Dataa on pitkään kutsuttu nykyajan kullaksi. Monille se onkin sitä, mutta suurin osa datasta lepää passiivisena tietokannoissa ja järjestelmissä, hyödyntämättömänä raaka-aineena.
Data itsessään ei ole kultaa. Arvo syntyy jalostuksesta. Vasta kun data muuttuu tiedoksi, tietämykseksi ja ymmärrykseksi, sen todellinen potentiaali avautuu. Tarvitsemme siis parempia jalostuslaitoksia.
Digitaalisen kullan jalostus
Kielimallit ja tekoäly ovat uuden jalostuksen esikuvia. Ne louhivat passiivisia tietokantoja, puhdistavat ja muokkaavat raakadataa, ja muuttavat sen arvokkaiksi, käyttökelpoisiksi oivalluksiksi. Ne tekevät digitaalisesta jätteestä kultaa, kuten kaivos jalostaa malmin jalometalliksi.
Fyysisen maailman uusi kulta
Sama piilevän arvon logiikka pätee materiaalivirtoihin. Siinä missä olemme opetelleet datan jalostamista, meidän on nyt opittava materiaalien jalostamisen uusi kieli.
Kiertotalouden ytimessä on kierrätysmateriaalien jalostusarvon maksimointi. Ja kuten datassa, myös materiaaleissa suurin potentiaali piilee siellä, missä sitä ei heti nähdä.
Tulevaisuuden kulta-aarteita ovat kierrätettävät komposiitit. Näitä lujia ja kevyitä materiaaleja löytyy kaikkialta: tuulivoimaloiden siivistä, lentokoneista, autoista, veneistä ja rakennuksista.
Kun esimerkiksi 70-metrinen tuulivoimalan siipi päätyy elinkaarensa päähän, sen kohtalona on usein joutua maantäytteeksi tai poltettavaksi, kuten arvokas data hautautuu käyttämättömänä tietokantaan. Arvo katoaa, koska jalostusprosessi puuttuu.
Kaksi ongelmaa, kaksi mahdollisuutta
Olipa kyseessä data tai komposiitti, piilevän kullan etsijän on ratkaistava kaksi kysymystä:
Tekninen haaste: Miten resurssi voidaan käsitellä niin, että sen arvo säilyy tai kasvaa? Miten data jäsennellään? Miten komposiitin ainekset erotellaan toisistaan?
Kaupallinen haaste: Miten luodaan liiketoimintamalli, joka tekee jalostamisesta kannattavaa? Mitä kaikkea kierrätysmateriaalista voidaan tehdä? Kuka maksaa lopputuotteesta?
Pelkkä tekninen ratkaisu ei riitä. Arvo syntyy, kun jalostuksesta tulee uutta liiketoimintaa.
Kemiallisen kierrätyksen avulla komposiitti voidaan pilkkoa takaisin alkuperäisiksi öljyiksi ja kuiduiksi. Jalostaja ei myy mursketta, vaan korkealaatuista raaka-ainetta tai uusia komponentteja teollisuudelle , esimerkiksi autoteollisuuden puskureihin tai rakennusteollisuuden paneeleihin.
Paras malli on suljettu kierto, jossa jätteen tuottaja (esim. tuulivoimayhtiö), jalostaja (kierrätysteknologiayritys) ja loppukäyttäjä (valmistava teollisuus) muodostavat kumppanuuden. Tällöin jäte muuttuu resurssiksi. Sen arvo voi nousta jopa neitseellisiä materiaaleja korkeammaksi.
Kultaa on kaikkialla
Piilevän arvon jalostaminen ei rajoitu dataan tai komposiitteihin. Katso ympärillesi:
Datakeskusten ja tehtaiden hukkalämpö on jätettä, kunnes se jalostetaan kaukolämmöksi.
Tekstiilijäte on ongelma, kunnes kemiallinen kierrätys muuttaa sen takaisin kuiduiksi.
Elintarviketeollisuuden sivuvirrat ovat biojätettä, kunnes bioteknologia jalostaa niistä arvokkaita proteiineja ja kemikaaleja.
Arvo ei ole enää siinä, mitä omistat, vaan siinä, mitä osaat jalostaa ja muuttaa liiketoiminnaksi.
Metallien 3D-tulostuksessa (additive manufacturing, AM) käytetään tyypillisesti korkealaatuisia neitseellisiä metallijauheita tai metallilankoja, joiden valmistus on energiaintensiivistä ja kallista. Teollisuudessa syntyy suuria määriä metallijätettä ja romua, jonka arvo laskee nopeasti. Tässä artikkelissa selvitetään miten kierrätysmetalleja hyödynnetään 3D-tulostuksessa.
Nykytilanne: menetelmät, materiaalit ja haasteet
Jauhepetimenetelmät (Powder Bed Fusion) sulattavat metallijauhekerroksen kerrallaan lasersäteen avulla. Sideainesuihkutus (Binder Jetting) sitoo metallijauhetta kerroksittain sideaineella. Lopullinen lujuus saavutetaan sintrauksella uunissa. Suorakerrostuksessa (Directed Energy Deposition) metallijauhetta tai -lankaa syötetään ja sulatetaan suoraan haluttuun kohtaan kerroksittain lämmönlähteen, kuten laserin, elektronisuihkun, plasman tai valokaaren avulla. Kerroslevytekniikassa (Sheet Lamination) ohuet metallilevyt liitetään yhteen esimerkiksi ultraäänihitsauksen avulla. Menetelmässä ei sulateta materiaalia, vaan liitos tapahtuu mekaanisesti tai lämpöenergialla
Yleisimpiä 3D-tulostuksessa käytettäviä metalleja ovat ruostumattomat teräkset, työkaluteräkset, titaaniseokset, alumiiniseokset, nikkelipohjaiset seokset, kobolttikromi, kupariseokset sekä jalometallit. Tulostusprosessi vaatii yleensä kapean partikkelikokojakauman jauhetta, joka on muodoltaan pallomaista juoksevuuden ja tiheän pakkautumisen varmistamiseksi. Kaupalliset tulostusjauheet valmistetaan yleensä kaasuatomisoinnilla sulasta metallista. Lankaprosesseissa (kuten WAAM) käytetään hitsauslankoja, jotka tuotetaan vetämällä sulatettua metallia langaksi.
Kierrätysmateriaalien hyödyntäminen
Valtaosa 3D-tulostuksen materiaaleista on peräisin neitseellisistä raaka-aineista tai perinteisistä metallurgisista prosesseista. Metallien kierrätys 3D-tulostuksessa on lisääntymässä. Yleisimmin kierrätysmateriaalia hyödynnetään prosessin sisäisessä kierrätyksessä. Esimerkiksi jauhepetitulostuksessa printtauksesta jäänyt sulattamaton jauhe seulotaan ja käytetään uudelleen. Tämä suljetun kierron käytäntö on vakiintunut, koska metallijauhe on kallista. Kierron rajoituksena on jauheen laadun heikentyminen (esim. partikkelien kokojakauman tai pinnan hapettumisen muutokset). Korkealaatuiset jauheet kestävät useita käyttökertoja, kunhan ne kuivataan ja puhdistetaan jokaisen tulostuksen jälkeen.
Romumetallien käyttäminen uuden tulostusjauheen tai -langan valmistukseen on kehittymässä oleva alue. Erityisesti alumiinia ja terästä kierrätetään paljon (esim. terästeollisuudessa sähkökaariuunit sulattavat romua), mutta 3D-tulostuksen vaatimiin materiaaleihin (kuten hienojakoiseen jauheeseen) romumetalleja hyödynnetään vielä vähän.
Käynnissä on hankkeita, jotka pyrkivät muuttamaan romua tulostuskelpoisiksi materiaaleiksi. Esimerkiksi plasma-atomisointiteknologioilla on onnistuttu tuottamaan laadukasta 100 % kierrätysterästä ja -titaania tulostusjauheeksi. Mekaaniset jauhatustekniikat (esim. kuulamyllytys) tekevät kierrätyslastuista jauhetta pienemmällä energiankulutuksella kuin kaasuatomisointi. Näin tuotettu jauhe on toistaiseksi epäsäännöllisen muotoista eikä sovellu kaikkiin tulostusmenetelmiin.
Teknologiset haasteet kierrätysmetallien käytössä
Laadun ja koostumuksen hallinta
Suurin haaste kierrätysmetallien hyödyntämisessä 3D-tulostuksessa on materiaalin laadunvarmistus. Tulostusprosessit ovat herkkiä materiaalin koostumukselle ja puhtaudelle. Pienetkin poikkeamat kemiallisessa koostumuksessa tai epäpuhtaudet (kuona-aineet, oksidit, orgaaniset jäämät) voivat heikentää tulostusjälkeä tai mekaanisia ominaisuuksia.
Romumetallin ominaisuudet tunnetaan huonommin tunnettua kuin neitseellisen materiaalin ominaisuudet. Romuerät voivat sisältää vaihtelevia seoksia ja epäpuhtauksia. Esimerkiksi teräsromussa seosaineiden (kuten Cr, Ni, Mo) pitoisuudet vaihtelevat. Titaaniseosten lastuissa saattaa olla pinnan hapettumista tai leikkausnesteitä.
Laadunhallintaa vaikeuttaa datan puute. Jotta kierrätetystä romusta valmistetun jauheen tai langan koostumus ja käyttäytyminen tunnettaisiin, tarvitaan aineistojen yhdistelmiä ja kokeita. Tekoälyn hyödyntäminen on lupaava keino hallita monimuuttujaista ongelmaa. Sekä Yhdysvaltain että Euroopan projekteissa kehitetään koneoppivia malleja ennustamaan, miten eri romuseosten yhdistelmät vaikuttavat lopputuotteen ominaisuuksiin.
Eurooppalainen IRIDISCENTE-projekti keskittyy kierrätysteräksen käyttöön 3D-tulostuksessa. Siinä kehitetään malleja, jotka suhteuttavat raaka-aineen koostumuksen, jauheen tuotantoparametrit, tulostusolosuhteet ja valmiin kappaleen mikrorakenteen toisiinsa, tavoitteena virheiden automaattinen tunnistus ja optimointi. WPI:n (Worcester Polytechnic Institute) Rubble to Rockets -hankkeessa AI analysoi romumetalleja ja ohjaa seosten sulatusta ja tulostusta, jotta vaihtelevasta lähtöaineesta saadaan luotettavia komponentteja.
Jauheen ominaisuudet ja prosessin yhteensopivuus
Jauhepetimenetelmissä jauhepartikkelien on oltava tietyn kokoisia (esim. 15–45 µm) ja muodoltaan pyöreitä. Romumetallista tällaista jauhetta saadaan vain sulattamalla ja atomisoimalla, mikä on vaativaa, jos romu sisältää epäpuhtauksia.
Kaasuatomisoinnissa epäpuhtaudet voivat johtaa huonoon jauhelaatuun tai suuttimien kulumiseen. Uusissa plasma-atomisoinnin ratkaisuissa romumetalli sulatetaan korkeassa lämpötilassa ja atomisoidaan. Esimerkiksi MolyWorks-yhtiön Greyhound -atomisaattori käyttää plasmalämpöä (~24 000 K) metallin sulattamiseen ja hienojakoiseen sumuttamiseen. Prosessissa ei käytetä perinteisiä keraamisia suuttimia. Näin vähennetään kontaminaatioriskiä ja voidaan käsitellä laajaa kirjoa metalleja, kuten titaaniseoksia. Tällaiset prosessit pyrkivät tekemään romusta suoraan tulostusjauhetta yhdessä vaiheessa, ohittaen monia välivaiheita.
Joissain tapauksissa kierrätysmateriaalia voidaan hyödyntää ilman atomisointia. Suorakerrostusmenetelmät sallivat syötteenä esimerkiksi metallisirut, pelletit tai tangot. NASA:n ja Aeroprobe-yhtiön kehittämä MELD-prosessi perustuu Additive Friction Stir Deposition (AFSD) -teknologiaan, jossa metallia kerrostetaan ilman sulatusta kitkahitsauksen periaatteella. MELD on kaupallinen toteutus tästä menetelmästä, ja yksi ensimmäisistä, joka mahdollistaa suurikokoisten titaani- ja alumiinilastujen hyödyntämisen korkean suorituskyvyn osiksi.
Lupaavia tuloksia on saatu myös kiinteän tilan prosesseilla. Yhdysvaltain PNNL-tutkimuslaboratorio raportoi, että alumiinilastuista voidaan tehdä korkealujuuksisia alumiiniseoksia sekoittamalla lastuihin sopivia seosaineita ja muokkaamalla ne Shear Assisted Processing and Extrusion -prosessilla tuotteiksi. Tämä kiinteävaiheinen seostus tuotti alumiinista, kuparista, sinkistä ja magnesiumista koostuvan kierrätysmateriaalin, jonka lujuus oli yhtä hyvä kuin primäärialumiinilla. Samalla prosessilla voidaan luoda mittatilaustyönä metallilankoja esimerkiksi WAAM-tulostukseen. Erikoiskoostumuksella olevia hitsauslankoja on vaikea saada kaupallisesti, mutta menetelmä antaa mahdollisuuden tuottaa räätälöityjä seoksia romusta.
Sertifiointi ja jäljitettävyys
Teollisuudessa metalliosien laadunvarmistus on kriittistä, erityisesti ilmailu-, energia- ja lääketeollisuudessa. Kierrätyspohjaisen tulostusmateriaalin käytössä on osoitettava, että sen suorituskyky vastaa neitseellistä raaka-ainetta.
Standardeja ja sertifiointikäytäntöjä kehitetään tukemaan kierrätysmateriaalien käyttöä. UL Environment validoi 2023 ensimmäistä kertaa 100 % kierrätetyn metallijauheen (IperionX-yhtiön kierrätystitaani). UL-testaus vahvisti jauheen olevan kokonaan romutitaanista valmistettu ja matalahiilinen. Samalla huomioitiin, että jauhetta voidaan kierrättää vain rajallinen määrä kertoja ennen kuin epäpuhtaudet ja morfologian muutokset heikentävät tulostuslaatua. Kierron sulkeminen, eli käytöstä poistuvan jauheen tai osien palauttaminen takaisin raaka-aineeksi vaatii teknologioita, jotka pystyvät poistamaan epäpuhtaudet ja palauttamaan materiaalin neitseelliseen tilaan.
