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.

3D-tulostus ja science fiction: Teknologian inspiroijat ja ennustajat

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.

3D printing in science fiction

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?

Pekka Ketola. 8.2.2025

Arabiemiirikunnat ja 3D-tulostus 

Arabiemiirikunnat, erityisesti Dubai, ovat asettaneet kunnianhimoisia 3D-tulostuksen tavoitteita. Maan johdonmukainen panostus teknologiaan heijastaa pyrkimystä tulla globaaliksi johtajaksi innovatiivisessa valmistuksessa ja rakentamisessa. 3D-tulostuksen avulla Dubai ja muut kaupungit pyrkivät muuttamaan teollisuudenaloja, tehostamaan rakentamista ja vähentämään ympäristövaikutuksia. 

Dubain 3D-tulostusstrategia 

Vuonna 2016 lanseerattu Dubai 3D Printing Strategy on maailmanlaajuisesti ainutlaatuinen hanke, jonka tavoitteena on tehdä Dubaista 3D-tulostuksen globaali keskus. Strategia on osa laajempaa Dubai Future Agenda -ohjelmaa, joka pyrkii luomaan globaalin mallin taloudelle.

Strategian keskeisiä tavoitteita ovat: 

  • Rakentamisen uudistaminen: 25 % kaikista uusista rakennuksista 3D-tulostetaan vuoteen 2030 mennessä. 
  • Kustannustehokkuus: Rakennuskustannusten vähentäminen 50–70 % ja työvoimakustannusten alentaminen 50–80 %. 
  • Jätteen vähentäminen: Rakennusjätteen määrän vähentäminen jopa 60 %. 
  • Kestävän kehityksen edistäminen: Resurssien tehokkaampi käyttö ja ympäristöystävällisten rakennusmateriaalien hyödyntäminen. 

Arabiemiirikunnissa 3D-tulostusta hyödynnetään monipuolisesti eri toimialoilla, kuten rakennus- ja infrastruktuuriala, terveydenhuolto, ilmailu- ja avaruusteollisuus, sekä kuluttajatuotteet ja muoti.

Merkittäviä virstanpylväitä 3D-tulostuksen hyödyntämisessä ovat mm.: 

  • Maailman ensimmäinen täysin toiminnallinen 3D-tulostettu toimistorakennus valmistui Dubaihin vuonna 2016. 
  • Maailman suurin 3D-tulostettu kaksikerroksinen rakennus valmistui vuonna 2019. 
  • Ensimmäinen 3D-tulostettu moskeija on rakenteilla Dubaissa ja valmistuu vuoden 2025 aikana. 
  • Guinnessin maailmanennätys: Dubai Future Foundation sai tunnustuksen maailman ensimmäisestä 3D-tulostetusta kaupallisesta rakennuksesta vuonna 2020. 

Dubai Electricity & Water Authority (DEWA) on rakentanut maailman ensimmäinen täysin 3D-tulostetun laboratoriorakennuksen Mohammed bin Rashid al-Maktoum -aurinkopuistoon. Tämä Robotics & Drone -laboratorio on ensimmäinen kokonaan paikan päällä 3D-tulostettu rakennus Yhdistyneissä Arabiemiirikunnissa ja samalla maailman ensimmäinen 3D-tulostettu laboratorio. 

Roads & Transport Authority (RTA) on ottanut käyttöön 3D-tulostuksen Dubain metrojärjestelmän osien valmistuksessa. RTA käyttää teknologiaa sekä pienten että suurten osien tulostamiseen, mikä vähentää kustannuksia ja parantaa liikennejärjestelmän tehokkuutta.  3D-tulostettuja osia käytetään muun muassa lipunmyyntiautomaattien ja porttien alijärjestelmissä sekä muissa päivittäiselle toiminnalle tärkeissä osissa. Teknologian avulla RTA voi pitää Dubain metron laitteet pidempään käytössä ja samalla alentaa kustannuksia.

Sertifiointi ja sääntely

Dubai on maailman ensimmäinen kaupunki, joka on ottanut käyttöön 3D-tulostetun rakentamisen sertifiointi- ja vaatimustenmukaisuusjärjestelmän. Tämä varmistaa, että kaikki 3D-tulostetut rakenteet täyttävät turvallisuusstandardit ja tekniset vaatimukset. Sertifiointi on osa laajempaa strategiaa, jolla Dubai pyrkii houkuttelemaan kansainvälisiä yrityksiä ja investointeja 3D-tulostuksen alalle. 

Koulutus

Arabiemiirikunnat on ottanut käyttöön laajan 3D-teknologian koulutusohjelman. Vuonna 2019 aloitettiin 3D-teknologian käyttöönotto yli 200 peruskoulussa. Ohjelma sisältää opetussuunnitelman, 3D-ohjelmiston (Makers Empire 3D), opettajien resurssit, koulutuksen ja tuen

Tavoitteena on opettaa Design Thinking -ajattelua, STEM-taitoja ja 21. vuosisadan taitoja nuoremmille oppilaille.

Sharjah Research, Technology and Innovation Park (SRTI Park) keskittyy tutkimuksen, teknologian ja innovaatioiden edistämiseen. SRTI Park on tarjonnut 3D-tulostuskursseja opiskelijoille huhtikuusta 2023 lähtien.

Myös American University of Sharjah (AUS) on aktiivisesti mukana 3D-tulostuksen koulutuksessa. Se toteuttaa mm. lukiolaisille suunnattuja Mechanical Engineering Boot Camp -leirejä, joissa opetetaan 3D-mallinnusta ja -tulostusta. 3D-tulostus on kiinteästi osa myös insinööri- ja arkkitehtiopintoja.

