulostus on varteenotettava vaihtoehto silloin, jos valmistettava kappale esimerkiksi kuluu ajan mittaan: tällöin kokonaan uuden kappaleen valmistamisen sijaan voidaan poistaa pelkästään kappaleen kulunut osa ja tehdä 3D-tulostamalla sen tilalle uusi.

Hybriditulostuksessa yhdistellään 3D-tulostamista ja perinteisiä valmistusmenetelmiä.
Hybriditulostuksessa yhdistellään 3D-tulostamista ja perinteisiä valmistusmenetelmiä: kuvan kappaleessa koneistetun pohjalaatan päälle on valmistettu 3D-tulostamalla putkisto. Kuvan kappale on keskeneräinen.

Hybriditulostus on terminä ja käytäntönä täysin uusi asia – sellainen asia, jonka olemassaolosta suurin osa ei tiedä vielä yhtään mitään. Me olemme kuitenkin ihan käytännössä jo nähneet, miten hyvin se toimii, joten uskomme vahvasti, että hybriditulostuksen rooli valmistavassa teollisuudessa tulee kasvamaan todella paljon. Hybriditulostuksen myötä valmistusprosessi sisältää monia menetelmiä, joita käytetään kustannustehokkaasti kunkin menetelmän vahvuuksia hyödyntäen.

Yhteenveto

Hyvä lukija, tässä kirjoituksessa olemme perehtyneet metallikappaleiden erilaisiin valmistusmenetelmiin. Aloitimme kertomalla, miten perustavalla tavalla 3D-tulostus ja koneistus eroavat valmistusmenetelminä toisistaan. Kävimme läpi näiden menetelmien hyödyt ja kartoitimme ne tilanteet, jolloin kannattaa käyttää mitäkin menetelmää. Tässä ei kuitenkaan ollut kaikki.

Lopuksi kaadoimme vasta pystyttämämme valmistusmenetelmien raja-aidat ja loimme hybriditulostuksen avulla kuvan valmistavan teollisuuden tulevaisuudesta, jossa erilaisia menetelmiä hyödynnetään rinnakkain ja limittäin, ilman selväpiirteisiä rajoja. Raja-aidat rymisevästi kaatanut lopetus ei kuitenkaan kumoa tekstin alussa esittämiämme asioita, vaan itse asiassa vain korostaa niiden merkitystä. Hybriditulostuksen aikakaudella on nimittäin erityisen tärkeää tunnistaa erilaisten valmistusmenetelmien vahvuudet ja heikkoudet, jotta niitä pystytään soveltamaan kustannustehokkaalla tavalla.

Kiinnostuitko 3D-tulostuksesta ja hybriditulostuksesta? Jos haluat olla ensimmäisten joukossa hyödyntämässä hybriditulostuksen mahdollisuuksia, ota yhteyttä meihin ja me kerromme aiheesta lisää.

Lue blogisarjan muut osat
Osa 1: Metallin lisäävä valmistus – uusi blogisarja alkaa
Osa 2: Millaisia vaatimuksia teollisuustasoinen metallin 3D-tulostus asettaa laitteistolle ja tuotannon laadulle?
Osa 3: Metallin lisäävä valmistus perustuu suunnittelulle
Osa 5: Metallin lisäävän valmistuksen materiaalivaihtoehdot esittelyssä

[index]
[index]