Juuri tähän IperionX ja vastaavat toimijat pyrkivät. Yhtiö ilmoittaa prosessin pystyvän käyttämään 100 % romutitaania syötteenä tuottaen laadukasta jauhetta, jonka ympäristöjalanjälki on pienempi kuin perinteisen prosessin kautta valmistetulla titaanilla. Tämä tarkoittaa käytännössä, että kierrätetty jauhe täyttää esimerkiksi ilmailuteollisuuden vaatimukset (IperionX:n jauhe on AS9100-sertifioitua) ja sillä valmistetut osat voidaan hyväksyä kriittisiin kohteisiin.
Skaalautuvuus ja nykyinen käyttöaste
Metallien 3D-tulostuksen osuus on alle 1 % metalliteollisuuden kokonaisvolyymista. Kierrätysmateriaalien osuus tästä on vähäinen, mutta kasvussa. Erityisesti titaanijauhe on kallista ja sen valmistuksessa syntyy paljon hukkaa, joten kierrätysponnistelut ovat alkaneet titaanisovelluksista (mm. ilmailu ja puolustusteollisuus).
Titaaniosien koneistuksessa jopa 50–80 % materiaalista menee hukkaan lastuina. Lastut on yleensä käytetty alempiarvoisiin käyttökohteisiin, kuten seosaineeksi terästeollisuuden ferrotitaaniseoksiin, sen sijaan että materiaali hyödynnettäisiin uudelleen korkean lisäarvon tuotteissa. Virtaa pyritään ohjaamaan takaisin korkealuokkaiseksi jauheeksi. Useat toimijat ovat raportoineet tuottavansa mm. 316L- terästä, Inconel-seoksia ja Ti-6Al-4V-titaania 100% kierrätetystä materiaalista ilman, että tulostusominaisuudet kärsivät. Materiaalit on testattu toimiviksi yleisimmissä tulostuslaitteistoissa.
Kustannus- ja ympäristötekijät
Skaalautuvuuden kannalta avainajureita ovat kustannussäästöt ja kestävän kehityksen tavoitteet. Kierrätysmetallien hyödyntäminen lupaa alempia materiaalikustannuksia, koska romumetalli on halvempaa kuin neitseellinen metalli. Romun arvo voi olla alle 1 % uuden materiaalin hinnasta.
Kun esimerkiksi MolyWorks muuntaa auton osia tai teollisuuden ylijäämämetallia jauheeksi paikan päällä, säästyy logistisia kustannuksia ja välikäsien katteita. Lisäksi sulan metallin kaatamiseen ja langan valmistukseen liittyvät vaiheet jäävät pois, mikä pudottaa jauheen hintaa merkittävästi.
Kierrätysmateriaalien käyttö leikkaa valmistuksen hiilijalanjälkeä. Energiansäästö on merkittävä kun vältytään kaivostoiminnalta ja malmin sulatukselta primäärimetallin tuottamiseksi. IperionX:n elinkaarianalyysin mukaan kierrätetyllä prosessilla tuotetun titaanijauheen hiilidioksidipäästöt ovat yli 90 % pienempiä kuin perinteisellä atomisoinnilla tuotetun jauheen ja ~80 % pienempi kuin Kroll-prosessilla valmistetun titaaniharkon. Tämä lupaa suuria parannuksia energiaintensiivisten metallien (Ti, Ni, Al) kohdalla. Teräksen kierrättäminen kuluttaa murto-osan uuden teräksen tuotannon energiasta, joskin 3D-tulostusjauheiden valmistus tuo lisäkulua. Uudet prosessit, kuten kiinteävaiheinen seostus, voivat pudottaa energiankulutusta edelleen.
Kierrätysmetallien käyttö AM-prosesseissa tarvitsee skaalautuakseen: (1) demonstraatioita ja dataa metalliyhdistelmistä, (2) prosesseja ja reaktoreita suurempiin tuotantomääriin, sekä (3) loppukäyttäjien hyväksyntää, minkä edistämiseksi standardisointi ja sertifiointi on käynnissä. Merkkejä skaalautuvuuden kasvusta on näkyvissä. Japanilainen Epson Atmixin laitoksessa 3D-tulostusjauheita tuotetaan romumetalleista. Yhdysvalloissa Continuum keräsi 36 miljoonan dollarin rahoituksen kierrätysjauhetuotannon kasvattamiseen. Investoinnit viittaavat, että kierrätysmateriaalien käyttö 3D-tulostuksessa on siirtymässä kohti kaupallista soveltamista.
Esimerkkejä toteutetuista hankkeista ja tutkimusprojekteista
Seuraavassa on keskeisiä hankkeita, joissa on hyödynnetty kierrätysmetalleja 3D-tulostuksessa. Esimerkit valottavat käytännön ratkaisuja sekä tutkimuksen painopisteitä.
Rubble to Rockets – DARPA:n ja WPI:n romumetalliprojekti (USA)
Yhdysvaltain puolustusalan DARPA rahoittaa Worcester Polytechnic Instituten hanketta Rubble to Rockets (“romusta raketeiksi”). Projekti käynnistyi 2023 6,3 miljoonan dollarin rahoituksella. Tavoitteena on siirrettävä järjestelmä, joka kykenee muuntamaan romumetallin nopeasti uusiksi, luotettaviksi komponenteiksi paikan päällä vaikeissa olosuhteissa. Käyttökohteina nähdään esimerkiksi taistelukentät, syrjäiset operaatioalueet tai muut ympäristöt, joissa perinteisiä toimitusketjuja ei ole käytettävissä. Hanke yhdistää materiaalitieteitä, tekoälyä ja 3D-tulostusta.
Rubble to Rockets sisältää romumetallin karakterisoinnin ja sekoituksen, reaaliaikaisen sulatuksen sekä tulostuksen tehdasyksikössä. Projekti hyödyntää Citrine Informaticsin AI-teknologiaa ennustamaan erilaisten metalliseosten käyttäytymistä ja optimoimaan tulostusparametrit. Romun joukossa voi olla useita seoksia. Algoritmit oppivat, miten niitä pitää käsitellä ennen tulostusta, jotta lopputulos on luotettava. Tällä pyritään ylittämään perinteisen 3D-tulostuksen vaatimus kontrolloidusta jauheesta. Tutkimusjohtaja Danielle Cote on todennut, että heidän tavoitteenaan ei ole vain laite, vaan yleisempi viitekehys, joka ohjaa innovaatioita siinä, miten arvaamattomistakin lähteistä peräisin olevaa materiaalia voidaan hyödyntää.
Demonstraatioina WPI rakentaa pienoisraketin komponentteja romumetalleista ja testaa niiden suorituskykyä lennossa. Vaikutusalue on laaja: samankaltaisia järjestelmiä voitaisiin tulevaisuudessa sijoittaa esimerkiksi sukellusveneisiin, lentotukialuksiin, katastrofialueille tai syrjäisille alueilla, jotta ne voisivat tuottaa kierrätysmateriaaleista komponentteja paikallisesti. Projektissa on WPI:n lisäksi mukana mm. Siemens sekä Nightshade Corporation, joka keskittyy romun jalostamiseen jauheeksi.
IRIDISCENTE – KI-tekoäly ja kierrätysteräs (EU)
IRIDISCENTE on 10 miljoonan euron projekti, jota koordinoivat Espanjassa IMDEA Materials -instituutti ja teräsjätti ArcelorMittal. IRIDISCENTE keskittyy kestävän terästuotannon edistämiseen yhdistämällä tekoälyn, romumateriaalin kierrätyksen ja 3D-tulostuksen. Päätavoite on parantaa teräksen kierrätettävyyttä ja vähentää päästöjä maksimoimalla romun ja sivuvirtojen uudelleenkäyttö tulostusprosesseissa. Yhtenä konkreettisena tavoitteena on saavuttaa nettonollapäästöt teräsvalmistuksessa pitkällä aikavälillä. AM-teknologiaa tutkitaan keinona valmistaa korkean lisäarvon teräsosia kierrätysmateriaalista.
Työskentelyketju alkaa romuteräksen sulatuksella ja puhdistuksella, minkä jälkeen teräs atomisoidaan jauheeksi. Jauhetta hyödynnetään erityisesti jauhepetimenetelmillä (PBF) ja suoralla energian kerrostuksella (DED) tehtäviin teräsosiin. Projekti pyrkii ratkaisemaan kuinka varmistaa jauheen puhtaus ja koostumuksen tasaisuus romuraaka-aineesta, ja kuinka ehkäistä vaihteluiden vaikutukset tulostuslaatuun.
Konsortio on kehittänyt AI-malleja optimoimaan romumetallien sekoituksia. Tavoitteena on löytää yhdistelmät, jotka antavat tuotteille parhaan suorituskyvyn. Tekoälyä käytetään myös tulostettujen teräsosien mikrorakenteen virheiden tunnistamiseen kuvantamisdatan pohjalta. Automaatio nopeuttaa kehitystä, kun jokaisen yhdistelmän vaikutukset rakenteeseen voidaan analysoida nopeasti.
Kumppaneina ovat ArcelorMittalin ja IMDEA:n lisäksi mm. Universidad Carlos III de Madrid, Universidad de Burgos, AIMEN teknologiakeskus, Renishaw Ibérica, sekä yrityksiä ja tutkimuslaitoksia eri maista. Tulokset ovat lupaavia: tekoälymallit alkavat paikantaa optimialueita romuseosten käytölle ja tunnistamaan parametreja, joihin prosessinhallinnassa tulee keskittyä. Projektin onnistuminen tarkoittaa, että esimerkiksi terästehtaiden jauheentuotantolinjoilla pystytään valmistamaan huippulaatuista tulostusjauhetta kierrätysromusta, ja että jauheen käyttäytyminen tulostuksessa on ennakoitavissa ja luotettavaa.
Solid Phase Alloying – alumiiniromun nopea kierrätys (USA)
Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) julkaisi 2024 tutkimuksen, joka esittelee uuden lähestymistavan alumiiniromun hyödyntämiseen. Tutkimuksessa demonstroitiin, että teollisuuden alumiinisiruista voidaan tuottaa korkean suorituskyvyn metalliseos ilman tavanomaisia sulatus-valu -prosessia. Prosessi tapahtuu kiinteässä faasissa ja kestää vain muutamia minuutteja. Menetelmää kutsutaan solid phase alloying -prosessiksi, ja sen ytimessä on PNNL:n patentoima Shear Assisted Processing and Extrusion -teknologia.
Prosessissa alumiinilastujen sekaan lisätään metallielementtejä (esim. kuparia, sinkkiä, magnesiumia), minkä jälkeen seos käy läpi voimakkaasti muovaavan ekstruusioprosessin. Korkeanopeuksinen pyörivä työkalu generoi kitkalämpöä ja mekaanista leikkausta, joka hajauttaa ainesosat tasaisesti muodostaen yhtenäisen seoksen. Tuloksena saadaan lujitettua alumiinitankoa tai lankaa. Tällä tavoin tuotettu alumiini on ominaisuuksiltaan samalla tasolla tai parempaa kuin primäärialumiinista valmistettu, jopa 200 % vahvempaa kuin tavanomaisesti kierrätetty alumiini.
Solid phase alloying -menetelmällä voidaan valmistaa mittatilauksena metallilankoja. Esimerkiksi WAAM-prosessin hitsauslangan koostumus voidaan räätälöidä kierrätysalustalla ilman perinteistä metallurgiaa. Tämä on merkittävää, sillä monet erikoisalumiiniseokset eivät ole saatavilla tulostuslankana lainkaan tai ovat erittäin kalliita. Menetelmää voidaan periaatteessa soveltaa mihin tahansa metalliyhdistelmään. Koska prosessi toimii kiinteässä tilassa, se avaa oven seoksille, joita ei voida normaalisti valmistaa (esim. hyvin eriparisten metallien yhdistelmät).
PNNL:n työ on edustaa uudenlaista ajattelua kierrätysmetallien käytössä. Sen sijaan että romu sulatetaan takaisin lähtömetalliksi, se muutetaan suoraan korkeamman arvon materiaaliksi kontrolloidussa prosessissa. Energiankulutus on alhainen ja prosessi on nopea. Tutkimusta tukivat Yhdysvaltain energiaviraston kehitysrahastot, ja tulokset julkaistiin Nature Communications -lehdessä. Tällaiset innovaatiot voivat integroitua osaksi 3D-tulostusmateriaalien tuotantoa, erityisesti jos halutaan hyödyntää sekalaisia kevytmetallijätevirtoja.
Muita esimerkkejä
MELD Manufacturing & U.S. Army (USA): Kitkapohjainen tulostustekniikka MELD on jo siirtynyt käytäntöön. MELD Manufacturing Corp. on toimittanut laitteistoja ilmailu- ja puolustusteollisuuden toimijoille, ja Yhdysvaltain armeija on investoinut maailman suurimpaan MELD-tulostimeen valmistamaan tulevaisuudessa jopa panssarivaunujen runkoja. MELDin kyky toimia ilman suojakaasua ja laaja materiaalivalikoima on herättänyt laajaa kiinnostusta. Relevanttia kierrätyksen kannalta on titaanilastujen uudelleenkäyttö. NASA-yhteistyössä pystyttiin valmistamaan laadukkaita osia titaaniromusta. Tämä antaa viitteitä siitä, että puolustusvoimat voisivat tulevaisuudessa hyödyntää kentällä syntyvää metallijätettä painamalla ne tankotangoksi ja tulostamalla niistä korvaavia osia.