Tulevaisuuden näkymät

Arabiemiirikunnat jatkavat investointejaan 3D-tulostukseen, ja teknologiaa tullaan soveltamaan yhä laajemmin eri aloilla. Tulevaisuuden painopisteitä ovat: 

  • Paikallinen valmistus: Riippuvuuden vähemtäminen tuonnista ja nopea on-demad tuotanto
  • Kestävän kehityksen ratkaisut: Rakennusten hiilijalanjäljen pienentäminen ja ekologisten materiaalien käyttö. 
  • Älykkäät kaupungit: 3D-tulostuksen integrointi kaupunkisuunnitteluun ja infrastruktuuriin. 
  • Yhteistyö kansainvälisten yritysten kanssa: Innovaatioiden nopea skaalaus ja uusien liiketoimintamahdollisuuksien luominen. 

Lähteitä

  1. MEED. Dubai shapes 3D printing strategy. Saatavilla: https://www.meed.com/dubai-shapes-3d-printing-strategy/
  2. Parametric Architecture. Dubai’s 3D Printing Strategy: Transforming the Construction Sector. Saatavilla: https://parametric-architecture.com/dubais-3d-printing-strategy-transforming-the-construction-sector/
  3. Generation 3D. 3D Printing Services in Dubai & UAE. Saatavilla: https://generation3d.ae
  4. Arch2O. 25% of Dubai buildings will be 3D printed by 2030. Saatavilla: https://www.arch2o.com/25-dubai-buildings-will-3d-printed-2030/
  5. Trade.gov. UAE 3D Printing Opportunities in Construction. Saatavilla: https://www.trade.gov/market-intelligence/uae-3d-printing-opportunities-construction
  6. 3DPrint.com. Dubai creates world’s first 3D-printed construction certification system. Saatavilla: https://3dprint.com/304069/dubai-creates-worlds-first-3d-printed-construction-certification-system/
  7. Voxel Matters. Dubai Municipality installs 40 3D printed seats. Saatavilla: https://www.voxelmatters.com/dubai-municipality-installs-40-3d-printed-seats/
  8. OnPoint3D. 3D Printing Services in Dubai & UAE. Saatavilla: https://onpoint3d.com/services/3d-printing/
  9. Fast Company Middle East. 3D printing: The future of the construction industry in the UAE. Saatavilla: https://fastcompanyme.com/news/3d-printing-the-future-of-construction-industry-in-the-uae/
  10. Dubai Municipality. World’s first system for certification and conformity marks in the field of 3D printing in the construction industry. Saatavilla: https://www.dm.gov.ae/2023/10/08/dubai-municipality-launches-worlds-first-system-for-certification-and-conformity-marks-in-the-field-of-3d-printing-in-construction-industry/
  11. Proto21. Professional 3D Printing Services in Dubai. Saatavilla: https://www.proto21.ae
  12. Dubai Future Foundation. 3D Printing Strategic Alliance. Saatavilla: https://www.dubaifuture.ae/initiatives/future-design-and-acceleration/3d-printing-strategic-alliance
  13. C3D. 3D Printing Services Dubai & UAE. Saatavilla: https://www.c3d.ae
  14. Orbit3D. Top 5 revolutionary trends in 3D printing in UAE for 2024. Saatavilla: https://orbit3d.ae/top-5-revolutionary-trends-in-3d-printing-in-uae-for-2024/
  15. 3D PrintU. 3D Printing Solutions in UAE. Saatavilla: https://3dprintu.ae
  16. Dubai Municipality. 3D Printing in the Construction Sector. Saatavilla: https://www.dm.gov.ae/municipality-business/3d-printing-in-the-construction-sector/
  17. Ultratec 3D. 3D Printing Solutions for Various Industries. Saatavilla: https://www.ultratec3d.ae
  18. Inoventive. 3D Printing & Additive Manufacturing Services in Dubai. Saatavilla: https://inoventive.com
  19. Arch Graphic. Architectural 3D Printing Services in UAE. Saatavilla: https://arch-graphic.com
  20. FirstBit. Blackwell 3D launches feasibility study for 3D printed housing in the UAE. Saatavilla: https://firstbit.ae/blog/blackwell-3d-launches-feasibility-study-for-3d-printed-housing-in-the-uae/

Tutustu myös:

3D-tulostus Afrikassa

3D-tulostus Kiinassa

3D-tulostus Kiinassa

Kiina on merkittävä 3D-tulostuksen kehittäjä. Alan kasvu Kiinassa ja sen globaali vaikutus ovat nopeita. Kiinalaisen toiminnan kehittyminen on tärkeää huomioida suomalaisen ja eurooppalaisen 3D-tulostuksen kehittämisessä. Mielenkiintoinen ilmiö on mm. massasegmentointi.



Kiinan ja Euroopan 3D-tulostusmarkkinoilla on monia yhteisiä piirteitä, kuten voimakas kasvu ja palveluinnovaatiot. Eroja löytyy muun muassa Kiinan vahvasta valtion tuesta, edullisesta tuotantokapasiteetista ja nopeasta innovoinnista. Seuraavassa muutamia poimintoja kiinalaisista erityispiirteistä.

1. Valtion tukemat ohjelmat
Kiinan hallitus tukee vahvasti 3D-tulostuksen kehitystä osana maan teollisuuspolitiikkaa. Tämä sisältää merkittäviä investointeja tutkimukseen ja kehitykseen sekä valtion tukemia aloitteita, kuten ”Made in China 2025” -ohjelma (MIC25), joka asettaa lisäävän valmistuksen keskeiseksi osaksi maan teollista tulevaisuutta.

2. Subventiot ja verokannustimet
Kiinassa tarjotaan laajoja subventioita ja verokannustimia yrityksille, jotka investoivat 3D-tulostusteknologiaan ja -infrastruktuuriin.

3. 3D-tulostinten valmistus
Kiina on maailman johtava edullisten 3D-tulostimien valmistaja. Esimerkiksi Creality ja Anycubic ovat globaalisti suosittuja kuluttajien 3D-tulostimia. Teollisten 3D-tulostimien valmistajia ovat mm. Farsoon Technologies, Shining 3D, UnionTech ja ZRapid Tech.

