Romusta ratkaisu – kierrätysmetallit 3D-tulostuksessa

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.

Pekka Ketola, 26.6.25

Kustomoinnin tulevaisuus

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:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.

How to find the future products?

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:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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

  1. 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.
  2. 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
  3. 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
  4. Benefits: Structured Exploration: This approach provides a structured framework for brainstorming and exploring different product ideas based on specific attributes or dimensions.
  5. Idea Generation: By systematically exploring each quadrant, you ensure that you consider a wide range of possibilities and avoid overlooking potential ideas.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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!

All comments and feedback are highly appreciated!

Pekka Ketola, August 28, 2023

3D Printing Book Corner

Learning materials for industrial and professional 3D printing in Finnish and in English. All pointers with tag FREE are free to download. New titles are added frequently.

In spite of digitalization and smart systems, it is difficult to find proper publications on 3D printing. This site was created to compile the latest research reports and other publications in one place. I hope this page is useful for you! Best regards, Pekka


Please propose improvements and new pointers to books, reports and other prints and e-prints via the comment box below.

1. Landscape

2. Getting started

3. Business

4. Workflow

5. Design & optimisation

6. Materials & reports

7. Manufacturing & construction

8. Post processing

9. Resources

10. IPR and 3D scanning

  • 3D Printing, Intellectual Property and Innovation – Insights from Law and Technology (2017). https://books.google.com/books/about/3D_Printing_Intellectual_Property_and_In.html
  • Abbot, E. Reconstructing History: The Ethical and Legal Implications of 3D Technologies for Public History, Heritage Sites, and Museums, Huron Research, July 11, 2016, http://bit.ly/2QCvsnw
  • Mendis, D. Going for Gold—IP Implications of 3D Scanning & 3D Printing, CREATe, Nov. 29, 2017, http://bit.ly/2Nm8B1B
  • Billingsley, S. Intellectual Property in the Age of 3D Scanning and 3D Printing, Spar3D, July 25, 2016, http://bit.ly/2POhKwL.
  • Doctorow, C. Why 3D scans aren’t copyrightable, Boing Boing, June 21, 2016, http://bit.ly/2NnQiJq
  • Doctorow, C. 3D digitisation and intellectual property rights, Jisc, January 17, 2014, http://bit.ly/2xtl3ls
  • Shein E. Who Owns 3D Scans of Historic Sites. CACM Vol 62 No 1, Jan 2019. Pp 15-17.
  • Wachowiak, M.J., and Karas, B.V. 3D Scanning and Replication for Museum and Cultural Heritage Applications, JAIC 48 (2009), 141–158, https://s.si.edu/2NYouuN

11. 3D printing in science fiction

  • Gibson, William. The Peripheral. Berkley, 2014. Explores advanced technologies like ”fabricators,” resembling futuristic 3D printers, in a dystopian setting.
  • Doctorow, Cory. Makers. Tor Books, 2009. A novel about a near-future world where 3D printing and micro-manufacturing revolutionize industries and creativity.
  • 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.
  • Bear, Greg. Blood Music. Arbor House, 1985. Explores self-replicating biotechnologies, which resonate with the themes of advanced 3D bioprinting.
  • Vinge, Vernor. Rainbows End. Tor Books, 2006.
    Set in a world where ubiquitous computing and advanced manufacturing, including 3D printing, have transformed society.
  • Gibson, William. Count Zero. Arbor House, 1986.
    Features automated and decentralized production, highlighting early conceptualizations of additive manufacturing.
  • 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.
  • Scalzi, John. The Collapsing Empire. Tor Books, 2017. Includes elements of advanced manufacturing in its depiction of a highly developed interstellar society.
  • Lem, Stanisław. Return from the Stars. Harvest Books, 1961. Describes ”betryzing,” a form of futuristic manufacturing and replication technology similar to 3D printing.

Publication proposal:

Takaisin

Your message has been sent

Varoitus
Varoitus
Varoitus
Varoitus

Varoitus!

3D-tulostus on autoalan hevosvoima

Autoala on jatkuvassa myllerryksessä. Muutoksen tuulia edustavat mm. robottiautot, autojen kytkeytyminen tietoverkkoihin ja tekoälyn vauhdittamat älykkäät ominaisuudet. Myös kaupunkisuunnittelussa autoiluun haetaan uusia systeemisiä ratkaisuja, jotta ruuhkien tukehduttamat kaupungit saataisiin taas eläviksi. Kaupunkisuunnittelua tukevat lukuisat smart traffic – hankkeet kaikilla mantereilla.