MolyWorks “Mobile Foundry” (USA/Singapore) on kehittänyt konttiin rakennetun Greyhound mini-sulaton ja atomisointilaitteen. Se muuntaa metallijätettä tulostusjauheeksi paikan päällä. Konseptia on demonstroitu mm. auto- ja meriteollisuudessa. Visiossa romuttamot varustetaan mobiileilla mikrotehtailla, jotka tuottavat AM-jauheita jakelukeskusten sijaan. Yritys on myös tehnyt yhteistyötä USA:n armeijan kanssa. Ajatus siitä, että etulinjassa romun voisi muuttaa suoraan varaosiksi, on houkutteleva logistiikan ja huoltovarmuuden kannalta. Pilottilaitteita on asennettu eri puolille maailmaa. Tytäryhtiö Continuum sai rahoituksen laajentaakseen kierrätysjauheiden tuotantoa teollisessa mittakaavassa. MolyWorksin prosessilla valmistettua jauhetta on käytetty mm. ilmailukomponenttien tulostamiseen EOS M290 -laitteella. Heidän jauheensa, esimerkiksi 316L, Inconel 718 ja titaani-6Al-4V, ovat saavuttaneet standardien mukaiset laadut ja niille on myönnetty ISO 9001 sekä AS 9100 -laatusertifikaatit.
Hydrauliikkakomponentteja valmistava Aidro/ATILIUS (Italia/EU) (osa Desktop Metal -konsernia) on perinteisen valmistuksen lisäksi erikoistunut metallien 3D-tulostukseen. Aidro vetää EU-rahoitteista ATILIUS-projektia, jossa keskitytään kestävyyden parantamiseen, mm. tehokkaammilla suunnitteluratkaisuilla ja materiaalihukkaa vähentämällä. Aiheena on myös metallijauheen uudelleenkäyttö ja kierrätys. Projekti edustaa valmistavan teollisuuden halua integroida 3D-tulostus osaksi kiertotaloutta käytännön tasolla.
NASA Refabricator (USA, ISS): NASA on kokeillut kiertotalouskonsepteja avaruudessa. Refabricator-laitteella on Kansainvälisellä avaruusasemalla testattu muovijätteen kierrätystä tulostusfilamentiksi. Vastaavaa konseptia suunnitellaan metalleille, esimerkiksi avaruusromun tai käytöstä poistettujen satelliittien osien hyödyntämiseksi 3D-tulostuksessa. Airbus on kehittänyt metallinkierrätykseen kykenevää tulostinta, joka voisi sulattaa ja 3D-tulostaa romumetallia kiertoradalla. Nämä konseptit osoittavat kierrätysmetallien 3D-tulostuksen potentiaalin myös avaruustoiminnassa, missä materiaalien uudelleenkäyttö on kriittistä.
Hankkeet ympäri maailman osoittavat trendin: kierrätysmetalleista pyritään tekemään täysiarvoista tulostusmateriaalia. Olipa lähestymistapa AI:n hyödyntäminen seosoptimointiin (WPI, IRIDISCENTE), uuden prosessin kehittäminen (PNNL, MELD) tai toimitusketjukonseptin mullistaminen (MolyWorks), kaikissa on sama päämäärä: vähentää riippuvuutta neitseellisestä metallista ja tuoda kestävämpi, edullisempi raaka-aine 3D-tulostuksen käyttöön.
Merkittävät toimijat alalla
Kierrätysmetallien hyödyntäminen 3D-tulostuksessa on monialainen haaste, joten toimijoita on useissa kategorioissa: metallinkierrättäjät ja jauheentuottajat, tulostusmateriaalien valmistajat, laitevalmistajat, sekä tutkimuslaitokset ja konsortiot.
Kierrätysmetallien jauhevalmistajat ja materiaalikehittäjät
MolyWorks Materials Corp. & Continuum (USA) on kehittänyt konttikokoisen Greyhound-atomisaattorin. MolyWorks muuntaa romumetallin AM-jauheeksi plasmapohjaisella menetelmällä yhdessä vaiheessa. Yhtiö on toteuttanut konseptin “scrap in, powder out” mm. tuottamalla titaani-, teräs- ja nikkelijauheita 100 % kierrätetystä lähteestä. Tytäryhtiö Continuum keskittyy kaupallistamaan ja skaalaamaan jauhetuotantoa. Sen Optipowder-tuotteet ovat sataprosenttisesti kierrätysmateriaalia ja sertifioituja vaativiin sovelluksiin.
6K Additive (USA) on materiaaliyritys, jonka UniMelt®-mikroaaltoplasmareaktori edustaa uutta lähestymistapaa metallijauheen tuotantoon. Prosessi pystyy hyödyntämään jopa 100 % konepajojen jätteistä, muuntaen ne korkealaatuiseksi jauheeksi. UniMelt tuottaa kontrolloidun lämpötilaolosuhteen (6000 K, josta nimi “6K”), jossa esimerkiksi titaanilastu höyrystyy ja tiivistyy palloiksi. Yhtiö on tuonut markkinoille kierrätyspohjaisia jauheita mm. titaanille, nikkeliseoksille ja teräksille, ja tehnyt yhteistyötä ilmailu- ja puolustusasiakkaiden kanssa. Heidän titaanijauheensa väitetään säästävän 74 % energiaa ja 78 % CO₂-päästöjä verrattuna perinteiseen tuotantoon.
IperionX (USA) on erikoistunut titaanin kierrätykseen. Yhtiön menetelmällä 100 % romutitaanista pystytään valmistamaan uutta pienen hiilijalanjäljen titaanijauhetta. Yhtiö on saanut UL Environmental -validoinnin, mikä vahvistaa jauheen olevan täysin kierrätettyä. IperionX:n prosessi ei perustu plasma-atomisointiin, vaan se hyödyntää todennäköisesti kemiallis-metallurgista reittiä (yhtiö puhuu “alhaisen kustannuksen titaaniprosessista” ja suljetun kierron arvoketjusta ilman kaivannaisia). Yhtiö on tehnyt yhteistyötä mm. GKN Aerospace kanssa. IperionX raportoi tuottaneensa 100 % kierrätettyä titaanijauhetta GKN:ltä saaduista romueristä. IperionX voitti Yhdysvaltain ilmavoimien tutkimuslaboratorion (AFRL) kilpailun titaanin kierrätyksestä, jossa demonstroitiin laadukkaan jauheen tuotantoa romusta. IperionX rakentaa kaupallista laitosta Virginiaan, tavoitteenaan maailman suurin kierrätystitaanijauheen kapasiteetti.
Elektroniikkayhtiö Epsonin metallijauheisiin erikoistunut tytäryritys Atmix (Japani) investoi 3D-tulostusjauheiden kierrätyslaitokseen, joka muuntaa romumetallit jauheeksi. Laitoa aloittaa tuotannon 2025, osana Epsonin strategiaa tulla mukaan 3D-tulostusalaan. Vaikka tarkkoja teknisiä tietoja ei ole julkisuudessa, on merkittävää, että suuri teollisuustoimija näkee mahdollisuuden liiketoiminnalle romun jalostuksessa tulostusmateriaaleiksi. Epson Atmix on aiemmin tunnettu vaativien metallijauheiden valmistuksesta, joten on mahdollista, että he hyödyntävät vastaavaa teknologiaa kierrätysraaka-aineelle.
Monet perinteiset jauhevalmistajat (Carpenter, Höganäs, Sandvik, GKN). ovat mukana 3D-tulostuksessa. Esimerkiksi Carpenter perusti Carpenter Additive -yksikön ostamalla LPW Technologies -jauhetoimittajan. Carpenter (nyt Advanced Powder Group) on tuottanut mm. MIM- ja AM-jauheita, ja heillä on mahdollisuudet hyödyntää omaa metallurgista osaamistaan romun sulatuksessa. Ruotsalaiset Höganäs ja Sandvik tarjoavat AM-jauheita. Höganäs valmistaa vesi-atomisoitua teräsjauhetta, missä raaka-aineena voi olla huomattavakin osuus kierrätysterästä. Sandvik on tuonut esiin jauheen uudelleenkäyttöstrategioita ja ylijäämämetallien kierrätystä mm. titaanissa. Sandvik on yksi suurimmista titaanin jauhevalmistajista ja perinteisesti he kierrättävät tuotannossaan romuvirtoja. Nämä toimijat eivät mainosta “100% kierrätettyä”, mutta kestävän kehityksen vaatimusten kiristyessä on todennäköistä, että he kasvattavat kierrätysraaka-aineen osuutta jauhetarjonnassaan.
Additive Manufacturing Green Trade Association (AMGTA) raportoi 2024, että heliumatomisointi voi vähentää energiankulutusta jauheen tuotannossa selvästi ja että mekaaninen käsittely (kuten kuulamyllytys) voi olla jopa kertaluokkaa energiatehokkaampi menetelmä kuin kaasuatomisointi.
3D-tulostuslaitteiden ja -palveluiden toimijat
Tulostinvalmistajat (EOS, GE Additive, 3D Systems, Nikon SLM, Renishaw, Desktop Metal) keskittyvät tulostusprosessien kehittämiseen, mutta ne seuraavat materiaali-innovaatioita. EOS on yhteistyössä 6K:n ja muiden kanssa testannut kierrätettyjä jauheita koneissaan. Nikon SLM toteuttaa avointen parametrien käytäntöä, jossa käyttäjät voivat käyttää eri valmistajien jauheita järjestelmissään. Renishaw osallistuu tutkimusprojekteihin, kuten IRIDISCENTE, toimittaen laitteita ja asiantuntemusta. Stratasysin Desktop Metal on binder jet -teknologian myötä puhunut paljon kustannusedusta. DM:n järjestelmät voivat käyttää suhteellisen edullista metallijauhetta, joka on samankaltaista kuin metalliruiskuvalussa käytetty. Jauhe on valmistettu usein vesi-atomisoinnilla romumetallista. Binder jet -tekniikka voisi potentiaalisesti käyttää kierrätysmateriaaleja, vaikka tästä ei ole julkistettu case-esimerkkejä. Tulostinvalmistajat myös kehittävät prosessien ohjausta: tulevaisuudessa koneisiin integroidut sensorit ja suljetun ketjun ohjaus voivat säätää parametreja materiaalin mukaan. Laitevalmistajat ovat mahdollistajia: heidän sertifiointinsa ja tukensa on tärkeää, jotta kierrätysjauheet saadaan laajempaan käyttöön.
Teolliset 3D-tulostuspalvelut ja lopputuotevalmistajat: Yritykset, jotka käyttävät 3D-tulostusta tuotteidensa valmistuksessa, ovat kiinnostuneita kierrätysmateriaaleista kustannus- ja vastuullisuussyistä. Esimerkiksi Boeing ja Airbus ovat asettaneet tavoitteita kierrätysmateriaalien käytölle. Boeing on tutkinut mm. hiilikuitukomposiittien ja titaanijauheiden uudelleenkäyttöä. GE Aviation hyödyntää 3D-tulostettuja metalliosia (kuten suihkuturbiinin suuttimet). GE:llä on omaa jauhetuotantoa GE Additive -yksikössä. Yhtiö on todennut, että. jauheen uudelleenkierrätys on olennainen osa heidän asiakkaidensa toimintaa. GE myy laitteita jauheen käsittelyyn ja laadunvalvontaan. Autoteollisuudessa yritykset kuten BMW ja Volkswagen hyödyntävät 3D-tulostusta sarjatuotannossa. Nekin tutkivat, miten tulostusprosessin hukkajauhe voitaisiin kierrättää ja voisiko autotehtaiden omia metallijakeita käyttää tulostusmateriaalina. Meriteollisuudessa ja öljy- ja kaasualalla on kiinnostusta. Esimerkiksi Singapore Polytechnic kehittää MolyWorksin kanssa ratkaisua, jossa satamissa kerättävä romu muutetaan paikan päällä meriteollisuuden varaosiksi.
Tutkimusorganisaatiot ja konsortiot
Yliopistot ja tutkimuslaitokset: Useat korkeakoulut tutkivat AM-materiaalien kierrätettävyyttä, kuten Worcester Polytechnic Institute,Cranfield University (UK), Tampereen yliopisto, sekä Missouri S&T (USA).
AMGTA (Additive Manufacturer Green Trade Association) on kansainvälinen järjestö, jonka tavoitteena on edistää 3D-tulostuksen ympäristöystävällisyyttä. AMGTA teettää tutkimuksia mm. materiaalien kiertotaloudesta. Vuonna 2024 se julkaisi tutkimuksen, jossa vertailtiin metallijauheiden tuotantomenetelmiä energiankulutuksen kannalta. AMGTA toimii parhaiden käytäntöjen edistäjänä. Sen kautta esimerkiksi tieto 6K:n tai MolyWorksin saavutuksista leviää ja alan toimijat voivat oppia toisiltaan. Järjestö myös kannustaa elinkaarimallinnuksiin ja standardien kehitykseen, jotta saavutettuja parannuksia (esim. hiilipäästövähennykset kierrätysjauheen avulla) voidaan luotettavasti mitata ja todentaa.
Tulevaisuuden mahdollisuudet
Materiaalien ja prosessien kehityssuunnat
Kierrätettäväksi optimoitujen seosten ja materiaalien kehittäminen on 3D-tulostuksen selkeä suunta. Perinteiset metalliseokset on suunniteltu valua tai takomista varten ja niiden kierrätys useita kertoja voi johtaa epäpuhtauksien kertymiseen. Entä jos metalliseokset suunniteltaisiin alusta alkaen kierrätettäviksi, ja joissa on joustovaraa koostumuksen suhteen tai jotka sietävät paremmin kierrätyksen tuomia jäämiä? Myös kokonaan uudet yhdistelmät mahdollistuvat. PNNL:n tutkimus vihjaa jotain kiehtovaa. Uusilla prosesseilla voidaan luoda yhdisteitä, joita aiemmin ei voitu valmistaa. Esimerkiksi alumiinin ja teräksen suora yhdistäminen komposiittiseokseksi voisi olla mahdollista kierrätyslähtöisesti, avaten tietä uudenlaisille lujille materiaaleille.