4. Massasegmentointi
Kiinan valtavat markkinat ovat synnyttäneet massasegmentoinnin ilmiön. Tämä keskittyy tuottamaan useita erilaisia versioita samasta tuotteesta, jotka on suunniteltu vastaamaan eri asiakasryhmien tarpeita. Tämä eroaa massaräätälöinnistä, joka keskittyy yksittäisten tuotteiden muokkaamiseen vastaamaan kunkin asiakkaan erityistarpeita ja toiveita.

5. Massamodularisointi
Massamodularisointi on liiketoimintamalli, jossa yritykset myyvät perustuotteita, joita voidaan helposti muokata tai laajentaa erilaisilla vaihdettavilla moduuleilla. Tämä malli hyödyntää 3D-tulostusta, joka mahdollistaa kustannustehokkaan ja joustavan tuotannon sekä lisää miniatyrisointimahdollisuuksia.

6. Avoimen lähdekoodin ekosysteemi
Kiinassa on laaja avoimen lähdekoodin ekosysteemi, joka edistää nopeaa innovointia ja materiaalikehitystä, vähentää kustannuksia ja mahdollistaa laajemman tuotevalikoiman.

7. Nopea skaalaus
Kiinassa on kyky nopeaan innovointiin ja teknologioiden skaalaamiseen. Yritykset voivat siirtyä nopeasti prototyyppivaiheesta massatuotantoon suuren ja joustavan tuotantokapasiteettinsa ansiosta.

8. Edulliset ratkaisut
Kiinalaiset yritykset pyrkivät tarjoamaan kustannustehokkaita ratkaisuja, mikä tekee 3D-tulostusteknologiasta saavutettavampaa laajemmalle käyttäjäkunnalle.

Lähteitä:

3D-tulostus Afrikassa: Portti innovaatioon ja kehitykseen

3D-tulostuksen hyödyntäminen edistyy kaikkialla maailmassa teknologiaksi, jolla on potentiaalia muuttaa teollisuudenaloja. Afrikka on mukana kehityksessä. Terveydenhuollosta rakentamiseen, 3D-tulostus ottaa merkittäviä edistysaskeleita paikallisten haasteiden ratkaisemisessa ja talouskasvun edistämisessä.


Afrikan maissa elää voimakas yhteisöllisyyden, jakamisen ja yritteliäisyyden kulttuuri. Tämä on vuosisatojen kuluessa tuottanut poikkeuksellisen mielenkiintoisia liiketoiminnan innovaatioita, jotka ilmenevät kekseliäinä tuotteina ja palveluina. Uudelle teknologialle keksitään nopeasti käyttöä, joka voi merkittävästi poiketa ns. tavanomaisesta käytöstä.

3D-tulostuksen toimijoita Afrikassa

Mentis 3D (Etelä-Afrikka) on johtava toimija Afrikan 3D-tulostusmarkkinoilla. Se on Afrikan ensimmäinen ISO9001-sertifioitu 3D-tulostuslaitos ja toistaiseksi HP:n ainoa 3D-tulostuskumppani mantereella. Mentis 3D tarjoaa kattavan palveluvalikoiman, joka sisältää suunnittelun, skannauksen, tulostuksen ja jälkikäsittelyn.

Nairobi on Kenian innovaatiokeskus ja 3D-tulostus on merkittävä osa kaupungin yrityskulttuuria. Mm. Objet Kenya, Kuunda 3D ja  AB3D toimivat Nairobissa.

14 Trees on Holcimin ja British International Investmentin (BII) yhteisyritys. Yhtiö keskittyy 3D-tulostuksen hyödyntämiseen rakentamisessa. Iroko 3D -tulostin on suunniteltu parantamaan rakentamisen nopeutta, kustannustehokkuutta ja joustavuutta sekä tarjoamaan kestäviä ja edullisia asuntoja ja infrastruktuuria ympäri Afrikkaa.

Etelä-Afrikan CRPM (Centre for Rapid Prototyping and Manufacturing) on tärkeässä roolissa 3D-tulostuksen omaksumisessa. CRPM tekee yhteistyötä Botswanan yliopiston ja Botswanan teknologiatutkimus- ja innovaatiolaitoksen (BITRI) kanssa kehittäen 3D-tulostuksen ekosysteemejä Botswanassa.

3D-tulostuksen tulevaisuus Afrikassa näyttää valoisalta, ja useat tekijät vaikuttavat sen lupaaviin näkymiin:

1. Terveydenhuollon Innovaatiot: 3D-tulostuksella on potentiaalia mullistaa terveydenhuolto Afrikassa. Esimerkiksi räätälöidyt proteesit ja kirurgiset työkalut voivat tarjota edullisia ja saavutettavia terveydenhuollon ratkaisuja.
2. Koulutus: 3D-tulostuksen integrointi opetussuunnitelmiin antaa nuorelle sukupolvelle tulevaisuuden kannalta olennaisia taitoja.
3. Kestävä kehitys: 3D-tulostus tukee kestävää kehitystä vähentämällä jätettä ja edistämällä resurssien tehokasta käyttöä.
4. Talouskasvu: 3D-tulostuksen omaksuminen edistää talouskasvua luomalla uusia liiketoimintamahdollisuuksia ja parantamalla olemassa olevia teollisuudenaloja.
5. Paikallinen valmistus: 3D-tulostuksella on potentiaali vähentää riippuvuutta tuonnista mahdollistamalla paikallisten tuotteiden valmistuksen.

Lähteita:

3D Printing in Africa: Kenya & 3D Printing

OSAM – Open source additive manufacturing

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.

Navigating IPR challenges with generative AI and 3D printing

Generative AI and 3D printing are two technologies that together will revolutionize the way new products are designed and manufactured. Generative AI enables the creation of complex and unexpected designs, while 3D printing offers a fast and flexible, almost instant, way to turn these designs into physical products. This combination opens doors to disruptive business models but also brings significant IPR challenges.

Combining design and technical functionality

Products designed with generative AI and 3D printed can combine design and technical functionality in unprecedented ways. This raises questions about how such products should be protected from an intellectual property rights (IPR) perspective. Are they covered by design protection, technical patents, both, or by something else?

