Plasmakäsittely kirittää materiaalikehitystä

Artikkelit
VTT
3D-tulostin tulostaa pyöreää kulhoa

​15 000 astetta. Siinä höyrystyy rautakin. VTT:n 3D-printtauksen tehostamiseksi hankkima plasmakäsittelylaitteisto avaa uusia mahdollisuuksia ja nopeuttaa teollisuuden materiaali- ja tuotekehityssyklejä.

​VTT:n Tampereen yksikössä on viime syksystä alkaen tutkittu kanadalaisen Tekna-yrityksen valmistaman plasmakäsittelylaitteen suomia mahdollisuuksia. Ensimmäisiä asiakaspilotteja on ajettu ja tulokset ovat lupaavia. Tiimipäällikkö Tomi Lindroos on silmin nähden tyytyväinen tuoreeseen työvälineeseen.

– Meidän laite on uniikki Euroopassa ja ainoa, jota markkinoidaan ulkopuolisten käyttöön, niin että kuka tahansa pääsee jauheidensa kanssa tekemään tällä töitä.

VTT hakee laitteistolla uusia liiketoimintamahdollisuuksia.

– Meidän pitää olla aktiivisesti esillä messuilla ja konferensseissa, jotta meidät tunnetaan. Olemme käyneet Euroopan lisäksi keskusteluja myös muun muassa Taiwanin ja Yhdysvaltojen suuntaan.

Lindroos painottaa, että tämän vuoden tärkeä tavoite on saada myös suomalaisyritykset näkemään uuden palvelun tarjoamat mahdollisuudet tuotekehitysprojektien vauhdittamiseen ja liiketoiminnan kehittämiseen.

– Isojen laitevalmistajien alihankintaketjut ovat kriittinen asiakaskuntamme.

Kattava palvelu

​Plasmakäsittelylaitteisto on VTT:n vastaus teollisuuden alati lisääntyvälle tarpeelle saada käyttöön laboratoriomittakaavaa laajempia 3D-printtauksen pilotointiympäristöjä.

– Laboratoriomittakaavaa suuremmilla pilotointiympäristöillä on globaalisti iso kysyntä. Teollisuusyritykset hakevat ympäristöjä, jotka ovat lähellä lopullista tuotantoa, sillä tämä mahdollistaa nopeamman siirtymisen tuotekehityksestä tuotantoon.

VTT:n uusi plasmakäsittelylaitteisto vauhdittaa teollisuuden tuotantoprosesseja ja uusien tuotteiden syntymistä. Koko valmistusketju raaka-aineesta tuotteeksi nopeutuu ja virtaviivaistuu.

Plasmakäsittelylaitteisto on osa jauhemaisten aineiden pilotointiympäristöä (Powder Piloting Service), joka tarjoaa asiakasyritysten tuotekehitysprojekteissa mahdollisuuden hyödyntää sekä modernia laitteistoa että VTT:n asiantuntijoille yli 20 vuoden aikana kertynyttä syvällistä materiaalitekniikan osaamista.

VTT:n palvelu on yhden luukun periaate.

– Ideana on se, että materiaaleja kehitetään teollisesti järkevässä mittakaavassa ja samassa ketjussa materiaalisynteesistä komponentiksi saakka. Meillä on myös tarjolla rinnakkaisia prosessiketjuja, joiden soveltuvuutta valmistukseen voidaan arvioida, Lindroos kertoo.

Metallisten materiaalien tuotantoketjussa VTT tarjoaa koko kirjon palveluita, muun muassa seosten tuotantoa, jauheiden valmistusta eri tekniikoilla sekä jauheiden muokkausta valmistusprosessiin.

Rautakin höyrystyy

​Plasmalaite tuo ratkaisun monien ongelmallisten materiaalien muokkaukseen 3D-tulostukseen sopiviksi.

Valtaosa maailman metallijauheesta tuotetaan vesiatomisointimenetelmällä. Sen ongelma on jauhepartikkeleiden epämääräinen muoto, jolloin jauhe ei ole riittävän juoksevaa 3D-tulostusta varten. Plasmakäsitellyllä vesiatomisoitu jauhe voidaan muokata puhtaaksi, erittäin tasalaatuiseksi ja erinomaisesti 3D-tulostukseen sopivaksi.

– Uusi laitteisto poistaa sulamispisteeseen liittyvät rajoitteet. Plasmalaitteessa päästään jopa 15 000 asteen lämpötilaan, jossa rautakin höyrystyy. Lähtöaine voi olla myös suspensio eli jauhe, jossa on mukana nestekomponentti.

Aine syötetään kuuman plasmaliekin läpi. Aineen viipymäaikaa varioidaan kuumassa liekissä, jolla aineeseen saadaan erilaisia ominaisuuksia. Läpisyötettävästä jauheesta muokataan täydellisen pyöreää jauhetta, jolloin sen juoksevuus on huippuluokkaa ja mahdollisimman sopivaa 3D-tulostukseen. Korkea lämpötila myös höyrystää jauheesta epäpuhtaudet pois ja saatava aine on hyvin puhdasta.

Puhtaalla ja pyöreällä jauheella ei ole itseisarvoa, vaan ainoastaan sen käytettävyys 3D-tulostuksessa ratkaisee.