Avainasemassa ovatautonomiset ja adaptiiviset järjestelmät. IRIDISCENTEn kaltaiset projektit osoittavat, että tekoälyä hyödynnetään yhä enemmän prosessinohjauksessa. Tulevaisuuden 3D-tulostuslaitteisto voisi esimerkiksi sisältää sisäänrakennetun analysaattorin: laite tunnistaa syöttömateriaalin koostumuksen (esim. optisella emissiolla tai röntgenfluoresenssilla) ja säätää tulostusparametrit sekä tarvittavat seosaineiden lisäykset haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Materiaalin digitaalinen kaksonen -ajattelu voi kehittyä: jokaisesta romuerästä voidaan generoida malli, joka ennustaa sen käyttäytymisen tulostuksessa. Tekoäly tarvitsee dataa oppiakseen, joten alan yhteisöt voivat perustaa tietopankkeja romumetalliseoksista ja niiden tulostettavuudesta. Eri toimijat voisivat jakaa anonymisoitua dataa (esim. MolyWorksin pilottiprojektien tulokset erilaisista romuseoksista) yhteiseksi hyödyksi.
Tulostuslaitteet kehittyvät. Tällä hetkellä on erikseen laitteet materiaalin jalostukseen ja osien tulostamiseen. Nämä voivat yhdistyä. Voidaan kuvitella monitoimikone, joka ottaa sisään romumetallipaloja, sulattaa ja atomisoi ne prosessin ensimmäisessä moduulissa jauheeksi, ja toinen moduuli tulostaa jauheesta osat. Ensiaskeleet tähän suuntaan on jo nähty MolyWorksin mobiilitehtaassa (kontissa on sekä uuni että 3D-tulostin), mutta integraatio voi mennä pidemmälle. Lankaperusteisessa valmistuksessa, kuten WAAM, olisi luontevaa syöttää rullalle vedettyä kierrätyslankaa esimerkiksi laivan kannella sijaitsevaan robotisoituun tulostusjärjestelmään.
Energiatehokkuus on keskeinen kehityskohde. Vaikka 3D-tulostus itsessään tuottaa vähemmän materiaalihukkaa kuin koneistus, metallijauheiden valmistus kuluttaa energiaa. Tulevaisuudessa odotetaan energiatehokkaampia jauhetuotantomenetelmiä, kuten helium-atomisointi (korvaa argonin) tai mekaanisia prosesseja silloin kun partikkelin muoto sallii. Ehkä tulevaisuudessa nähdään kuulamyllylinjoja, jotka jauhavat romumetallia jauheeksi sideainesuihkutusprosesseja varten. Mekaanisesti tuotettu jauhe voi olla 10x energiatehokkaampaa valmistaa kuin sulatuspohjainen. Energianlähteet itsessään vihertyvät: kierrätysmateriaaleja tuottavat plasmalaitteet ja tulostimet voidaan syöttää uusiutuvalla energialla, jolloin Scope 1 ja 2 -päästöt saadaan nollaan, kuten IperionX tavoitteli titaanin tuotannossa.
Kestävä tuotanto ja kiertotalousnäkökulma
Kierrätysmetallien tuominen 3D-tulostukseen tukee teollisuuden kestävän kehityksen tavoitteita. Ensinnäkin kyse on materiaalitehokkuudesta ja jätevirtojen hyödyntämisestä. Perinteisessä valmistuksessa suuri osa metallista päätyy hukkaan. Sorvaus ja jyrsintä muuttavat 30–80 % kappaleesta lastuiksi. 3D-tulostus vähentää tätä hukkaa jo itsessään, ja jäljelle jäävä hukka voidaan kierrättää paremmin paikan päällä. MolyWorksin visioimassa mallissa tulostuksessa syntyvät tukirakenteet, purseet ja epäonnistuneet työt voidaan syöttää takaisin atomisoitavaksi.
Suljettu elinkaari lyhentää logistista ketjua: ei tarvitse lähettää jätettä kaukaiseen sulattoon, vaan se uusiokäytetään saman tien. Tämä vähentää myös tarvetta varastoida varaosia. Digitaaliset varaosavarastot yhdistettynä paikalliseen kierrätystehtaaseen tarkoittavat, että vanha osa voidaan kierrättää ja tulostaa uusina tuotteina. Tämä lisää huoltovarmuutta: ollaan vähemmän riippuvaisia raaka-ainetoimituksista kriisitilanteissa, kun romusta saadaan paikallinen resurssi.
Vaikutukset ovat potentiaalisesti merkittävät hiilijalanjälkeen, titaanin tapauksessa yli 90 % pienennys hiilipäästöissä. Teräksellä ja alumiinilla absoluuttiset säästöt voivat olla suurempia, koska näitä käytetään valtavia määriä. Kierrätysalumiinin sulatus vie energiaa ~5 % primäärialumiiniin verrattuna. PNNL:n solid-state prosessi leikkaa sulatusvaiheen kokonaan pois. Ympäristöhyötyjen realisoimiseksi on myös tärkeää, että kierrätysmateriaaleista tehdyt AM-osat ovat pitkäikäisiä ja laadukkaita. Tutkimukset osoittavat, että oikein prosessoituna ne voivat olla jopa kestävämpiä. Pidempi kestoikä tarkoittaa harvempia vaihtoja ja vähemmän kulutusta.
Standardisointi ja lainsäädäntö ovat tärkeitä tekijöitä tulevaisuudessa. On odotettavissa, että teollisuus saa ohjeistuksia ja standardeja kierrätettyjen tulostusmateriaalien käyttöön. Esimerkiksi ilmailussa sertifiointiviranomaiset (FAA, EASA) todennäköisesti laativat kriteerejä, joilla todetaan kierrätysjauheesta tulostetun osan olevan yhtä luotettava kuin neitseellisestä valmistettu. Tämä voisi tarkoittaa vaatimuksia seurantajärjestelmille, tulostusprosessin monitorointiin ja jäljitettävyydelle. Digitaaliset tunnisteet, kuten osan materiaalipassi blockchain-tekniikalla, saattavat yleistyä, jolloin esimerkiksi moottorin komponenteissa näkyy tieto: “valmistettu 60 % kierrätysteräksestä, erä X, alkuperä: autojen moottorilohkojen romu, prosessi: atomisointi + LPBF”.
Sovelluskohteita ja vaikutuksia
Tulevaisuudessa kierrätysmetalleja hyödyntävä 3D-tulostus voi vaikuttaa lähes kaikkiin toimialoihin, mutta vaikutuksen suuruus ja luonne vaihtelee.
Ilmailu- ja avaruusteollisuus on jo edelläkävijä metallien 3D-tulostuksessa. Korkean arvon materiaalien (titaani, Inconel) kierrätys on taloudellisesti erittäin houkuttelevaa. Esimerkiksi F-35-hävittäjän titaaniosissa syntyvä koneistusromu on miljoonien arvoista. Jos siitä voi 3D-tulostaa uusia osia, säästöt ovat huomattavat. Samoin avaruudessa: tulevat pitkän keston missiot (Mars, Kuu-tukikohdat) voivat hyötyä kyvystä uudelleenkäyttää materiaaleja paikan päällä. Raketin jalkojen metallin voisi sulattaa ja tulostaa työkaluksi tai varaosaksi. Ilmailussa on myös mainittava ympäristöpaine. Lentokonevalmistajat haluavat pienentää hiilijalanjälkeä toimitusketjuissaan, joten kierrätysmateriaalin käyttö koneissa voi yleistyä, kunhan sertifiointi on kunnossa.
Puolustus ja sotilasteknologia: Kuten Rubble to Rockets ja muut esimerkit näyttävät, armeijat ovat kiinnostuneita kenttäkelpoisista valmistusteknologioista. Tulevaisuuden taistelukentällä voi olla kontti, joka syö romua ja tulostaa lennossa korvaavia osia aseisiin, ajoneuvoihin tai infrastruktuuriin. Tämä vähentää tarvetta kuljettaa suurta varaosavarastoa mukana ja tekee joukkojen huollosta ketterämpää. Tällaisiin sovelluksiin liittyy haasteita (laitteiston kestävyys kenttäolosuhteissa, käyttäjien koulutus, energiantarve), mutta kehitys on jo käynnissä. Myös merivoimat tutkivat esimerkiksi laivoille asennettavia tulostimia. Yhdysvaltain laivasto on maininnut tavoitteen, että laiva voisi hyödyntää kannella olevaa metallijätettä (kuten käytettyjä ammusten hylsyjä tai rikkoutuneita osia) tulostaakseen pieniä varaosia 3D-tulostimella aluksen korjauspajoissa.
Öljy-, kaasu- ja energia-aloilla laitteet sijaitsevat usein kaukana (öljynporauslautat, tuulivoimalat merellä, sähköverkko). 3D-tulostus lupaa kyvyn valmistaa varaosia paikan päällä tai ainakin lähellä paikallisesta romumetallista. Tämä täydentää materiaalikierron myös turvallisuusmielessä: esimerkiksi ydinvoimaloissa saatetaan haluta käsitellä kaikki materiaali paikan päällä. Tuulivoimaloiden roottorien vaihdossa tulee isoja teräsosia romuksi. Ne voisi sulattaa ja tulostaa generaattorin koteloina tai korjausosina. Energiasektorilla laitteiden käyttöiän pidentäminen on myös tärkeää: 3D-tulostuksella voidaan korvata vanhentuneita osia, joita ei enää saa (saattaa syntyä kierrätysmetallien markkina nimenomaan varaosienvalmistuksessa).
Autoteollisuus: Autojen valmistuksessa syntyy valtavasti metallijätettä. Tämä menee suurelta osin takaisin terästehtaille, mikä on tehokasta. Tulevaisuudessa autonvalmistajat voivat hyödyntää osan siitä 3D-tulostamalla. Komponenttien valmistus kierrätetyistä materiaaleista parantaa valmistajan ympäristöprofiilia. Autoteollisuudessa on jälkituotanto-ongelma: tiettyjen varaosien saatavuus vanhoihin malleihin on heikkoa. 3D-tulostus on ratkaisuna digitaalisten varaosien konseptissa. Kierrätysteräksen tai -alumiinin käyttö voisi tuoda lisäbonuksen: vanhat autonromut muuttuvat uusien varaosien raaka-aineeksi. Autovalmistajat kuten BMW ovat investoineet 3D-tulostuskeskuksiin, joten ehkä pian he ottavat myös kiertotalouden toimijat partnereiksi.
Lääketieteessä metallien 3D-tulostus on jo arkipäivää hammaskruunujen (kobolttikromi) ja ortopedisten implanttien (titaani) valmistuksessa. Kierrätysmateriaalit tulevat kuvaan varovasti, koska potilaskäyttöön menevissä implanteissa materiaalin puhtaus on kriittistä. Hammaskruunuissa käytettävä CoCr-seos on vakiintunut, ja prosessissa syntyy paljon ylijäämäjauhetta ja tukirakenteita. Nämä voitaisiin kerätä ja lähettää toimijoille, jotka palauttavat materiaalin käyttökelpoiseen muotoon. Kiinnostava ajatus on kierrätysjalometallit. Esimerkiksi kullan 3D-tulostus on mahdollista jauhepetimenetelmällä.
Koneenrakennus ja valmistava teollisuus voi saada suuria hyötyjä 3D-tulostuksesta ja metallien kierrätyksestä. Esimerkiksi työkaluvalmistajat voisivat kierrättää kuluneet työkaluteräkset jauheeksi ja tehdä niistä uusia työkaluja tulostamalla. Paikallinen tuotanto on kasvava trendi. Raaka-aine löytyy läheltä ja riippuvuus globaaleista metallimarkkinoista pienenee. Tämä tuo varmuutta toimitusketjuihin.
Tulevaisuuden visio voisi olla materiaali- ja tuotantokeskus, joka käsittelee metallijätteet jauheeksi ja 3D-tulostaa tuotteita asiakkaille. Bitit liikkuvat kaikkialla, mutta atomit kiertävät paikallisesti. Materiaalien kuljetus minimoituu, varastotarve vähenee ja valmistus on sekä ekologista että joustavaa. Hajautettu digitaalinen kiertotalous on kunnianhimoinen päämäärä, mutta saavutettavissa, kuten edistysaskeleet osoittavat. Kierrätysmetallien 3D-tulostus on lupaava keino vähentää teollisuuden ympäristökuormitusta laadusta tinkimättä.
Kierrätysmetallien hyödyntäminen 3D-tulostuksessa yhdistää huipputeknologian, vastuullisuuden ja kustannustehokkuuden. Alan edelläkävijät osoittavat, että “scrap in – product out” on jo mahdollista. Seuraavat vuodet näyttävät, kuinka laajalle tämä teknologia yltää ja milloin romusta tulee uutta pääomaa.
Tuulivoimaa rakennetaan Suomessa ennätysvauhtia. Mitä tapahtuu, kun ensimmäiset sukupolvet näistä jättimäisistä rakenteista tulevat käyttöikänsä päähän? Miten käsitellään valtavat tuuliturbiinien lavat, tornit ja perustukset – resurssina, ei jätteenä? Mitä näistä voidaan oppia muille toimialoille?
Kiertotalous yhdistettynä 3D-tulostukseen on yhä useammin liiketoimintainnovaatioiden mahdollistaja. Erityisen kiinnostavaksi aiheen tekee teknologian kehitys: 3D-tulostus tarjoaa uusia tapoja hyödyntää olemassa olevia rakenteita ja materiaaleja uudelleen älykkäästi, tehokkaasti ja paikallisesti.
Seuraavassa on muutamia esimerkkejä, jotka osoittavat, miten aiemmin valmistettuja tuotteita on otettu uuteen käyttöön 3D-tulostuksen avulla, luoden samalla materiaalien uutta arvoa ja pidempää elinkaarta. Esimerkeissä ei kuvata pelkästään kierrätysmuovin käsittelyä, vaan isompia, monimuotoisista ja teknisesti vaativia ratkaisuja.
Rotterdamissa valmistettiin 3D-tulostettu komposiittisilta, jonka rakenne perustuu kierrätysmuovien ominaisuuksiin. Silta korvasi vanhan puurakenteisen sillan. Sen osat voidaan elinkaaren lopuksi kierrättää uudelleen.
Hollannissa yhdistettiin käytöstä poistettu tuuliturbiinin lapa ja 3D-tulostettu siltarunko, jolloin syntyi modulaarinen kevyenliikenteen silta. Projekti avaa ovia hybridisuunnitteluun, jossa hyödynnetään sekä kierrätyskomponenttejamateriaalia että 3D-tulostuksen mahdollisuuksia.