Traditional IPR models are not sufficient to cover these next generation products. For example, design protections typically cover the appearance of a product, while patents protect technical innovations. Products created with generative AI can seamlessly combine these two features, making it challenging to separate them.

Too much alike

Generative AI can create 3D models, which can pose significant copyright issues if these models closely resemble existing works. When AI creates a design, how can the maker know that there is no similar product already, or that the AI is not creating almost similar design for someone else at the moment?

This potential for infringement highlights the need for careful consideration and regulation in the use of AI for 3D modeling. Ensuring that AI-generated content does not violate intellectual property rights is crucial to fostering innovation while respecting the rights of original creators.

WIPO’s perspectives

The World Intellectual Property Organization (WIPO) has addressed the combination of generative AI and 3D printing in several publications, particularly from an IPR perspective. According to WIPO, products designed with generative AI that combine design and technical functionality can pose challenges to traditional IPR models. WIPO emphasizes the importance of developing new guidelines and practices that consider the unique characteristics of these products. It has been proposed that new forms of IPR are needed to take into account the unique features of AI-created works and the rapid innovations enabled by 3D printing. This could mean new patent classes or expanding design protection to cover AI-created products.

Summary

Generative AI and 3D printing offer enormous opportunities for innovation and new business models. At the same time, they bring significant IPR challenges that require new approaches and collaboration among experts from different fields. It is clear that we need new IPR models and practices that consider the unique features of these technologies and enable their full potential to be realized.

How do you see the impact of generative AI and 3D printing on IPR?

#GenerativeAI #3DPrinting #additivemanufacturing #IPR #Innovation #Technology

Sources:

  1. WIPO Patent Landscape Report on Generative AI (2024)
  2. WIPO Key Findings on Generative AI (2024)
  3. WIPO: Navigating Intellectual Property (2024)
  4. Berggren: Generatiivinen tekoäly ja siihen liittyvien IPR/juridisten riskien hallinta (2023)
  5. WIPO: 3D printing and the intellectual property system (2015)

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

On design principles for 3D printing

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:

  1. Maintaining the system
  2. Explaining and raising questions
  3. 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.

Pekka Ketola, 3.1.2022

The sport of 3D printing

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
  • Innovative uses of emerging 3D printing materials
  • Design innovations
  • Developing functional products.

Are you interested to collaborate on developing sports inspired solutions with the help of 3D printing? Let’s talk!

Links

Functional products

What is the next generation of 3D printed products?

When the first applications of commercial 3D printing emerged, they were mostly about appearance models and prototypes. These are still, and will be, powerful and valuable applications in many businesses. During the past 10 years we have seen radical development in design tools, materials, 3D printing technologies and skills. 3D printing is now serious and reliable manufacturing method for end products, product series and spare parts in all industries. We have 3D printed products that are beautiful, optimized in many ways and serve perfectly for the intended purposes.

Is this the end of evolution? Not even close! We only start to have a good platform to imagine the future systems, after practising the technology basics and having a vague understanding of what we can make. So, here is my vision for the next generation products, made with the help of 3D printing.

“The future is already here – it’s just not evenly distributed.

– William Gibson –

Examples

  1. Interactive products will merge different technologies seamlessly, and interact with the user, system or environment in many levels. This future window is cracked open by Anouk Wipprecht. Products like Spider Dress or Proximity Dress show how products can sense and react to data or different signals from the environmnent.
  2. Personal amplifiers will give new capabilities to people. Paralympian athletes already use 3D printed prosthetes and appliances to support with a given sport, for example to run faster with spring-like artifical legs. Exosceletons are used to help lifting heavy weights. When this opportunity develops to the next level, we will build products that give us strength, better senses or capabilites never seen before. In the future we may have bionic olympics that drive the development of personal amplifiers in the same ways as Formula 1 races drive the development of better cars.
  3. New vehicles. In 1950’s the dream of a flying car emerged. Now we start to have manned drones. There are many obstacles slowing down the wider adoption, such as manufacturing cost, safety, regulation and non-existing traffic management systems for these small manned vehicles. Putting obstacles aside, let’s just ask, is it doable to make low cost flying vehicle? The concept was presented by Janne Kyttänen in his vision about 3D printed manned drone. By using suitable materials and careful optimized design, the body of the vehicle can be 3D printed in few hours with a large format 3D printer. The rest is about putting electronics, motors and other components automatically in place.
3D printed manned drone. Model 3D printed by 3DStep. Design by Janne Kyttänen.

The making of functional products

The next generation products will be based on strong systemic view. It is not about having perfect components, optimized for specific features, such as cooling or minimizing materials, but about justifying the whole reason for a product the be realised. We can make optimized components for an airplane for saving weight, or we can design new categories of sustainable flying vehicles.

The next generation products will gracefully ignore the boundaries of sciences. Rich multidisciplinary knowledge is applied to achieve the goals, such as making technology products that react with biosignals and apply artificial intelligence to perform better in a certain social context.

We will master the whole spectrum of available materials. Already today 3D printers can use an unbelievable range of materials, from living cells to tailored metal alloys. New materials emerge practically every day with amazing features. Making of the next generation functional products is not about if there is suitable materials available, but being able to define which features we want want to have in the products.

Strategic guidelines

What steps we should take towards the next generation functional products?

Collaboration is the key. Now we simply need to take collaboration into new levels. This happens by global ventures, connecting individuals, teams and developers with the help of smart development platforms. Facilitating trust between stakeholders is a mandatory activity.

Maximize creativity and imagination. Development projects are often defined by business case or ROI. The are often justified, but to maximise creativity and innovation we need more value based motivators. We, as humans, get fundamentally motivated by other things than money, especially when we face the opportunity to create radically new.

Extreme multidisciplinarity. As mentioned earlier, we need to ignore the boundaries of sciences. Products and systems of the future use the best of what humans or nature have ever invented. A powerful way to guide the development is to establish global development funds that require connecting sciences in unexpected ways. In local level great examples are, for example, hacker and maker communities, such as biocurious.org, which are based on citizen science, curiousity and co-learning.