Muutosten myötä autovalmistajat ja uudet pelurit, kuten Google ja Amazon, etsivät uusia ajatusmalleja, tuotantotapoja ja haluavat ymmärtää, miten liikkumisen tarpeet muuttuvat seuraavien vuosien aikana.

Tulevaisuustyötä tehdään kiihkeästi kaikilla rintamilla. Tästä on esimerkkinä Ladan tulevaisuusvisio, joka käsittelee autoilua kokonaisuutena. Suurten toimijoiden lisäksi erityistä mielenkiintoa herättävät outlierit – pienet toimijat, jotka kehittävät kummallisilta tuntuvia ratkaisuja ja kokeiluja normaalitoiminnan laitamilla omilla pelisäännöillään, mutta jotka onnistuessaan voivat skaalautua ja muuttaa yllättäen pelikenttää, kuten Uber.

3D-tulostus

3D-tulostus tarjoaa oman vääntönsä autoalan muutokseen. Teknologian avulla autojen suunnittelu, valmistus ja elinkaaripalvelut tulevat uusiutumaan ja muuntumaan. Seuraavassa on muutamia skenaarioita mahdollisista muutoksista.

Autotehtaasta mahdollistajaksi

Auto on yhä enemmän käyttäjänsä määrittelemä. Sen yksityiskohdat ja ergonomiset ratkaisut räätälöidään automaattisesti ja myös vuoropuheluna käyttäjän kanssa. Suurin osa räätälöinnistä ei juurikaan vaikuta auton hintaan, koska automatisoiduille ja 3D-tulostusta hyödyntäville valmistusprosesseille on yhdentekevää yksityiskohtien muodot tai toiminnallisuudet, kunhan valmistusalusta on viritetty palvelemaan tarkoitusta. Yksilöllisten ominaisuuksien luomisessa hyödynnetään asiakkaasta eri yhteyksissä kerättyä henkilökohtaista dataa.

Toimijoiden roolit siis muuttuvat. Autotehdas muuttuu palveluntarjoajaksi ja mahdollistajaksi, myyjästä tulee empaattinen autoräätäli, asiakkaasta kehkeytyy myyjän kumppani auton suunnitteluun. Varsinainen auton valmistus tapahtuu asiakkaan lähellä siirrettävässä mikrotehtaassa.

bengaluru

Lähde: http://www.coroflot.com/neobhushan/LOCAL-MOTORS-for-Bengaluru

Edelläkävijänä tämänkaltaisessa toiminnassa on amerikkalainen LocalMotors, joka toteuttaa jo tämänsuuntaisia palveluita autosuunnittelussa. LocalMotorsin ensimmäinen sarjavalmisteinen 3D-tulostettu automalli on tulossa markkinoille 2017.

Ekotehokas auto

3D-tulostus tekee autosta paremman. Luontoa jäljittelevillä rakenteilla ja muodoilla autoista tulee keveämpiä ja kestävämpiä. Tietä tälle kehitykselle raivaa erityisesti lentokoneteollisuus, kuten Airbus, joka hyödyntää 3D-tulostusta aktiivisesti lentokoneiden keventämiseksi.

3D-tulostusta hyödyntämällä auton mekaanisista osista ja moottorista saadaan tehokkaampia ja kevyempiä. Esimerkiksi Renault on onnistunut keventämään moottorin painoa 25%:lla, samoin kuin osien lukumäärää.

Renault-3D-printed-engine

Auto on parempi, kun se rasittaa ympäristöä vähemmän elinkaarensa aikana. Tähän johtavat uudet rakenteet, pienempi materiaalin kulutus, keveys, sekä ylläpidon ja avoimen innovaation uudet mahdollisuudet. Auton kehittäjiksi ja suunnitteluratkaisujen parantajiksi voidaan valjastaa kaikki halukkaat suunnittelijat ja joukkoistamalla tuottaa nopeasti korkealaatuisia ratkaisuja havaittuihin ongelmiin.

Myös tässä toiminnassa LocalMotors on tiennäyttäjä. Joukkoistuksen ja 3D-tulostuksen avulla paremmat osat voidaan valmistaa saman tien prototyypeiksi ja ottaa koekäyttöön. Samaa strategiaa käytetään myös muilla aloilla. Esimerkiksi kameravalmistaja GoPro tukee avointa innovaatiota ja kannustaa avoimesti kehittämään uusia lisälaiteratkaisuja 3D-tulostusta hyödyntämällä.