Energia: turbiiniosa ei mene romuksi, vaan uusiokäyttöön
Siemens käyttää metallien 3D-tulostusta kaasuturbiinien uudelleenvalmistukseen, pidentäen kriittisten laitteiden käyttöikää ilman, että tarvitsee valmistaa kokonaan uusia turbiineha.
Rakentaminen: taloja purkujätteestä ja kierrätysmuovista
Taide ja arkkitehtuuri: jäte materiaalina, estetiikka muodossa
The New Raw (Alankomaat) tulostaa merten muovijätteestä taideteoksia. Tämänkaltaiset projektit ovat erinomaisia kierrätysideoiden kehitykseen ja mahdollisuuksien esilletuomiseen.
Dubaissa rakennettiin paviljonki, jonka “oksat” tulostettiin 30 000 kierrätetystä vesipullosta. Estetiikka ja ekologisuus yhdistyivät kauniisti. Paviljongissa sovellettiin 3D-tulostusta usealla eri tavalla.
Miksi tämä on kiinnostavaa suomalaisille yrityksille?
Suomessa on valtava mahdollisuus kehittää kiertotalouden ratkaisuja vientiteollisuudeksi tuulivoiman, rakentamisen ja logistiikan murroksessa. 3D-tulostus voi olla ratkaiseva työkalu siinä, miten materiaalivirrat muuttuvat liiketoiminnaksi, oli kyse sitten käytöstä poistuvien turbiinien uusiokäytöstä, purkurakenteiden hyödyntämisestä tai räätälöidystä kunnossapidosta.
Kuka kehittää seuraavan kotimaisen hybridisillan?Entä kuka hyödyntää ensimmäisenä suomalaisia turbiinilapoja raaka-aineena uusille rakenteille?
Nyt on oikea hetki ottaa askel kohti uudelleenkäytön seuraavaa tasoa – ja miettiä, mitä kaikkea voisimme vielä tehdä materiaalilla, joka on jo olemassa.
Jos aihe kiinnostaa tai sinulla on omia kokemuksia tai ideoita uusiokäytön ja 3D-tulostuksen yhdistämisestä, jatketaan keskustelua!
Digitalisaatio, AI ja 3D-tulostus muuttavat tapaamme valmistaa ja kuluttaa tuotteita. Yrityksille tämä tarkoittaa uutta mahdollisuutta: valmistaa yksilöllisiä tuotteita tehokkaasti. Kuinka pitkälle kustomointia voidaan viedä?
Kustomoinnin tasoja on useita, ja yritykset voivat valita niistä liiketoimintaansa parhaiten sopivan tai yhdistellä erilaisia kustomointimalleja tarjontaansa. Seuraavassa on kustomoinnin viisi päätasoa 3D-tulostuksen näkökulmasta:
Standardoitu massatuotanto on perinteinen tuotantomalli, jossa kaikki tuotteet ovat identtisiä.
Kustannustehokas ja skaalautuva, mutta joustamaton asiakastarpeiden suhteen. Massatuotanto ei yleensä sisällä kustomointia. Sen sijaan 3D-tulostus voi mahdollistaa nopeammat prototyypit ja tehokkaamman tuotannon.
Modulaarinen räätälöinti. Modulaarisessa räätälöinnissä asiakas voi valita tuotteen eri osia, mutta itse tuotteen muoto ja perusrakenne ovat ennaltamääritettyjä.
3D-tulostus mahdollistaa joustavien, helposti vaihdettavien moduulien valmistuksen – esimerkiksi erilaisten pidikkeiden, lisäosien tai vaihtokomponenttien valmistamisen nopeasti ja kustannustehokkaasti.
Massaräätälöinti: Tässä mallissa asiakas voi valita tiettyjä ominaisuuksia ennalta määritetyistä vaihtoehdoista.
Mahdollistaa suuren volyymin tuotannon, mutta tuo mukaan yksilöllisyyttä. 3D-tulostus tekee massaräätälöinnistä tehokkaampaa, sillä se ei vaadi erillisiä tuotantolinjoja jokaiselle variaatiolle.
Massakustomoinnissa asiakas saa tuotteen, joka on räätälöity hänen tarpeidensa mukaisesti.
Tämä voi tarkoittaa esimerkiksi mukautettuja mittoja, ergonomisia muotoja tai yksilöllistä suorituskykyä. Tämä on yksi 3D-tulostuksen suurimmista vahvuuksista, sillä se mahdollistaa täysin yksilöllisten tuotteiden valmistuksen ilman suuria kustannuksia.
Esimerkki: 3D-tulostetut yksilölliset ortopediset pohjalliset tai urheilijoille tehdyt räätälöidyt kypärät.
Hyperpersonointi: Tämä on kustomoinnin ääripää, jossa jokainen tuote on ainutlaatuinen ja suunniteltu yksittäiselle asiakkaalle.
Yhdistää tuotteen ja käyttäjän tarpeet saumattomasti.
Esimerkki: 3D-tulostetut työkalut tai suojavarusteet, jotka on suunniteltu tekoälyn avulla juuri käyttäjän kehon muotoihin ja tyyliin sopiviksi.
Tekoäly ja data-analytiikka voivat yhdistyä 3D-tulostukseen luoden tuotteita, jotka kehittyvät ja mukautuvat käyttäjän tarpeiden mukaan.
3D-tulostus on tehnyt merkittävän läpimurron musiikki-instrumenttien valmistuksessa. Perinteisesti soittimet on valmistettu puusta, metallista tai muista luonnonmateriaaleista. Nykyään on mahdollista luoda toimivia ja laadukkaita soittimia suoraan 3D-tulostimella.
Esimerkiksi 3DVarius, maailman ensimmäinen 3D-tulostettu sähköviulu, on saanut paljon huomiota. Se perustuu klassiseen Stradivariuksen muotoon, mutta on valmistettu yhdestä kappaleesta tulostetusta materiaalista, mikä tekee siitä kevyen ja kestävän. Myös metallisten kitarakomponenttien valmistus on kokenut muutoksen: APG Group on kehittänyt palkittuja 3D-tulostettuja metallikomponentteja kitaroihin, parantaen niiden kestävyyttä ja akustisia ominaisuuksia.
3D-tulostuksen tuominen soitinvalmistukseen tuo mukanaan monia etuja:
Räätälöinti – Soittimet voidaan muokata soittajan kädenjälkeen ja ergonomisiin tarpeisiin sopiviksi.
Kevyempi rakenne – Tulostetut osat voivat olla perinteisiä kevyempiä menettämättä akustisia ominaisuuksiaan.
Kustannustehokkuus – Erityisesti prototyyppien valmistuksessa 3D-tulostus säästää aikaa ja materiaaleja.
Kestävyys ja innovaatio – Uudet materiaalit ja tulostustekniikat voivat parantaa soitinten äänenlaatua ja kestävyyttä.
Miten?
3D-tulostus toimii eri tavoin riippuen soittimesta ja sen osista. Esimerkiksi kitaroiden osia voidaan valmistaa metallin jauhepetisulatusmenetelmällä (SLM), jolloin saadaan aikaan kevyitä mutta kestäviä komponentteja. Toisaalta 3DVarius-viulu hyödyntää kestävää akryylimateriaalia ja SLA-tulostusta (stereolitografia), mikä mahdollistaa saumattoman ja resonanssiltaan erinomaisen rakenteen.
Tulevaisuuden instrumentit ja tekoälyn rooli
Tulevaisuudessa akustiset soittimet, 3D-tulostus ja tekoäly voivat yhdistyä luoden uusia ääniä ja instrumentteja, joita ei ole ennen kuultu. Tekoäly voi generoida uusia ääniä, kuten valaan ja pianon äänen yhdistelmän, ja mallintaa, millainen akustinen rakenne ja materiaali tuottaa juuri tämän soinnin. Nämä akustiset rakenteet voidaan sitten 3D-tulostaa, jolloin syntyy täysin uusia instrumentteja, orkestereita ja sävellyksiä.
Uusia soittimia voidaan kehittää ja personoida laajasti, mikä mahdollistaa entistäkin rikkaamman äänimaailman. Tulevaisuudessa voimme nähdä instrumentteja, jotka mukautuvat soittajan tyyliin ja tuottavat ainutlaatuisia ääniä, joista nykyiset soittimet eivät kykene vastaamaan.
Kuva: Tekoälyn kuvittelema tulevaisuuden soitin
Johtopäätöksiä
3D-tulostus on tuonut musiikki-instrumenttien maailmaan uuden aikakauden, jossa räätälöidyt, kevyemmät ja innovatiivisemmat soittimet tulevat mahdollisiksi. Teknologian kehitys tarkoittaa, että tulevaisuudessa voimme nähdä entistä parempia ja monipuolisempia soittimia, jotka ovat sekä saavutettavia että korkealaatuisia.
3D-tulostetut ja tekoälyllä suunnitellut soittimet eivät ole enää tulevaisuuden visio, vaan jo todellisuutta. Voisiko seuraava soittimesi olla 3D-tulostettu ja tekoälyn generoima?
Sovelluksia ja esimerkkejä
1. Instrumenttien valmistus
Koko instrumentin tulostaminen: Esimerkiksi saksofoneja, viuluja ja ukuleleja on valmistettu kokonaan 3D-tulostimella. Muovista tulostetut soittimet ovat kevyempiä ja edullisempia kuin perinteiset.
Komponenttien valmistus: Tulostusta käytetään yksittäisten osien, kuten huilun suukappaleiden tai kitaran satuloiden ja tallojen, valmistukseen.
Six-string guitar capo assembly, produced via MIM and AM by APG-MIM (Courtesy MPIF)
3D-tulostus mahdollistaa soittimien mukauttamisen soittajan tarpeiden mukaan, esimerkiksi ergonomisesti suunniteltuja käyrätorvia tai yksilöllisiä sähkökitara-bodyja.
Se mahdollistaa myös nopeasti prototyyppien luomisen uusista instrumenttimalleista.
3. Korjaus ja varaosat
Harvinaisten tai vanhojen soittimien varaosia voidaan tulostaa silloin, kun alkuperäisiä ei enää valmisteta.
Esimerkiksi pianon vasaroita tai saksofonin näppäimiä voidaan valmistaa tulostamalla, jolloin soitin voidaan palauttaa soittokuntoon edullisesti.
4. Akustiikan ja suunnittelun tutkimus
3D-tulostus mahdollistaa erilaisten materiaalien ja muotojen kokeilun akustiikan parantamiseksi. Esimerkiksi erikoisvalmisteiset viulun kopat voivat muuttaa soinnin ominaisuuksia.
Tulostettujen rakenteiden avulla voidaan luoda uusia äänimaailmoja, joita perinteisillä materiaaleilla ei helposti saavuteta.
5. Soittimien saavutettavuus
3D-tulostus voi tehdä soittimista edullisempia ja helpommin saatavilla olevia, erityisesti oppilaitoksille ja musiikin harrastajille.
Esteettömyyttä voidaan parantaa suunnittelemalla soittimia erityistarpeisiin, esimerkiksi vammaisten muusikoiden käyttöön.
Esimerkkejä 3D-tulostetuista instrumenteista
Hovalin-viulu: Täysin 3D-tulostettu sähköviulu, kevyt ja muokattava. Avoin lähdekoodi.
3D-tulostetut huilut ja klarinetit: Testattu klassisessa musiikissa ja opetuskäytössä.
Science fiction on toiminut alustana, jossa 3D-tulostuksen kaltaiset teknologiat on kuvattu jo kauan ennen niiden toteutumista. Nämä tarinat ovat paitsi inspiroineet teknologista kehitystä, myös valmistaneet yleisöä uusien innovaatioiden eettisiin ja yhteiskunnallisiin vaikutuksiin. Esimerkiksi Star Trek -sarjassa esiintynyt ”replikaattori” muistuttaa hämmästyttävän paljon nykyaikaisia 3D-tulostimia. Sarjan laite kykeni tuottamaan lähes mitä tahansa materiaalia, ja se on sittemmin inspiroinut tutkijoita kehittämään teknologioita, jotka voivat valmistaa monimutkaisia esineitä kerros kerrokselta.
Kirjallisuus
Science fiction -kirjallisuudessa 3D-tulostus on ollut pitkään merkittävässä roolissa ennakoimassa ja inspiroimassa teknologian kehitystä. Kirjailijat kuten Hannu Rajaniemi ovat hyödyntäneet teknologian potentiaalia luodessaan maailmoja, joissa nanoteknologia ja materiaalien muokkaus ovat arkipäivää.
Rajaniemen Kvanttivaras-sarjassa materiaalien hallinta ulottuu molekyylitasolle, tarjoten lukijalle vision siitä, kuinka 3D-tulostus voisi tulevaisuudessa muuttaa sekä tuotantoa että yhteiskuntaa. Aiemmin William F. Temple esitteli idean bioprinttauksesta tarinassaan Four Sided Triangle, jossa ihminen rakennettiin molekyyli molekyyliltä. Tämä ennakoi nykypäivän keskustelua biotulostuksen mahdollisuuksista ja eettisistä kysymyksistä. Teoksesta on myös elokuva.
Neal Stephensonin The Diamond Age tutkii 3D-tulostuksen potentiaalia. Kirjassa nanoteknologia ja materiaalien ohjelmoitavuus mahdollistavat sellaisten esineiden ja tuotteiden valmistuksen, jotka mukautuvat käyttäjiensä tarpeisiin. Stephensonin visio tarjoaa näkemyksen siitä, kuinka 3D-tulostuksen ja nanoteknologian yhdistelmä voisi demokratisoida tuotantoa ja luoda uudenlaista taloudellista tasa-arvoa.
Science fiction -kirjallisuus on toiminut teknologian kehittäjien inspiraation lähteenä. Kuvaukset resursseja säästävistä tuotantomenetelmistä ja yksilöllisistä ratkaisuista heijastuvat todellisuuteen esimerkiksi muovituotteiden edullisessa piensarjavalmistuksessa. Science fiction auttaa pohtimaan teknologian vaikutuksia niin yhteiskunnallisesti kuin kulttuurisestikin.