Lets’ make it.

Pekka Ketola, February 18, 2021

CEO 3DStep Oy & Ideascout Oy. Innovator. LinkedIn

Proximate manufacturing

Global business is increasingly about design and innovation and less about low cost. When speed-to-market and reacting to customer needs are valued, finding design and production facilities close to markets make sense.

In the past the digital technology revolution was about geographically dispersed production networks. In the future, digital technologies bring biggest value close to customers due to supply certainty, better interaction, higher customization and resource saving.

New technologies, such as #3dprinting and #robotics, facilitate the rise of proximate design and manufacturing. Global supply chains will have a role, but phenomena such as neo-nationalism, protectionism and global logistical disturbances trigger the rise of local supply chains and production close to prime urban locations.

Examples: Amazon & Whole Foods, Under Armour, Adidas, Nike & Flextronics.

Thanks @MariSako for great thinking! More ideas in: Technology Strategy and Management – Free Trade in a Digital World by Mari Sako, CACM 62,4 2019

11.3.2020

Why (the idea of) freedom of design matters?

People who don’t know too much think that with 3D printing you can create almost anything, and that there is complete freedom of design for practitioners. People who know too much tell us this is not true. Which point is more valuable?

I studied for my master’s thesis ~1990s. My major was computer science. Only at the end of the studies it became possible and economically feasible to have an own computer at home! At that time, nobody (except some visionary gurus) really believed that computers would one day be everywhere in our lives. But we had the emerging idea that something like that might happen.

In my first job as designer we were developing the first Nokia communicator with the idea that Internet would be in everybody’s pocket. Hah! We hardly had functional Internet on the planet. The idea of everybody having a mobile phone was crazy. Not to mention the possibility of having Internet in the mobile phone, available for online surfing everywhere. But we had the vision driving the development. Quite soon we sent the first ever email from a mobile phone.

Now and then we see phenoma that inspire global thinking in masses. 3D printing is such thinking platform! The sole idea of 3D printing may be more valuable than the technological reality today. It empowers millions of people to safely envision about the biggest opportunity of new level of manufacturing and products. To think about what might be possible, even when you don’t know enough about the technology. Dreaming is the most powerful innovation tool.

Thinking platforms are needed to collaboratively understand or dream of what might be possible, and then go for it. It is crucial to be able to safely and creatively produce knowledge about the possible future. It is motivating for all disciplines to set goals that seem to be impossible to reach even with sufficient resourcing. With great goals humans can achieve the impossible.

Disruptions have tendency to come unnoticed and quietly. And 3D printing is next on the line for global disruption. It generates a number of related opportunity avenues, such as materials innovation, logistics, business models and design methods.

It really doesn’t really matter if freedom of design is entirely true today. It matters that we have the inspiring possibility to think about the new design space and to develop wild ideas. Most of the dreams will realize at some point of the time.

Pekka Ketola Jan. 22nd, 2020

Local manufacturing and rapid products

This is short envisioning about local manufacturing and 3D printing. If you are in a city or industrial area, imagine drawing a circle of 100m diameter around your location. What are the activities taking place in the area? Look out from your window and simply list what you see.

There are probably offices, homes, shops, services, small and large businesses, bikes and cars, maybe kids playing. Everyday activities take place, such as renovating, maintaining, adjusting, breaking things, repairing, fixing, improving, problem solving and generating new ideas. There is continuous need for solutions to make life easier.

Local manufacturing is the concept of making products close to customers and users. The idea is not new. Thousands of years people have made all they need close to where they are using the available simple materials, and often asking help from the community.

Global competition and strive for efficiency has led to centralized and optimized manufacturing in bigger volumes and in places where the production is most efficient. Local manufacturing has not been the winning concept in recent decades. However, new era seems to be starting due to the demands for sustainability, circular economy and digitalization.

We have 3D printing solutions to design, manufacture and deliver all kinds of products, spare parts and components in less than 24 hours. This exists today, but it is not yet reality everywhere (as is the case with all future cracks). Do you know where is your nearest local service to have products or spare parts 3D printed?

What kind of 3D printed parts the local customers inside your 100m radius might need? For example at home:

  1. Spare parts to fix broken handles, toys, gadgets.
  2. Special tools to improve accessibility, health, safety or ergonony
  3. Affordable design objects to make things more personal or esthetic
  4. Special holders for lights, cables, bike appliances, etc
  5. Prototypes to support design drafting or ideation project
  6. Appliances for pets (dogs, cats, aquarium).
  7. Tools and parts for hobby, such as knitting or sports

lamppu.jpg

Figure: 3D printed table light. 3D printed with wood composite, plastic and metal. Design: Origo Engineering. 3D printing: 3DStep.

Rapid products

3D printing is ready for competitive local manufacturing and new business models. Faster technologies, better software and widening offering of materials are introduced every week. Maybe the concept for future is rapid product.  Today’s 24 hour delivery time will shrink to <1h deliveries with the help of smart design tools, very fast 3D printers, digital platforms and innovative delivery strategies.

What will be the extreme customer experience for rapid products in the future? It will be close to magic. It is simple. Almost like using a magic wand. You express your need or idea to the service (or the smart device has already told what’s needed). And sooner than you expect, the product is delivered to you with a robot or drone, by the girl next door, or as virtual product proposal into your smart device.

Business

Establishing local manufacturing business for rapid products and local manufacturing is not rocket science or huge investment. You can start the business from your couch with a laptop and with a 1000€ 3D printer. Finding the correct business model is the most tricky part. In the beginning the business will be based mostly based on small transactions of less than 50€. Developing value adding services that help the local community to learn and try the rapid product possibilities may be the fast track to increase the sales. Or maybe it is simply because of the speed of solving product problems.

The business can expand further, for example,

  • by scaling up your manufacturing capability with larger fleet of 3D printers ad other tools,
  • by digital service innovation and crowdsourcing design work.
  • by developing collaborative business with other local manufacturers for wider solutions offering,  and
  • by creating explicit value (concrete problem solving) or implicit value (customer experience) for your customers.

