Sähkömoottorin prototyyppi osoittaa, että 3D-tulostamisen kaupalliset mahdollisuudet ovat nurkan takana. VTT:n tutkijat ovat jo liki kymmenen vuoden ajan tutkineet 3D-tulostamisen hyödyntämistä sähkökoneiden valmistuksessa. Tutkimustiimin päällikkö Sini Metsä-Kortelaisen mukaan 3D-tulostamisen hyötyjä kannattaa puntaroida monesta näkökulmasta.
Teknologian tutkimuskeskus VTT toi viime syksynä ensiesittelyyn Formnext- ja World PM -messuilla sähkömoottorin prototyypin, jossa on 3D-tulostettuja osia. Moottori herätti laajaa kiinnostusta messujen kansainvälisessä ammattilaisyleisössä.
Sähkökoneet ovat nyt kuuma kehityskohde monesta syystä.
”Hiilidioksidipäästöjä halutaan pienentää muun muassa liikenteessä, mikä näkyy sähköautojen määrän kasvuna. Niiden moottoreissa käytetään magneettisia materiaaleja, jotka sisältävät harvinaisia maametalleja. Näistä raaka-aineista on pulaa ja niistä valtaosa tuodaan muun muassa Kiinasta. Tämän vuoksi on tärkeää kehittää uusia vaihtoehtoisia materiaaleja ja materiaalitehokkaita laitteita, jotta voidaan vähentää harvinaisten maametallien käyttöä”, VTT:n Kehittyneet valmistusteknologiat -tutkimustiimin päällikkö Sini Metsä-Kortelainen kertoo.
3D-tulostuksen avulla voidaan tehdä koneiden rakenteista modulaarisia, mikä tekee helpommaksi osien korjaamisen tai kierrättämisen tulevaisuudessa. Magneettisten materiaalien 3D-tulostusta voidaan hyödyntää sähkökoneiden lisäksi myös esimerkiksi kuristimissa ja muuntajissa. Käyttökohteita on runsaasti sähköpyöristä tuulivoimaloihin.
Kevytkin materiaali voi olla luja
3D-tulostuksesssa osat rakentuvat kerros kerrokselta, kun taas perinteisessä valmistuksessa lähtökohta on materiaalikappale, josta poistetaan materiaalia.
Metallien 3D-tulostuksessa yksi yleisimmistä menetelmistä on jauhepetisulatus, jossa metalliosa valmistuu valitusta jauheesta kerros kerrokselta. Laser sulattaa ne kohdat, joihin osa alkaa rakentua.
”Erityistä on se, että 3D-tulostustusprosessissa luodaan jauheesta kappale, jonka materiaaliominaisuudet kuten mikrorakenne poikkeavat perinteisestä. Vaatii tutkimusta, että saadaan ominaisuudet sellaisiksi kuin mitä käyttökohteet edellyttävät”, Metsä-Kortelainen sanoo.
3D-tulostusmenetelmän ehdottomia hyötyjä ovat lähes rajattomat suunnittelumahdollisuudet sekä se, ettei osien valmistamiseen tarvita erityisiä työkaluja kuten muotteja. Onkin mahdollista valmistaa hyvin monimutkaisia, optimoituja ja kevyempiä rakenteita lujuusvaatimuksista tinkimättä.
”Tämä on tärkeää esimerkiksi ilmailussa, jossa kevyempien 3D-tulostettujen osien myötä voidaan säästää polttoainetta merkittävästi elinkaaren aikana.”
Kaupallisia ratkaisuja odotettavissa lähivuosina
VTT:n tutkijat keskittyvät tällä hetkellä vaativiin käyttökohteisiin, kuten konepajojen tarpeisiin, autoiluun, ilmailuun, avaruusteollisuuteen ja ydinturvateollisuuteen.
Messuilla julkistetun moottorin lisäksi tutkimustiimit kehittävät muun muassa digitaalisia varaosia, metalliosiin upotettua älykkyyttä, 3D-tulostusprosessin monitorointia ja siihen liittyvää reaaliaikaista laadunvalvontaa.
”Kehitämme VTT:llä jatkuvasti 3D-tulostusmenetelmille uusia materiaaleja sekä niille soveltuvia 3D-tulostukseen ja jälkikäsittelyyn liittyviä prosessointiparametreja.”
Kun materiaali- ja valmistusparametrit on hiottu kuntoon, siirrytään valmistamaan prototyyppejä, joiden avulla tutkimustiimit voivat osoittaa, kuinka hyvin ratkaisut toimivat. Metsä-Kortelaisen mukaan lopputulokset ovat olleet hyviä.
”Olemme saavuttaneet sellaisia ominaisuuksia, joille nähdään kaupallista potentiaalia, vaikka monia vaiheita on vielä edessä ennen ratkaisujen kaupallistamista.”
Kuinka kauan kaupallisia ratkaisuja tai tuotteita täytyy vielä odottaa?
”3D-tulostusta hyödynnetään jo laajasti monissa sovelluksissa. Tulostusmenetelmät toimivat ja soveltuvia materiaaliratkaisuja on kehitetty.”
3D-tulostettujen sähkökoneiden osien kaupallistamiseen mennee vielä useampi vuosi. Kaupallistaminen edellyttää sekä jauhemateriaalin valmistamisen että 3D-tulostusvaiheen laajentamista teollisen tuotannon mittakaavaan. Lisäksi tarvitaan yrityksiltä riskinottokykyä muun muassa tuotteiden ja valmistusprosessien uudelleensuunnittelussa.
Joustoa perinteiseen teollisuuteen
3D-tulostuksen rinnalla voidaan hyödyntää myös muuta teknologiaa, kuten robotiikkaa, autonomisia ratkaisuja sekä tekoälyä.
3D-tulostaminen mullistaa paljon, mutta aivan kaikkea ei voi tai ei kannata tulostaa. 3D-tulostuksen mahdollisia hyötyjä kannattaakin arvioida monesta näkökulmasta, kuten kustannusten, tehokkuuden tai ympäristövaikutusten kannalta.
3D-tulostus ei uhkaa perinteistä valmistusta vaan se avaa uusia mahdollisuuksia täydentää nykyisiä menetelmiä ja tuo joustavuutta.
”On hyvä muistaa, että perinteinen teollisuuskin uudistuu resurssitehokkaampaan suuntaan”, Metsä-Kortelainen sanoo.
Kiinnostaako tulevaisuuden teknologiaratkaisut käytännössä? Lue, miten DNA ja Noccela rakentavat suomalaisyrityksille seuraavan sukupolven IoT:ta.