Cory Doctorow’n Makers pureutuu 3D-tulostuksen vaikutuksiin yhteiskunnassa ja taloudessa. Doctorow käsittelee tarinassaan sitä, kuinka yksilölliset valmistusmenetelmät ja hajautetut tuotantojärjestelmät voivat muuttaa perinteisen teollisuuden ja kuluttajien roolit. Kirjassa innovatiiviset hahmot käyttävät 3D-tulostusta luodakseen uusia liiketoimintamalleja, jotka haastavat suuryritysten aseman.
Elokuvat ja televisiosarjat
Elokuvissa ja televisiosarjoissa 3D-tulostus on kuvattu monipuolisesti ja usein huikeasti tulevaisuuteen ulottuvana teknologiana. Star Trekin ”replikaattori” muistuttaa modernia 3D-tulostinta. Laite pystyi tuottamaan ruokaa, tarvikkeita ja jopa varaosia avaruusmatkailijoiden tarpeisiin, ennakoiden sekä materiaalin hallinnan että yksilöllisen valmistuksen kehittymistä. Samankaltaista ideaa jatkoi The Jetsons, jossa ”Food-a-Rac-a-Cycle” tuotti ruokaa nykyaikaisia ruokatulostimia muistuttaen.
Modernit tarinat, kuten Westworld-sarja, ovat vieneet idean pidemmälle, käyttäen kehittyneitä 3D-tulostimia ihmisten kaltaisten androidien luomiseen. Tämä käsittelee myös eettisiä ulottuvuuksia, joita liittyy kehittyvän teknologian käyttöön. Lääketieteellisessä draamassa Grey’s Anatomy esiteltiin 3D-tulostusta verisuonten valmistamiseen, mikä tuo teknologian mahdollisuudet konkreettisella tavalla katsojan arkeen.
Science fiction -tarinat toimivat paitsi ideoiden hautomona, myös väylänä valmistaa yleisöä teknologian eettisiin ja käytännön vaikutuksiin. Monia näistä sovelluksista, kuten verisuonten tulostamista tai räätälöityjä tuotteita, on jo siirretty laboratorioista käytännön sovellutuksiin, osoittaen kuinka media voi inspiroida todellisia tieteellisiä läpimurtoja.
Tarinat eivät pelkästään heijasta teknologian potentiaalia, vaan ne toimivat ideoiden hautomoina, joissa uusia teknologioita voidaan kuvitella, testata ja arvioida ennen niiden todellisuutta. Ne ovat valmistaneet yhteiskuntaa hyväksymään uusia innovaatioita ja inspiroineet tutkijoita toteuttamaan ideoita käytännössä.
On mielenkiintoista huomata, että monet science fiction -tarinoiden 3D-tulostukseen liittyvät visiot, kuten bioprinttaus ja materiaalin tehokas valmistus, ovat muuttumassa todellisuudeksi. Tämä korostaa sitä, kuinka tieteiskirjallisuus voi toimia merkittävänä ajattelun katalyyttina ja suunnannäyttäjänä tieteellisille ja teknologisille läpimurroille.
Kirjoja
Bear, Greg. Blood Music. Arbor House, 1985. Explores self-replicating biotechnologies, which resonate with the themes of advanced 3D bioprinting.
Clarke, Arthur C. Profiles of the Future: An Inquiry into the Limits of the Possible. Harper & Row, 1962. Discusses future technologies, including concepts resembling 3D manufacturing and its societal impact.
Doctorow, Cory. Makers. Tor Books, 2009. A novel about a near-future world where 3D printing and micro-manufacturing revolutionize industries and creativity.
Gibson, William. Count Zero. Arbor House, 1986. Features automated and decentralized production, highlighting early conceptualizations of additive manufacturing.
Gibson, William. The Peripheral. Berkley, 2014. Explores advanced technologies like ”fabricators,” resembling futuristic 3D printers, in a dystopian setting.
Lem, Stanisław. Return from the Stars. Harvest Books, 1961. Describes ”betryzing,” a form of futuristic manufacturing and replication technology similar to 3D printing.
Scalzi, John. The Collapsing Empire. Tor Books, 2017. Includes elements of advanced manufacturing in its depiction of a highly developed interstellar society.
Stephenson, Neal. The Diamond Age: Or, A Young Lady’s Illustrated Primer. Bantam Books, 1995. Features advanced molecular manufacturing, a speculative precursor to 3D printing technologies.
Temple, William F. Four Sided Triangle. Gnome Press, 1949. An early exploration of the concept of molecular duplication, akin to bioprinting, later adapted into a 1953 film.
Vinge, Vernor. Rainbows End. Tor Books, 2006. Set in a world where ubiquitous computing and advanced manufacturing, including 3D printing, have transformed society.
Tiedätkö muita tieteiskirjoja tai -elokuvia, joissa 3D-tulostus on mukana?
3D-tulostus on jo vakiinnuttanut asemansa valmistavassa teollisuudessa, mutta sen mahdollisuudet eivät rajoitu vain uusien tuotteiden luomiseen. Kiinnostava ja kasvava näkökulma on uudelleenvalmistus (remanufacturing), jossa käytetyt tuotteet tai niiden komponentit kunnostetaan, päivitetään ja saatetaan uudenveroisiksi. Tämä avaa uusia mahdollisuuksia erityisesti kestävän kehityksen ja kiertotalouden näkökulmasta.
Mitä on uudelleenvalmistus ja miten se eroaa muista prosesseista?
Uudelleenvalmistus ei ole pelkkää kierrätystä eikä yksinomaan korjaamista tai entisöintiä. Kyseessä on järjestelmällinen prosessi, jossa käytetty tuote puretaan, analysoidaan ja sen käyttökelpoiset osat kunnostetaan tai korvataan uusilla. Lopputuloksen tulee vastata täysin uuden tuotteen suorituskykyä ja laatua. Tämä eroaa perinteisestä kierrätyksestä, jossa tuotteet hajotetaan perusmateriaaleiksi ilman tarkempaa analyysiä niiden uudelleenkäytettävyydestä.
3D-tulostus uudelleenvalmistuksessa
3D-tulostus on merkittävä uudelleenvalmistuksen mahdollistaja. Sen avulla voidaan esimerkiksi:
Valmistaa varaosia kuluneiden tai poistettujen osien tilalle, jolloin tuotteen elinkaarta voidaan jatkaa.
Mukauttaa ja päivittää komponentteja, jotta ne sopivat modernisoituihin standardeihin tai uusiin käyttötarkoituksiin.
Luoda täysin uusia osia vanhojen mallien pohjalta, erityisesti silloin, kun alkuperäisiä varaosia ei ole enää saatavilla.
Uudelleenvalmistus yhdistettynä 3D-tulostukseen tukee sekä ympäristöllistä että taloudellista kestävyyttä. Tämä vähentää uusien raaka-aineiden tarvetta, pienentää jätteen määrää ja mahdollistaa tuotteiden pidemmän käyttöiän. Lisäksi yrityksille se tarjoaa uusia liiketoimintamahdollisuuksia, esimerkiksi palvelumallien kautta, joissa tuotteita ei myydä lopullisesti, vaan niitä ylläpidetään ja päivitetään jatkuvasti.
Tulevaisuuden näkymät
Uudelleenvalmistus muuttaa tapamme ajatella valmistusta ja kiertotaloutta. Tulevaisuudessa tekoäly ja digitaaliset alustat tehostavat uudelleenvalmistusprosesseja. Älykkäät algoritmit analysoivat käytettyjen komponenttien kuntoa, optimoivat varaosien valmistusta ja ehdottavat kestävämpiä ratkaisuja. Digitaaliset kaksoset (digital twins) voivat seurata tuotteiden elinkaarta ja ennakoida huollon ja uudelleenvalmistuksen tarpeita jo ennen niiden ilmenemistä.
Lisäksi äärimmäiset kestävän kehityksen vaatimukset voivat vauhdittaa siirtymistä kiertotalouspohjaiseen valmistusmalliin, jossa tuotteet suunnitellaan alun perin uudelleenvalmistettaviksi. Yritykset voivat hyödyntää jakamistalouteen perustuvia liiketoimintamalleja, joissa tuotteita ei myydä kertakäyttöisinä, vaan ne palautuvat valmistajalle päivitystä ja uudelleenvalmistusta varten. 3D-tulostus yhdistettynä tekoälyyn mahdollistaa entistä räätälöidymmän ja resurssitehokkaamman tuotannon, joka tukee sekä liiketoimintaa että ympäristön hyvinvointia.
Onko yritykselläsi mahdollisuus hyödyntää 3D-tulostusta uudelleenvalmistusprosessissa? Jatketaan keskustelua ja jaetaan kokemuksia!
Generative design is a term commonly used in connection with 3D printing, for example. It uses algorithms to generate a wide range of product design options based on predefined constraints and objectives. It is particularly useful in the aerospace industry, where the use of materials, structural integrity and aesthetic appeal are key.
The term has also a new meaning. Generative design has become more common in the design of digital solutions. It refers to the use of artificial intelligence to create interactive systems, user experiences and digital content where adaptability and customisation are key. For example, a generatively designed AI-based learning platform adapts its content and interface to the needs of individual learners.
Technology brokering refers to situations where technology or methodologies from one field can be applied to another. What are the transfer opportunities and similarities in generative design between physical and digital solutions?
Optimisation algorithms: generative design uses optimisation algorithms to maximise materials, structure and functionality. The same optimisation thinking can be applied to the design of digital user interfaces and software.
Iterative design process: generative design allows rapid iteration and prototyping, in particular through 3D printing. In digital applications, iterative methods are often used, where design and development are continuously improved based on user feedback and analytics.
User-centred design: generative design can produce products that are tailored to precisely meet user needs and requirements. AI-powered adaptive learning systems are examples of how user-centred design can improve engagement and efficiency. Algorithms analyse user behaviour and adapt the system accordingly.
AI and machine learning: AI and machine learning can optimise design processes, find the best solutions from large amounts of data, and create innovative products that are better performing and more sustainable. Interactive systems use AI and machine learning to create adaptive and personalised user experiences that improve engagement and user experience.
Generative design combines the power of algorithms and artificial intelligence to create innovative solutions for both physical products and digital systems. In the design of physical products, optimisation algorithms and iterative processes produce efficient and aesthetically pleasing solutions. In digital solutions, user-centric design and artificial intelligence enable adaptive and personalised experiences. From a technology brokering perspective, these two interpretations of generative design offer tremendous opportunities for transferring and combining innovation across different application areas, fostering creativity, efficiency and sustainability.
3D-tulostuksen ilmiöön on aina liittynyt aktiivinen tiedonjakaminen esimerkiksi yhteisöissä, 3D-mallien jakamisalustoilla ja kehitysprojektien joukkoistamisessa. Ilmiötä voi laajemmin kutsua OSAM-toiminnaksi (Open Source Additive Manufacturing).
OSAM viittaa avointen lähteiden periaatteiden hyödyntämiseen, mikä kattaa 3D-mallien, tulostustekniikoiden ja parhaiden käytäntöjen jakamisen yhteisössä sekä löydettävissä olevan tiedon aktiivisen hyödyntämisen kilpailuetuna. Kansainväliset AM -yhteisöt, generatiivinen tekoäly ja verkosta löytyvät käännösohjelmat mahdollistavat yhä tehokkaamman toiminnan.
OSAMin keskeiset hyödyt
1. Kustannustehokkuus. OSAM laskee tutkimus- ja kehityskustannuksia. Hyödyntämällä avoimesti saatavilla olevaa tietoa yritys voi vähentää tuotekehityksen, prototyyppien ja tuotannon kustannuksia. 3D-tulostuksen tietoa on runsaasti saatavilla eri kielisissä verkkolähteissä.
2. Nopeutettu innovaatio. OSAMin yhteistyöhön perustuva luonne tarkoittaa, että edistysaskeleita tehdään nopeasti. Kun yritykset, yhteisöt ja yksilöt jakavat avoimesti läpimurtojaan ja parannuksiaan, koko yhteisö hyötyy. Tämä johtaa nopeampiin iteraatioihin, parempiin tuotesuunnitelmiin ja ratkaisuihin, jotka eivät olisi mahdollisia suljetussa ekosysteemissä. Esimerkiksi e-Nable ja Open Bionics hyödyntävät OSAM-toimintaa proteesien ja bioniikan kehittämiseen.
3. Lisääntynyt joustavuus. OSAMin avulla organisaatio voi hyödyntää ulkoisia tehokkaammin. Joustavuus mahdollistaa kokeilut materiaaleilla, tulostustekniikoilla ja suunnitelmilla pienemmillä alkuinvestoinneilla ja vähemmillä virheillä. Se mahdollistaa myös nopean suunnanmuutoksen markkinoiden muutoksen tai teknologisten edistysaskeleiden mukaisesti.
4. Yhteisön tuki. Yhteisön jäsenenä yrityksellä on pääsy maailmanlaajuiseen asiantuntijoiden ja harrastajien verkostoon. Verkosto tarjoaa arvokkaita näkemyksiä, auttaa ongelmanratkaisussa ja tarjoaa tukea, auttaen yritystä voittamaan haasteet tehokkaammin. Yhteisön tarjoama tuki voi olla esimerkiksi start-up -toimijalle kriittinen liiketoiminnan mahdollistaja.
5. Lisääntynyt läpinäkyvyys ja luottamus. Avoimen lähteen projekteille on tyypillistä niiden läpinäkyvyys. Läpinäkyvyys luo luottamusta käyttäjien keskuudessa, sillä he voivat nähdä kehitysprosessin, osallistua siihen ja varmistaa tuotosten laadun ja luotettavuuden. Yrityksille tämä tarkoittaa esimerkiksi tuotteiden kehittämistä, joihin asiakkaasi voivat luottaa.
OSAMin periaattet
OSAM hyödyntää samoja perusperiaatteita kuin avoimen lähdekoodin tiedustelutoiminta (OSInt). Periaatteet ovat keskeisiä OSAM-toiminnan tehokkuudelle ja eettisyydelle.