If you had 5000€ budget, what kind of local manufacturing service would you start?

Pekka Ketola, pekka.ketola@3dstep.fi

 

 

3D printing and the team skills

3D printing and the digital development processes will change the team dynamics and establish new ways to work. In this article I will discuss some of the emerging patterns.

  1. Collaboration. Collaborative design proposes that products are designed together with the users. Collaborative product or service development is not new concept. The idea is in the heart of established practises, such as user centered design, usability engineering and service design. 3D printing is based on the affordance that products can be designed and manufactured faster with personalized features. It makes sense to consider new kinds of collaborative teams where customers, end users and the engineering team work together to exploit the affordances and user input in full. When the design and manufacturing cycles are fast and flexible there is possibility to
    1. Create more design iterations.
    2. Make more product prototypes and variations without major cost or time impact.
    3. Develop the product with users and customers in fast development cycles.
  2. Prototyping. ”Prototypes are super expensive”. This is not (always) true with 3D printing. The step from CAD file to first concrete product is short. Making changes in the prototype or simulation is far less expensive than making changes in the final product. With 3D printed prototypes, it is often possible to make the first versions almost with zero cost using inexpensive FDM technology, before proceeding to the actual implementation and materials, such as titanium. The teams need to learn to apply active prototyping and maximise the support and experiences the prototypes can provide for design and customers. There is also the marketing aspect for using and showing the prototypes already in the early phases of the design process.
  3. Role of purchasing. All larger manufacturing companies have dedicated teams for purchasing stuff needed for the main business, such as components and materials. As purchasing manager, what do you buy when you buy 3D printed components or digital spare parts? The question is often about fast on-demand manufacturing, with customer specific twists in the products. The purchasing teams need to develop skills to play with additive manufacturing platforms and services, rather than buying, lets say 10 000 units of component X. Or is there a fast shortcut between product development teams and 3D printing services? Accordingly, 3D printing services need to figure out what are the new processes and connections needed to serve the big customers.
  4. New design processes. Sustainability, circular economy, recycling, on-demand parts and other emerging phenomena ask for better design and manufacturing processes, with new requirements coming from the society and customers. For example, how do you:
    1. Design for 3D printable spare parts (already in the original product)
    2. Design for recycling
    3. Design for personalization

The concept of product design need to raise to the new level, where designer solves also the problems and needs that will come at the end of the product lifecycle. This is rarely handled in contemporary product development.

Conclusion

3D printing is not only about technology, processes and materials. It is also about the new hard and soft skills and behaviours needed in teams. Collaborative product development or the idea of super active prototyping are competences that need to be exercised, piloted and tried out.

What do you think?

Pekka Ketola, CEO 3DStep Oy

3D printing and the customer insights. Case: Car Industry & spare parts

3D printing has opened wonderful opportunities for collaboration between customer and the company. This dialogue is useful and creates value for all. It is no wonder that companies like Local Motors, Volkswagen and Shapeways take community management and co-development with 3D printing seriously.

Car industry has found maybe the largest number of 3D printing applications. It has also managed to connect users, engineers and the industry in innovative ways. However, there are still untapped possibilities. I will discuss some examples of the new value generation and open horizons for industrial collaboration for better customer engagement.

1. Connect company with user insights

3D printing aggregators, such as Thingiverse, provide rich world for exploring do-it-yourself 3D-printables. People are solving their concrete needs with all kinds of tools and parts, such as GoPro camera holders, and sharing the results for others to use. Often the DIY part has features that are far better than the original from the manufacturer.

Manufacturing companies are following these online forums in order to get insights on the next products, understand needs that are related to the uses of their products, and also to identify talented designers and innovators.

Some companies are even smarter. They actively engage and invite online talents to join their development projects and design challenges, offering soft rewards like great community of co-developers, learning journeys and recognition, or tangible rewards. For example Local Motors has used online community for the development of the 3D printed cars.

dia11.png

2. Use community to develop better parts

Spare parts is a promising 3D printing application for car industry.  Mercedes Benz is starting the manufacturing of metal 3D printed on-demand spare parts for older trucks. The parts are manufactured from the digital models that either exist already or are reverse engineered from existing parts.

”Using additive manufacturing, the company was able to achieve parts with almost 100% density, greater purity than conventional die-cast aluminium parts, very high strength and thermal resistance – making the process particularly suitable for small batches of mechanically and thermally stressed components.” Source

17c550_02-1024x681

Mercedes Benz 3D printed spare parts. Source.

Also Daimler is developing 3D printed spare parts manufacturing, especially for plastic parts using SLS technology. The current offering covers more than150 on-demand parts.

Beyond brand specific solutions there are also companies offering spare parts for any applications. For example, Spare Parts 3D from Singapore offers a general spare part service for all and everywhere, mainly printed with plastics. The company’s mission is to digitalize the stocks. Also this service is based on the digital community. 3D printing service offices anywhere can join and become local service providers in Spare Parts 3D network. Target delivery time for spare parts is 24 hours.

pic-a

The promise and value is not only in the spare parts. Rapid manufacturing of car spare parts enables fast response to developing user needs and emerging product problems. For example, when the original spare part lacks a feature or tends to break in certain way, it can be re-designed and then printed without delays. The concept of better parts emerges. The customer gets better solution (maybe not CE approved, though) and the original manufacturer gets concrete proposals for improving the products. Of course, only if the manufacturer has a method for discussing and collaborating with the customers.

Case: Avant hydraulic block

Avant loaders are high quality machines for many kinds of jobs that require horsepower in compact and ergonomic form. The engine has hydraulic block of 2.9 kilograms with over 30 different parts. Finnish 3D printing company 3DStep re-designed the block for 3D printing, together with engineering company Enmac. Special attention was paid on the improved functionality and faster installation. The resulting part weights less than 400g:s and is made from one component. This part is a typical example of 3D printed better part. It is lighter, integrated and provides better functionality than the original.

avanttecno-machine      avant3d

3. Empower the engineers with 3D printing

Volkswagen has demonstrated that 3D printing can have crucial role in optimizing car design, manufacturing and maintenance. VW factory in Portugal makes over 100 000 cars every year. This factory is specialized in the manufacturing innovations related to new models.

image007_b353aq

The poka-yoke makes it possible to position and assemble screws without damaging the wheels. Source.