Huollon paremmat työkalut

Autojen kehityksen yhteinen piirre on autojen kompaktius. Moottoritilaan ahdetaan yhä enemmän laitteita ja osien saavutettavuus vaikeutuu. Tämä purkautuu tarpeena sijoittaa laitteita ja elektroniikaa auton muihin rakenteisiin. Tilannetta ei helpota autojen laajamittainen yksilöllistyminen ja normaalirakenteista poikkeavat yksityiskohdat.

Syntyy siis tarve hyvinkin yksilöllisille huoltotyökaluille – sekä ammattilaisille että tee-se-itse -korjaajille. 3D-tulostuksen avulla kaikki mahdolliset työkalut ovat jokaisen saatavilla ilman merkittäviä lisäkustannuksia. Yksinkertaiset työkalut syntyvät jo edullisilla kotitulostimilla muutaman sentin kappalehintaan. Kalliimmat työkalut voi noutaa lähimmästä 3D-tulostuksen palvelutoimistosta.

3D-tulostus mahdollistaa edullisesti myös henkilökohtaiset apuvälineet, jotka lisäävät käsivoimaa, auttavat ulottumaan tai poistavat fyysisen vamman aiheuttaman hankaluuden, kuten sormien puuttumisen. Auton ylläpitoon voidaan tuottaa täydellinen ja henkilökohtainen huoltovälineistö, joka päivittyy esimerkiksi auton vaihdon yhteydessä.

autojuttu 3d ortoosi dragonflex

Lähde: Vasen: http://www.3ders.org/articles/20151202-unyq-launches-collection-of-3d-printed-prosthetic-upper-limb-covers.html. Oikea: https://3dprint.com/tag/3d-printed-surgical-tools/

Uudet palvelut

3D-tulostus luo vääjäämättä uusia palvelutarpeita. Osa näistä tarpeista voidaan ratkaista kehittämällä nykyisiä toimintoja, mutta syntyy myös uudenlaisia ratkaisuja. Nämä löytyvät jo osittain tämän päivän outlier -toimijoista.

Kun auto on yhä yksilöllisempi ja se voi kehittyä elinkaarensa aikana, syntyy luultavasti tarve jonkinlaiselle autokummi -toiminnalle. Autokummi ottaa hoitaakseen yksilöllisyyden ylläpidon ja auton kunnossapitoon liittyvät päivittäiset kysymykset, sekä tuottaa 3D-tulostusta hyödyntämällä uusia ratkaisuja autoilijan muuttuviin tarpeisiin.

Auton omistaja muuttuu ostajasta suunnittelijaksi ja osittain tekijäksi (prosumer). Koska autoiluun liittyy massiivinen määrä lakeja ja säädöksiä, tarvitaan palveluita, jotka tukevat autoalan prosumerismia. Käytännössä tämä johtaa monenlaisiin yhteissunnittelun toimintatapoihin, uusiin suunnittelu- ja valmistuspalveluihin, sekä tiedonhankintapalveluihin.

Painettu ja 3D-tulostettu elektroniikka tuo uusia ratkaisuja auton rakenteisiin, mutta myös penkin ja ratin väliin. Amerikkalainen Organovo tarjoaa asiakkailleen ohjelmoitavia biotulosteita, jotka asennetaan ihmisen kehoon. Millainen palvelu syntyy, kun tuodaan yhteen auton älykkyys, auton kytkeytyminen käyttäjään langattomalla yhteydellä ja nopeasti kehittyvä tekoäly? Jos tänään auton ovi avautuu käden heilautuksella, niin huomenna tapahtuu jo paljon enemmän.

So what?

Miten suomalaisen autoalan kannattaisi huomioida erityisesti 3D-tulostuksen vaikutukset?