1. Avoimuus. OSAM perustuu julkisesti saatavilla olevien 3D-mallien, tulostustekniikoiden ja parhaiden käytäntöjen hyödyntämiseen. Yritykset voivat käyttää laajaa avointen resurssien valikoimaa kehittääkseen ja parantaakseen omia prosessejaan. Avoimuus hyödyntää koko alan kehitystä, ei pelkästään yksittäisen yrityksen toimintaa.
2. Läpinäkyvyys. Käytetyt tiedot ja niiden lähteet kannattaa dokumentoida ja esittää selkeästi, jotta tiedon alkuperä ja luotettavuus voidaan todentaa. Tämä auttaa rakentamaan luottamusta ja mahdollistaa yhteistyön yhteisön kanssa.
3. Laillisuus ja eettisyys. OSAM-toimintaan liittyvät toimenpiteet on suoritettava noudattaen voimassa olevia lakeja ja säädöksiä. Tiedon ja resurssien käytön on oltava laillista.OSAM-toiminnassa on noudatettava korkeita eettisiä standardeja, kunnioittaen tekijänoikeuksia, yksityisyyttä ja ihmisoikeuksia. Tämä varmistaa, että toiminta on kestävää ja vastuullista.
4. Luotettavuus ja tarkkuus.
Lähdekriittisyys: OSAM-toiminnassa käytettyjen resurssien ja tietojen luotettavuus ja tarkkuus on arvioitava huolellisesti. Väärän tai harhaanjohtavan tiedon käyttö voi johtaa virheellisiin johtopäätöksiin ja epäonnistuneisiin projekteihin.
Vahvistaminen: Tietoja on pyrittävä vahvistamaan useista lähteistä aina kun mahdollista, jotta niiden paikkansapitävyys voidaan varmistaa.
5. Analyysikyky
Kontekstointi: Kerätyt tiedot ja resurssit on asetettava oikeaan kontekstiin, jotta niiden merkitys ja vaikutukset voidaan ymmärtää oikein. Tämä auttaa tekemään parempia päätöksiä ja kehittämään tehokkaampia ratkaisuja.
Yhteyksien löytäminen: Tietojen analysoinnin avulla on pyrittävä löytämään yhteyksiä ja merkityksellisiä havaintoja, jotka eivät välttämättä ole ilmeisiä pelkästään raakadatan perusteella. Tämä voi johtaa innovatiivisiin ratkaisuihin ja uusiin liiketoimintamahdollisuuksiin.
6. Ajantasaisuus ja jatkuvuus. OSAM-toimintaan liittyvän tiedon ja resurssien on oltava ajantasaisia ja relevantteja, ja tiedonhankinnan jatkuvaa. Yritys voi tällöin reagoida nopeasti muuttuviin tilanteisiin.
7. Teknologian hyödyntäminen ja automaatio. OSAM-toiminnassa käytetään monenlaisia työkaluja ja ohjelmistoja tiedon keräämiseen, analysointiin ja visualisointiin. Automatisoidut järjestelmät ja algoritmit voivat tehostaa tiedonkeruuta ja analysointia, mutta ihmisanalyytikon arvio on edelleen tärkeä. Yhdistelmä johtaa parempiin ja nopeampiin tuloksiin.
8. Yhteistyö ja tiedon jakaminen. OSAM-toimijoiden välinen yhteistyö parantaa tiedon kattavuutta ja analyysin laatua. Yhteistyö avoimen lähdekoodin yhteisöjen kanssa voi tuoda uusia näkökulmia ja ratkaisuja. Relevanteista havainnoista ja resursseista tiedottaminen oikeille tahoille on keskeistä vaikuttavuuden kannalta.
3D printing is a promise for radical new concepts, products and functionalities that have never existed before. Unfortunately only less than 1% of us can imagine truly new things. We are mostly copying and variating earlier ideas.
So how can we find the truly new products and future-proof solutions ? Here are some strategies for this.
Innovation can take place at component or system level. The novelty can be considered by the impact it has (incremental, radical).
Figure 1. Dimensions of innovation by Joe Tidd.
In this article we talk about exploration for new products that are made possible by 3D printing. Exploration is the activity when the organisation seeks future product directions and opportunities.
Grounded vs. disruptive exploration
Grounded exploration emphasizes systematic development and logical improvements to products. Disruptive exploration is based on “soft” and creative practises, such as pure creativity, allowing unexpected combinations, and taking higher risks. Grounded exploration may be more common in established engineering companies and disruptive exploration in agile start-up companies.
There are always more options than can be explored and implemented. It is difficult to know which direction to take and where the markets and competition will be. The explorer is in similar situation as an astronomer trying to see distant stars – it is difficult to see far due to distance or other disturbing factors (Figure 2).
In grounded exploration the designer sets first the criteria for exploration and then studies the opportunities. In disruptive exploration the criteria for new products are set later when the opportunities are perceived.
Figure 2. The problem of identifying the right opportunities
Logical vs. non-logical
Logical approaches lead to predictable innovations and can be deducted by looking at the premises, user needs, competition and technology advances. Example activities:
Extend and improve the products to predictable directions, for example based on user feedback.
Update the applied design tools and technologies.
Change the product strategy according to user or business needs.
Apply user-centred development processes.
React to competition.
Non-logical approaches lead to ideas and innovations that are not obvious by looking at existing knowledge or premises. Non-logical approaches emphasize designers’ ideas, inspiration and unexpected technology combinations. The areas explored can be in conflict with the results from logical thinking. Example activities:
Extend the concepts or features to non-predictable directions
Try unknown or unproven solutions.
Challenge the knowledge from market research.
Target oriented vs. open ended
Target oriented approaches aim to fulfill a pre-defined goal, such as certain features, market share, price, design or customer need. The activities as a whole establish an exploration ”lense”. The pre-defined goal is the focal point for the lense. Example activities
Explore only ideas that support strategic (primary) goals
Fix errors.
Add features.
React to feedback.
Design for synergies across features
Figure 3. Target oriented exploration
Open ended approaches. In this approach the mission is simply to find new, without pre-defined limitations and with minimal guidance. Existing opportunities and unexpected findings are seen as “lenses” that lead the exploration towards undefined goal. The target comes visible when different combinations are tried and studied. By applying ”lenses” at different situations during exploration, different objects and possibilities come visible. Examples
Explore with non-strategic (secondary) goals
Maximize the generation of new ideas and combinations of ideas. Focus on quantity rather than quality.
Make design perspectives (Where we are heading?) and take perspectives (Where are we now?)
Figure 4. Exploring the unknown with opportunities
Rational vs. irrational
Rational approaches look to directions and solutions that make sense and can be justified with business goals, expertise, or data. This approach is similar to logical approach, but the emphasis is in “common sense” and intuitition – “We know there is something”. Team’s expertise and quiet knowledge play important role. The concept of gravitational lenses clarifies the situation: you have observations indicating that something is behind the obstacles, but currently you can observe and explore only second hand indications. Examples activities:
Extend the ideas with known and justified use cases and ratioanl details
Assume emergence of certain trend, technology, customer need or user behaviour
Ignore some known limitations, uncertainties and risks, but with a good reason
Figure 5. Gravitational lense. A gravitational lense is formed when the light from a very distant, bright source (such as a quasar) is ”bent” around a massive object (such as a cluster of galaxies) between the source object and the observer. Souce: Wikipedia
Irrational approaches emphasize ideas that stem from non-rational user needs or simply playing with available technology and design options. Although people are capable of rational thinking they very often act irrationally or have irrational needs. For example, market research may reveal expectations or latent needs that can’t be explained by rational analysis. For example, explore solutions that emphasize ”beauty”, “joy”, “happiness”, “showing off” that are difficult to explore, model and manage with rational mindset. This approach requires high degree of creativity and freedom, good modeling tools, but still proper understanding of the doable vs. not-doable elements. For example:
Apply irrational (not justified, not predicted by theory, not logical) elements in the ideas, such as playfulness and “wov”. Consider also very short lifetime vs long lifetime of a product idea, since these lead to different concepts.
Work with artists, people with creative talents, lead users, etc.
Explore beliefs, religions and other non-scientific areas that guide people’s behaviour and markets.
Incremental vs empirical
Incremental approach aims to add new elements into existing products and systems, i.e it studies what is missing part. Incremental exploration is maybe the easiest and safest option to go, but will not contribute to a new product strategy. In this approach we accept also negative increments, i.e. changing the concepts by removing existing elements.
Figure 6. Incremental approach
Examples:
Which functions / elements could be added to existing products and systems?
Which functions / elements could be removed from existing products and concepts?
Which features could be combined or integrated?
Empirical approach
Empirical or new-creating approach aims to define fully new strategy or direction for product innovation and concepts. The work of a designer resembles the work of an artist who applies different kinds of methods, technologies and techniques in a flexible manner in a process of appreciation, action and re-appreciation, constantly reflecting on his own work. The empirical approach designers rarely follow the methodology prescribed by normative theories.
Figure 7. Empirical approach
Examples:
What could be created from the given elements?
Which new user functions, features or designs could be proposed?
Focus on outliers! Outliers are ideas and concepts that seem not to fit with ”proper” ideas and are not compatible with the mainstream solutions.
Strategies for exploration
We can’t directly see to the future. It would be nice if we could. The future is hidden beyond time, trends, technology advancement and unexpected events. Fortunately we can see signs of the future everywhere around us, such as megatrends, trends, silent signals, outliers and research results. Astronomers have similar problem when they try to see galaxies and black holes that hide behind massive systems in space.
Here are four strategies to apply when identifying the opportunities for future products or systems.
1. Lenses to future
Use exploration ”lenses” as descibed in the sections above. Try to see the new opportunities and accept unexpected findings.
2. Wind Approach
Imagine you try top navigate straight from west to east and there is strong north wind. In order to reach the destination you actually need to aim to north east. This gives a different route and new parameters for the exploration.
The Wind Approach is a method for product innovators seeking future product ideas by embracing the unexpected and venturing into uncharted territories. Inspired by the way a navigator adjusts their course when faced with adverse winds, this approach challenges traditional thinking and encourages innovative solutions to emerge. By intentionally deviating from the conventional path, the Wind Approach opens up new dimensions of exploration and unlocks a plethora of exciting possibilities.
Methodology:
Defining the Destination: Start by identifying the overarching goal, problem or product idea you aim to solve. This represents the ”destination” you want to reach through innovation.
Mapping the Traditional Route: In the absence of any constraints or challenges, chart out the most straightforward route to your destination. This represents the conventional approach to innovation.
Identifying the Wind: Introduce a disruptive element or constraint that mimics the strong north wind in the analogy. This could be a limitation, a constraint, an opposing trend, or an unconventional perspective.
Adjusting the Course: Just as a navigator adjusts their course to navigate around the wind, deliberately deviate from the traditional path. In response to the introduced constraint, pivot your perspective and consider alternative directions.
Finding the North East: Instead of simply overcoming the constraint, use it as a guide to explore new destination, new routes and dimensions. Like aiming for the north east in the face of a north wind, seek out unconventional ideas and opportunities that arise from accommodating the constraint.
Exploring New Parameters: The Wind Approach prompts you to redefine the parameters of your innovation exploration. As you navigate around constraints, you might discover unexpected intersections between ideas, designs, materials, industries, or technologies. This can lead to the creation of entirely new product concepts.
Possibilities and Benefits:
Divergent Thinking: The Wind Approach fosters divergent thinking by pushing innovator to question assumptions and break free from linear thought patterns. This can lead to solutions that might not have been considered otherwise.
Cross-Disciplinary Insights: Embracing constraints can open doors to collaborating with experts from diverse fields. The process of navigating constraints often involves borrowing insights and techniques from unexpected sources, fostering cross-disciplinary innovation.
Unique Value Propositions: By embracing challenges and constraints, you can arrive at product ideas with unique value propositions. These ideas might solve problems in ways that resonate deeply with users or disrupt established markets.
Innovative Problem-Solving: The Wind Approach encourages creative problem-solving, as the need to circumvent constraints can lead to elegant and unexpected solutions.
Market Differentiation: Products conceived through the Wind Approach are likely to stand out in the market due to their unconventional nature. This differentiation can lead to stronger market positioning and a competitive edge.
Innovation Mindset: Continuously applying the Wind Approach can cultivate an innovation mindset within teams and organizations. It encourages a culture of adaptability, resilience, and open-mindedness.
3. DreamForge approach
DreamForge is a design methodology that harnesses the power of AI-based image generators, or any other system that amplifies the exploration space digitally, to create visually stunning and highly intricate product concepts. Unlike traditional design processes that rely solely on human creativity and constraints, DreamForge taps into the limitless potential of AI to generate products that transcend the boundaries of reality. This methodology leverages advanced machine learning algorithms to produce designs that are rich in complexity, detail, and innovation.
Figure 8. Product exploration with DreamForge. Image by Midjourney.
Key Steps:
AI Training: The DreamForge methodology begins with training AI models on an extensive dataset of existing 3D designs, art, and various visual inspirations. This enables the AI to learn patterns, styles, and artistic elements. This step is not always needed, since generative AI:s may have sufficient data already in place.
Creative Seed: Users provide a basic idea or concept as a creative seed to guide the AI’s initial design generation process. This seed could be a vague description, a set of keywords, or even an abstract image.
AI Design Generation: The AI takes the creative seed and generates a diverse array of design concepts. These concepts can be wildly imaginative, incorporating elements that human designers might never conceive.
Iteration and Refinement: Users review the generated designs and select the ones that resonate with their vision. They can provide feedback to the AI, which then refines subsequent design iterations.
Customization: Users have the option to customize and fine-tune the selected design, adjusting specific details, scales, and features to align with their preferences.
Benefits of DreamForge:
Unbounded Creativity: DreamForge unleashes a new level of creativity by producing designs that defy conventional boundaries. AI-generated designs introduce novel shapes, patterns, and aesthetics that push the limits of imagination.
Efficiency and Speed: Traditional design processes can be time-consuming and iterative. DreamForge accelerates the design phase by rapidly generating a multitude of unique concepts, expediting the creative journey.
Intricate Detailing: The AI’s ability to incorporate millions of intricate details and nuances results in designs that possess a depth of complexity that would be nearly impossible for a human designer to envision.