Desktop 3D printers were brought to help the design and manufacturing of new cars. During 2016 more than 1000 tools were 3D printed on-demand. Volkwagen reports major savings in making new tools (95%) and radically decreased manufacturing costs. The biggest shift was mental: taking the step from closed R&D environment to the use of open innovation culture.

4. Think about your 3D printing strategy

The global ecosystem of spare part catalogues, service providers and crowdsourced designers is forming right now. The open ecosystem will straightforwardly serve the customer and engineer needs rather than the company business strategy. From the company perspective, the business is shifting from dealing parts and logistics to dealing with copyrights and mastering the creative developer community.

3D printing is an opportunity to renew the company business, digitalize services and build cost-efficient solutions for logistics, maintenance and production. Any company working with cars, loaders, trucks and other vehicles needs to study the business opportunities and new avenues of competition for the next 1-3 years. 3D printing will change the car industry from village garages to manufacturing plants.

Take coffee and think:

  1. How your business could be improved with 3D printed parts and tools?
  2. How your customers could be co-developers?
  3. How you can try out 3D printing in your business?

exhibit00_the-future-of-spare-parts-is-3d670.jpg

Views on spare parts business. Source: Strategy&

– Pekka Ketola, CEO 3DStep –


 

3DStep is the scandinavian forerunner in 3D printing business. Our mission is to make 3D printing business as usual. 3DStep factory and innovation centre locate in Ylöjärvi, Finland.

3DStep provides all you need from idea generation to design, optimisation, prototypes, serial additive manufacturing (metals, plastics), training and strategy development. 3DStep is your trusted partner for spare parts and better parts.

3dstep7

 

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 

Reactions

Why people turn down the opportunity with 3D printing?

During the past year I have discussed with several industries and disciplines about the possibility to apply 3D printing technology in their activities in some form or another. I have been curious about the new opportunities and visions people create when they are faced with new technology, and also about the fears and sceptisism.

google 3dp

Metal 3D printed part

The discussions have taken place with people from manufacturing, construction, education, arts, making of musical instruments, bike builders, museums, designers, researchers, handcrafts, subcontracting, OEM, and many more.

In most cases the discussions and first reactions take similar paths: ”Our business is so conservative and traditional that I don’t see 3D printing coming into our activities in any way. The technology is far too expensive for us. And I believe, 3D printing is not mature enough or reliable for our business.” And they are right. This is of course the case when you come from a tradition and have established well-working and optimized practises.

Does this sound familiar? The experiences and encounters are more or less similar among all 3D printing evangelists and practitioners when they discuss with nonbelievers.

Simultaneously exploring the same industries and disciplines yields numerous examples and use cases how people already apply 3D printing in that specific application, industry, or discipline, and generate revenues with the new technology. The same observation emerges by looking at the industry forerunners and industry reports. 3D printing is applied in new areas and applications every day.

 

”No additive process (3D printing) can duplicate strength of the base material that could have been cast, moulded or machined from bar, let alone compete with the complex structures of composites” (Bike expert, 2013)

”First metal 3D printed bicycle frame”, ”Custom 3D printed titanium mountain bikes”, ”Robot Bike Company teams with AM experts on custom 3D printed bike frame”, ”Custom 3D Printed Carbon Fiber Bike Frame” (News titles on 3D printing and bikes, 2016)

What can we learn?

  • Forerunners do change the industry. Whatever business you think of, there is already somebody applying or exploring 3D printing. The number of these forerunners is overwhelming. And they seem to turn exploration and demonstrations into new businesses very quickly.
  • We are dealing with the phenomena of fast and slow thinking (Kahnemann). This is something deeply human which we can’t avoid. Fast thinking is automatic reaction that focuses on maintaining status quo and safety. It is often irrational and based on the incomplete, even conflicting, information that we have in the active memory. To my mind, forerunners are masters in slow thinking – combining and creating new information with deeper thought, and passing the phase of fast thinking without damage.
  • There are knowledge gaps. It is obvious that most of us don’t know enough about 3D printing and current status. And why should we? The technology is developing fast and it is really worksome to get proper information beyond the hype texts, successful demonstrations (forgetting the failed ones) and videos.
  • Consistency. It is interesting that the protective attitude against applying 3D printing is so similar across people and professions. Why guitar builders think that 3D printing will never come to their business? Why metal manufacturing company uses exactly the same words to turn down the opportunity?

 

3dvarius and classical

Classic violin and 3D-printed electric violin 3DVarius play together

The industrial renaissance and digitalisation, where 3D printing is one essential element, is a great task for all educators, knowledge generators and advocates. We all will be challenged by the new opportunities, the inefficiency of old practices and by the new business models and economy that have started to emerge.

We must think slow.

Pekka Ketola, June 12, 2016

3DSTEP & ideascout. www.3dstep.fi

 

Human spare parts, digitality and 3D printing

by Pekka Ketola (ideascout.fi) & Pauli Kuosmanen (digile.fi)

This blog was originally published March 13th 2015 in Digile activityblog.

This blog is available also in Finnish. Tämä blogi on luettavissa myös suomeksi.

The report of the Future Committee of the Finnish Parliament, “A Hundred New Opportunities for Finland“, introduces a large number of things that will affect health care in the form of virtualization, data processing and local manufacturing. These include:

  • open data, big data and self-organizing data
  • easy imaging of objects and computationally created images
  • freely organized remote work and organizations formed online, as well as
  • 3D printing.

This blog post will take a look at how development paths like these may affect the future of health care.

1. More knowledge – more suffering?

Online data banks, automatized data collection and data analysis enable applications that have never been possible before. Data is collected automatically every minute, and theoretically every little piece of data is connected to a larger whole. Data may then be utilized creatively for prediction, understanding complex processes and offering alternatives, for example.