  1. Koulutus: 3D-tulostus on ymmärrettävä riittävällä tasolla. Ymmärrys luodaan tehokkaasti täydennyskoulutuksen ja ammatillisen peruskoulutuksen kautta. 3D-tulostus tulee muuttamaan maailmaamme kuten Internet. Perustiedot on hallittava: mistä 3D-tulostuksesssa on kyse. Kuinka moni autoalan toimija pärjäisi tänä päivänä ilman Internetiä? On kehitettävä koulutusratkaisuja! 3D-tulostuksen innovatiivisia koulutusratkaisuja tarjoaa mm. ylöjärveläinen 3DStep.
  2. Palvelukehitys. Maailmalla on jo lukuisia autoalan sovelluksia ja palveluita, jotka hyödyntävät 3D-tulostusta mm. varaosien tuotannossa, kuten Daimler. Palveluiden määrä kasvaa tasaiseen tahtiin tuoden lisäarvoa sekä autoalan toimijoille, että asiakkaille. Autoalan on saatava liikkeelle uskaliaita palvelukehityshankkeita ja kokeiluita, jotta pärjäämme kilpailulle joka vääjäämättä rantautuu Suomeen.
  3. Aiheen tutkiminen asiakkaiden kanssa. 3D-tulostuksen hyödyt ja mahdollisuudet löydetään yhdessä asiakkaiden, asiantuntijoiden ja edelläkävijöiden kanssa. Tehokas työkalu tähän on monialainen edelläkävijätyöskentely (lead user co-creation). Esimerkiksi suomalainen ideascout on erikoistunut juuri tällaiseen työskentelyyn. Yksinkertaisimmillaan oivallukset syntyvät nopeissa ideatyöpajoissa.
  4. Kokeilut. Parhaiten 3D-tulostuksen maailman oivaltaa kuitenkin itse kokeilemalla. Jo kymmenet suomalaiset yritykset ovatkin hankkineet kokeilu- ja ammattikäyttöön 3D-tulostimia, sekä tukeneet laitteiden hankintaa omatoimiseen opiskeluun. Ehkäpä yksinkertainen 3D-tulostin olisi mielekäs ajatustenkehittäjä myös autokaupoisssa, korjaamoilla ja katsastuskonttoreissa.

3D-tulostus ei ole enää hypen harjalla. Se on ohittanut kriittiset kehitysvaiheet ja on nopeasti yleistymässä normaalitoiminnaksi eri aloilla. Autoalan, jos minkä on syytä pysyä vauhdissa mukana.

20170407_073927

Prototyyppi Avant kauhakuormaajan 3D-tulostetusta hydrauliikkaosasta. Lähde: 3DStep

– Pekka Ketola, 3DStep, 29.4.2017 –

Kiinnostuitko? Ota yhteys:

Takaisin

Your message has been sent

Varoitus
Varoitus
Varoitus

Varoitus!

Bikes, velomobiles and 3D printing

 

Since Draisienne or the ”Running Machine” at 1817 bicycle has been subject for continuous technological renewal, innovation platform and response for evolving user needs. The latest advances are related to a new prototyping, product and personalisation opportunities with 3D printing. This article highlights some recent examples.

The digital wheelchair

go-home-page-0221

Source: layerdesign.com

Go wheelchair was developed with the objectives to improve the quality of life, help with the disabilities and support the individual lifestyle. Go is an example of digital consumer product development and personalisation.

The design of every wheelchair starts from mapping user’s biometric information, which is then translated to 3D digital data and manufactured using 3D printing. The accompanying GO app allows users to participate in the design process by specifying optional elements, patterns and colourways, and to place orders.

The resulting wheelchair accurately fits the individual’s body shape, weight and disability to reduce injury and increase comfort, flexibility, and support.

More about Go wheelchair:

Design for three wheels

race16-seite_d38cb69212

Source: http://www.hs-emden-leer.de

Velomobiles are special kind of bikes that run on three or four wheels. They are designed for optimal aerodynamics, which is typically achieved by laid back riding position and special design.

Akkuracer was developed by the students in the Hochschule of Emden-Leer. The aim was to achieve sustainable and organic design for best performance. Accuracer was produced using SLS 3D printing.

More about 3D-printed velomobile:

Bikes for you only

arc-bicycle-students-tu-delft-3d-printed-stainless-steel-netherlands_dezeen_936_13

Source: dezeen.com

The developers of bicycles have started to apply 3D printing in various ways and for different purposes. Below are some cases from different perspectives of bike design.

The MOBI develops a truly modular bicycle where parts can be removed and replaced, and manufactured using a desktop 3D printer by anybody. MOBI advances the ideas for open design by sharing the design files.

Robot Bike  aims for better performance and a more comfortable ride by a full custom fit. They use digital design and 3D printing to produce individually tailored bike frames from titanium.

ideas2cycles is a company specialising in the design and prototyping of bike frames. The aim of the company is to create new concepts that have an impact not only in the cycling scene, but also in design, engineering and marketing. 3D printing and freedom of design are essential enablers in the tool box.

Shapeways is active in providing solutions for bikers including a wealth of biking accessories.  For example the list of  3D printed accessories used during TheAlpe d’Huzes ride is impressive.

More about bikes and 3D printing:

 

Conclusions

All kinds of light vehicles are ideal platforms for applying digital design, 3D printing and personalisation. Parts are mostly small, testing different designs is affordable and legislation does not limit the use of new solutions on the road – as it does in car industry, for example.

Bikes, velomobiles and other light vehicles are the promised land for 3D printing.

Experience the world of 3D printing at 3DSTEP, the international 3D printing event and exhibition. October 4-5, Tampere Finland. www.3dstep.fi