Idea Exploration: DreamForge is a powerful tool for exploring design ideas that may have been overlooked or deemed unfeasible. Users can visualize concepts they might not have considered otherwise.
Personalization: Users can inject their personal preferences into the design, ensuring that the final product reflects their unique style and taste.
Innovation Catalyst: DreamForge serves as a catalyst for innovation, inspiring designers, artists, and creators to break free from conventions and explore uncharted territories of design.
4. VisioForesight approach
VisioForesight approach is a scenario planning method that helps explorers anticipate and navigate a range of potential product futures. By crafting detailed stories of plausible yet diverse outcomes, scenario planning empowers decision-makers to be proactive, adaptable, and ready for whatever product opportunities tomorrow may bring.
Methodology
Define X and Y Axes: In the context of business scenarios, the X and Y axes often represent two key dimensions or variables that influence the scenarios. Similarly, in the context of product exploration, you could define two axes that capture essential aspects of the product. These axes could be factors like ”Functionality” and ”Aesthetics,” ”Complexity” and ”Simplicity,” or any other relevant pair of attributes.
Explore the Four Fields: Once you’ve defined your axes, you can divide your scenario map into four quadrants, each representing a distinct combination of attributes. For example:
Quadrant I: High Functionality, High Aesthetics
Quadrant II: High Functionality, Low Aesthetics
Quadrant III: Low Functionality, High Aesthetics
Quadrant IV: Low Functionality, Low Aesthetics
Applying this Approach to Product Exploration: Let’s say you’re designing a smart medical device. You could use the axes ”Innovative Features” and ”User-Friendly Design” to create your scenario map:
Quadrant I: Device with Cutting-Edge Features and Intuitive User Interface
Quadrant II: Feature-Rich Device with Complex User Interface
Quadrant III: Visually Stunning Device with Simplified Features
Quadrant IV: Basic Device with Limited Features and Usability
Benefits: Structured Exploration: This approach provides a structured framework for brainstorming and exploring different product ideas based on specific attributes or dimensions.
Idea Generation: By systematically exploring each quadrant, you ensure that you consider a wide range of possibilities and avoid overlooking potential ideas.
Evaluation Criteria: The scenario map offers a way to evaluate and prioritize ideas based on the attributes represented by the axes. This can help in aligning product ideas with your overall design goals.
Visual Representation: The scenario map provides a visual representation of the product landscape, making it easier to communicate and collaborate with team members and stakeholders.
Informed Decision-Making: By mapping out different scenarios, you can make more informed decisions about which quadrant aligns best with your target audience, market trends, and business objectives.
Holistic Approach: Considering both functional and aesthetic aspects ensures a holistic approach to product design, leading to products that not only perform well but also engage users visually.
Diverse Range of Ideas: By changing the attributes on the axes, you can adapt the scenario map to different products and explore a wide range of design possibilities.
Conclusion
There are many avenues for finding future products. Some require systematic work and some are based on imagination. Maybe the best results are achieved by hybrid approaches, where both aspects are applied.
This article is a preview to a wider work that brings new tools to the creators of future products, especially to support the imagination challenge of 3D printing. Stay tuned!
Metaverse is a new continent to be explored. It is reachable to all. It is everywhere. Yet it is nowhere. Metaverse is lands, islands, cities, houses, people in the houses, events, machines, roads, vehicles and everything you can imagine. Yet it is all digital.
In January 2022 Finnish company Zoan launched Cornerstone.land, a place that exists only in Metaverse and place to buy properties. In June 2022 Meta announced the launch of a digital clothing store that will allow users to dress their avatars in Metaverse. In September 2022 Walmart entered Metaverse to offer kids the ultimate virtual toy destination.
Objects in Metaverse are virtual. You can see, touch, design and build them with virtual tools and interfaces. Could they become tangible real objects somehow? Can we build wormholes between virtual worlds and our physical world? Will you be able to bring the virtual dress you bought in a Metaverse into your wardrobe?
Source: thefabricant.com
The patient imaging data created by radiologist in a hospital is in a specific 3D format and can be viewed as 3D pictures. It can also be transformed into 3D printable format. The same possibility applies to all objects in different 3D formats. Today the transformations may be difficult or need special expertise and computing.
What happens when these transformations between 3D formats and systems are easy, automated and accessible to all? Further, what happens when (almost) any digital object can be 3D printed?
I wrote the first blog in 2015 predicting several changes that 3D printing will initiate in production, logistics, value networks and personalization, for example. Most of those are now reality and everyday features. 3D printing technologies and services evolve rapidly, such as photo realistic 3D printing with millions of colors. I believe the next big innovations will be about the wormholes between digital and physical worlds enabled by advanced 3D printing technologies, platforms and services.
For example:
An object in any digital environment can be additive manufactured as real object, for example a dress, spare part or toy. The process will be automated and straightforward for the end user.
An object in the physical world can be transformed to a digital object and imported into the virtual world. The tools will be integrated in everyday systems, such as smart phones, empowered with advanced AI engines.
New businesses and services will emerge for handling the co-existence of digital and physical objects.
Obviously not all objects will be possible to have this kind of co-existence of digital and physical. There are limitations in handling some materials, functionalities and features in the transformation. However, there are already endless cases when this is possible.
When you and I try to figure out when this would make sense, I’m pretty sure we both think of everyday objects that are familiar to us. However, at this point we can let our imagination run a bit further.
In Metaverse or in any digital environment, such as an online game, we can have superpowers to make unimaginable objects and features, such as shoes that let us fly with built-in jet engines. It may be difficult to implement such rocket shoes in the real world even with the most advanced future 3D printer. However, the new imagination tools will help us to imagine new shapes and features that are possible to make, such as lightweight structures and unexpected designs which we will never invent in the real world.
Why classic piano and violin are fundamentally different for the musician? A piano has keys, which give the exact pretuned sound. The musician has no power to adjust the pitch of a single key while playing. A violin fingerboard, on the opposite, gives the player a full freedom to play any pitches. For creativity, violin gives wider opportunities and less limitations.
Categorization sets limits on what we are able to design and make. If we prefer a design idea, say ”topology optimization”, this tends to push other ideas out of sight. We like to make things easier by categorizing, selecting tools, setting limits and organizing. Could we amplify the designer’s thinking space?
Why, what and how
A straightforward and practical design answers the question how an object is designed. The result is a concrete design or product. The commission defines what is designed, such as spare part for specific system. The result can be a specification or requirements document, for example.
We are interested in the wider question, why something is designed and made. What is the purpose of a system? And what might be results of this question?
In this writing I’m trying to draft principles for designing 3D printed systems by looking at nature, engineering and art. I’m not a designer. Hence my approach is more philosophical and aims to look at design from other perspectives than technical ones.
Nature
What is the aim of biological ecosystems? When there is shortage of water, plants react by decreasing the consumption. When there is plenty of light, good soil and humidity, plants speed up growth. When insects attack trees, trees warn other trees and generate ways to fight back. Over the time, evolution improves the ”designs” and all living adapts to the evolving environment.
Ecosystems aim to maintain and balance the overall system. This is fundamentally built-in in everything. All details, features, communication, collaboration in nature is fine tuned for maintaining the balance. The mechanisms are inherited and improved over the generations in flora and fauna. Also most human made systems aim to maintain and balance status quo (See: Peter Senge: The Fifth Discipline).
Our purpose and design principle 1 is Maintaining the system. When designing features for a machine, component or spare part, we can ask: How the overall functionality can be improved for maintaining the balance of a wider system? Or: How our solution maintains the balance in the surrounding context: people, machines, systems and eventually businesses.
Can we design components or entire systems that react, interact, communicate and adapt with others? What kind of technologies and features we could adopt to make objects capable to maintain the systemic purpose? We can play with transforming materials (4D printing), IoT, signalling, sound and vibration, embedded reservoirs, channels, sensors and actuators, machine learnging, and by expecting similarish features from other interacting components. Many of the maintaining ideas and features can be copied from biological systems (biomimicry).
Art
What is the aim of art? This question is explored in book Strange Tools: Art and Human Nature (Alva Noë, 2015):
”Art, really, is an engagement with the ways in which our practices, techniques, and technologies, organize us and it is, finally, a way to understand that organization and, inevitably, to reorganize ourselves.”
Creating art is a design process and requires tools. For musician the tool may be the instrument. For choreographer it may be the human body. For painter the tool consists of colors, brushes and canvas. Depending on the type of art, the tools are natural and fit with the purpose.
Art organizes ideas to entities that become perceivable. Sometimes art gives answers, but more often it raises new questions and forces us to think. Art helps us to see more. Art empowers us to think and create ideas that we wouldn’t be able to think or understand without it. For example, a musical performance can reveal emotions that you were not aware of. Leonardo da Vinci was a master in pinpointing the details by using visual effects to highlight (or hide) and give life to paintings.
Salvator Mundi. Painting by Leonardo da Vinci.
Our design principle 2 is Explaining and raising questions. When we design a product a or systems, we can ask: how the system can help us to better understand it and its’ purpose in the wider context? Why does this specific system or product exist?
Can we use technologies and solutions from arts to make things understandable, to highlight features or to communicate status? What can we do with colors, shapes, sounds, movement, materials, by breaking conventional boundaries, collaboration, by abstraction or realistic presentations, or by bringing together unexpected elements? Can we pinpoint or hide features by adding or removing material, by creating transparency by design or enabling other elements to connect with our system?
Leaf bridge was project (2018) to bring together art, biomimicry, materials, engineering and purpose.
Leaf bridge.
Engineering
”Engineering is the use of scientific principles to design and build machines, structures, and other items, including bridges, tunnels, roads, vehicles, and buildings.” – Wikipedia-
What is the purpose of engineering? Engineering brings together the best knowledge we have about a specific domain and challenges us to seek better solutions. It creates new technical artifacts for specific needs by bringing together the right skills, technologies, innovation and leadership.
Engineering and art are similar in many ways. Appropriate technologies, methods and tools are needed to reach the goal. Collaboration and cross disciplinarity are fundamental prerequisites in most projects. While art aims to explain or raise questions, engineering aims to give answers: this is how you do it.
Engineering solution need not be always perfect. Often good enough or better than earlier is ok. Engineering result is a snapshot in the story of technical evolution.
Our design principle 3 is Continuous improvement and technical curiosity. When we design new artefact, we need to ask: Which tools, methods, principles, competences or ideas will lead us to better solution this time? What should be different than earlier? What new is available? Should we get rid of some old thinking?
The history of mankind is the story of technical evolution, victories and continuous strive for better life. Unfortunately many of the brightest inventions have turned against us in the global scale, such as the many avenues leading to climate catastrophe.
What if all engineering would fundamentally consider the systemic implications of the solutions, going beyond single business case? Not only asking how, but also what and why? Instead of building better products, building better planet? It might be useful to understand what is the mechanism how good inventions lead to bad results over time.
Summary
Our three design principles are:
Maintaining the system
Explaining and raising questions
Continuous improvement and technical curiosity
There has never been as many artists, innovators and engineers as we have today. We have the brightest and fast evolving technologies, materials and tools in our hands. We can collaborate globally and share ideas quickly.
Why, then, we are not really learning from the best teacher, the nature, about creating sustainable systems and environments? What would happen if we really could learn and implement?
3D printing is a globally emerging approach for creating sustaible systemic solutions. Today some of the ideas mentioned in this article can be implemented with 3D printing technologies. In the future, most of the ideas are feasible. For example, self maintaining systems are already explored in numerous research groups. Artists have started to use 3D printing and many ideas are transferred to products. 3D printing enables fast iteration and cost efficient exploration of new ideas.
3D printing eliminates many practical limitations, in the same manner as violin gives full freedom for artistic creativity.
3D printing has become a standard tool for athletes. It can be used to improve ergonomy and performance in traditional sports, and to enable sports and exercising for paralympic athletes and hobbyists, in the first place
3D printing was widely present in both Tokyo Olympic games 2021 and Tokyo Paralympics 2021. Applications were seen in numerous sports and also in olympic arrangements.
Some Tokyo 2021 examples below:
Olympics
Olympic rings were 3D printed from recycled plastic bottles. The bottles were crowdsourced from the city.
3D printing was widely applied in athletes’ footwear. Most medalists had 3D printed insoles.
3D printed custom pistol grip improved eronomy and accuracy (Celine Goberville).
3D printing was applied in developing innovative racing bike solutions for the Great Britain Cycling Team.
Paralympics
3D printing was used to improve grip and ergonomy in special gloves, for example for wheelchair racing.
Bike pedal structures were designed and 3D printed to match the individual needs of athletes.
Custom fit crank arms and and grips were 3D printed for racing wheelchairs.
Para-athletes with missing fingers, for example, had 3D printed accessories (Taymon Kenton-Smith).
Comprehensive list of 3D printing examples in professional sports during the past years would be very long. It is obvious that sports is great innovation platform for 3D printing. I’m excited to see the new solutions in Paris 2024.
Extreme personalization
The atheletes need to persistently optimize their performance and anticipate the details of forthcoming competition. 3D printing can often be part of the solution. The solution must exactly fit with the athelete’s needs at a specific point of time for extreme performance. For example, a sudden injury may change the need rapidly.
Solutions are created with skilled teams where the athlete is key person in the collaborative design team. Ideas can be copied from elsewhere, but the final product is always fine tuned solution, based on innovation, data, design, production, iteration and testing.
Reaching the best possible quality is a fundamental requirement. Sometimes the solution needs to be available in couple of hours, for example as unexpected need for a spare part. The team needs to perform and be ready for solving tricky problems.
Translation to normal life
Athletes are forerunners in finding ways how 3D printing can serve us all. Solutions developed for top performance can be translated to wider uses, in the same way as Formula1 developers create innovations that are applied in car and other industries, such as aerodynamics and carbon fibre technology.
In my vision, Olympic 3D printing innovations will translate, for example, in
Developing fast and high quality idea-to-implementation processes
Enabling tasks that were earlier impossible for individuals
Developing task specific tools and accessories for wide range of professions
Solving problems related to ergonomy and occupational health
Creating cost efficient solutions for accessibility
3d printing renaissance 