– Jauheesta 3D-tulostetulle komponentille teemme usein jälkikäsittelyn kuten lämpökäsittelyn, isostaattisen kuumapuristuksen ja pinnan modifioinnin. Valmistamme siis asiakkaalle käyttövalmiin komponentin. Tämän lisäksi meillä on rinnalla perinteiset jauhemetallurgiset valmistusmenetelmät kuten metallien ruiskupuristus, isostaattinen kuumapuristus ja pinnoitusmenetelmät termisellä ruiskutuksella tai laserpinnoituksella.

Digitaalinen malli nopeuttaa tuotekehitystä

Plasmakäsittelylaite on osa tuotekehityksen ja tuotannon digitalisointia. Enää ei tarvitse tehdä mallikappaleita fyysisesti, vaan ne ja niissä käytettävät materiaalit voidaan mallintaa tietokoneella ja mallikappaleet tulostaa tietokonemallin pohjalta 3D-printterillä.

VTT:n isot teollisuusasiakkaat hakevat uusilla materiaaleilla erityisesti hintakilpailukykyä. Toisaalta palvelua on suunnattu myös aloitteleville yrityksille, jotka tarvitsevat innovaatioilleen modernin pilotointiympäristön.

– Spin-off-yrityksillä on pienet resurssit investoida. Meidän ympäristömme on hyvä paikka tutkia asioita ennen suuria investointeja.

Viime syksynä käyttöönotetulla laitteistolla on ajettu jo ensimmäisiä asiakastöitä. Kokemukset ovat olleet positiivisia.

– Ennakkoon jännitimme laitteiston kapasiteettia, mutta olemme päässeet sillä ihan järkeviin jauhemääriin. Yhdessä päivässä saamme riittävästi jauhetta yhteen 3D-tulostukseen eli viidestä kymmeneen kiloa kerrallaan.

Teknologian kehittyessä kyetään tekemään entistä suurempia kappaleita. Tästä yhtenä esimerkkinä yhdysvaltalainen teknologia-startup Apis Cor, joka ilmoitti noin vuosi sitten keksineensä tavan rakentaa edullisia taloja 3D-tulostimella.

Materiaalikehityksen kolme draiveria

​Uusien materiaalien kehittämisen ensisijaisena pontimena on yritysten tarve saada tuotteidensa komponentteihin entistä parempia ominaisuuksia. Materiaaleihin kohdistuu kovia vaatimuksia: parempaa korroosion, paineen ja lämmönvaihteluiden kestoa, lisää kovuutta tai parempi sitkeys; ja yhä useammin näitä kaikkia yhdessä. VTT:n tutkimusyksikkö vastaa tähän huutoon tietokonemallintamalla uusia materiaaleja ja niiden tuotantoa.

Kriittisten materiaalien, kuten koboltin, niukkuus ja hinnanvaihtelut ovat toinen syy, joka kirittää korvaavien ja edullisempien materiaalien kehitystä. Näissä tilanteissa voidaan jopa tinkiä materiaalin ominaisuuksista, jos korvaava materiaali on kustannustehokas ja sillä on käyttötarkoitukseen riittävät ominaisuudet.

Kolmas materiaalikehityksen linja on teollisuuden sivuvirroista saatavien raaka-aineiden hyödyntäminen materiaalikehityksessä, jolloin myös parannetaan kustannustehokkuutta.

– Plasmakäsittelylaitteistolla voidaan tehokkaasti poistaa sivuvirroissa olevia epäpuhtauksia, jolloin saadaan moniin käyttötarkoituksiin sopivia puhtaita raaka-aineita, VTT:n Tomi Lindroos sanoo.

3D-tulostaminen muuttaa maailmaa

​3D-tulostaminen harppaa pitkin askelin ja muuttaa maailmaa uusien sovellustensa myötä. Tällä hetkellä 3D:n suurimpia hyödyntäjiä ovat kuluttajatuote-, ilmailuja autoteollisuus sekä lääketieteen sovellukset. VTT on kokeillut esimerkiksi Sandvikin kanssa laitteiden osien 3D-tulostusta.

3D-tulostusteknologian edut korostuvat erityisesti lyhyiden sarjojen valmistuksessa. Maat, joiden teollisuus perustuu lyhyiden sarjojen tuotteisiin, kuten Suomi, hyötyvät erityisesti menetelmien käyttöönotosta. 3D-tulostus antaa suuret vapaudet kappaleiden muotoilussa, mikä mahdollistaa täysin uudenlaisten, aikaisempaa tehokkaampien ja kevyempien tuotteiden valmistamisen.

3D-tulostuksen etuja ovat myös kustomoidut tuotteet asiakkaan tarpeisiin, kevyemmät rakenteet ja melkeinpä mahdottomienkin kappaleiden valmistus ilman lisäkustannuksia. Teknologian ansiosta rikkoutuneen koneen osan ja tuotantolaitteen varaosan voi tulostaa vaikka toiselle puolelle maapalloa. Näin säästetään myös kuljetus- ja varastointikustannuksissa, kun logistiikkaketju pääosin siirtyy suunnittelusta vasta tarpeen mukaan tehtävään tuotantoon bitteinä.

Teknologian kehittyessä kyetään tekemään entistä suurempia kappaleita. Tästä yhtenä esimerkkinä yhdysvaltalainen teknologia-startup Apis Cor, joka ilmoitti noin vuosi sitten keksineensä tavan rakentaa edullisia taloja 3D-tulostimella.

Jaa