Google in particular has amazed us with the multitude of ways in which data can be collected, analyzed and utilized in surprising ways. An example of this is analyzing Google search data to predict global influenza epidemics. In addition to being able to make global predictions based on the data, the same big data can be used for targeted purposes, such as user-specific advertising and finding personalized solutions. Perhaps in the future, the computer can warn you that you’re going to catch a flu next week. At the same time, you receive cheap offers for tissues and targeted drugs and a recommendation to postpone your holiday trip.

2. Smile – you’re on camera!

A human gets imaged at several stages during their life. The first pictures are taken during pregnancy at a maternity clinic. During childhood and after accidents, x-rays are used to map things like bones and teeth. Bodies are x-rayed at airport security checks. Detailed models of internal organs are created during various treatment procedures, such as computer tomography. There is already a small image library of each one of us.

The human image library is incomplete and fragmented into different data systems, but each image includes exact identification data about the person. If paleontologists are able to figure out the remaining parts of a dinosaur based on a femur, how much can we make out of a human’s exact structure based on the existing images and other data?

Would it be possible to start building a personal data bank of each person systematically, and could this be useful? Who could manage and utilize such a bank? Soldiers, for example, could be imaged and the images stored in a data bank so that limbs and bones lost in battle can be reconstructed, if necessary.

3. Biobanks & crowdsourcing

There are four licensed biobanks in Finland. Biobanks collect samples and data for future research and development projects. Any human data, such as x-rays, medical histories and genetic data may be stored in the same database.

A biobank, i.e. a database, will not create a complete image of a person. How can this incomplete data be utilized in an acute treatment situation, for example? The answer may lie in big data. A person’s own biobank will provide some of the required data. The missing data may be produced by analyzing similar situations and persons based on global data, and obviously data about close relatives.

It would be good to collect biobank data throughout a human’s lifespan. Long-term data produces scientific understanding of things like the growth of bones. The data may also be utilized, for instance, by being able to produce the right kind of 3D-printed prosthesis for a teenager who has lost their arm at regular intervals as they grow up. A similar concept is already being used to produce extracorporeal supporting structures.

If developed correctly, biobanks are the currency of the future. By utilizing data stored in them, we can save money in health care costs, predict treatment needs and develop new services.

4. Biodata is raw material for 3D printing

3D printing is based on 3D models. Models are created with computer assistance by hand, by imaging existing things, by customizing existing models or by automatically generating a model based on given criteria.

Automated design, image interpretation and computationally created images are already used in movies and video games, for example. Current artificial intelligence software is able to independently create algorithms, music and images. This type of software will probably be able to model an entire human, if given the femur as a starting point.

Several CAD modeling software already have built-in features that optimize a three-dimensional model for 3D printing. These software are also able to independently produce optimized shapes that conform to given design criteria regarding things like the amount, density or durability of the material. Biobanks contain digital data that can be converted into things like 3D models using the ideas described above. In other words, biobanks may be connected to printing quite directly.

Researchers are currently busy trying to find out what human organs can be produced by 3D printing. Bioprinting has already been used to produce heart valves, liver tissue, bone, kidneys, muscle cells and skin. In the future, biobanks will practically allow the production of human spare parts.

5. Conclusion

Medical applications are one of the greatest potentials for business related to 3D printing. Bone and tooth implants are already routinely produced by the 3D printing of titanium and ceramics. Gradually and inevitably, bioprinting will move from research labs to practice and ever deeper under the skin!

It would make sense to start a systematic and national collection of biodata by using existing methods, combining data from different sources and building an architecture that allows medical production of human spare parts in the future. As a technology, the routine printing of human muscles and organs is still a dream that is many years away, but we can start preparing for it already by collecting a unique database about our people. Combining genetic and other biobank data to the bank described here will create an enormous amount of new possibilities. The necessary know-how, whether it’s data processing, imaging or research into human spare parts, is something we have already.

Finland has great opportunities to become a leading country in biobanks and bioprinting.

3D-tulostus luo uutta teollisuutta Pirkanmaalle

Kirjoitus on julkaistu Aamulehdessä 2.10.2014

3D-tulostuksen teollinen hyödyntäminen etenee laajamittaisesti. Tehokkaita metallitulostukseen keskittyviä palvelukeskuksia nousee parhaillaan Eurooppaan, Pohjois-Amerikkaan ja Aasiaan.

Konkreettista liiketoimintaa ja uuteen osaamiseen pohjautuvaa uutta työtä syntyy nopeasti. Kyseessä on maailmaa vauhdikkaasti muuttava megatrendi, jonka äärelle ryntäävät parhaillaan tutkijat, teollisuuden suuret toimijat, pk-yritykset, kokeilijat, keksijät, oppilaitokset ja yhteisöt.

Pohjois-Amerikassa kehitystä vauhdittava National Additive Manufacturing Innovation Institute kokoaa yhteen teollisuusyritykset, yliopistot ja suuren joukon muita organisaatioita. Kiina on käynnistänyt jättihankkeen, joka tuottaa kymmenen 3D-tulostuksen osaamiskeskusta. Etelä-Koreassa on meneillään laajoja 3D-tulostukseen liittyviä teknologisia ja yhteiskunnallisia kehityshankkeita. Pohjois-Euroopassa on syntynyt useita merkittäviä 3D-tulostuksen valmistuskeskuksia, muun muassa tuhannen työntekijän Materialise Belgiassa. Tavoitteena näissä hankkeissa on muuntaa valmistava teollisuus uuteen aikakauteen, teollisuuden renessanssiin.

Aika toimia!

Pirkanmaan liiton ja Avoin Tampere -hankkeen selvityksessä todettiin, että nyt on aika toimia myös Pirkanmaalla. Perusteet menetelmän laajamittaiselle hyödyntämiselle ovat olemassa. Kaikki tarvittava osaaminen ja motivaatio ovat olemassa yrityksissä, yhteisöissä, tutkimuslaitoksissa ja oppilaitoksissa. Teknologiat ovat riittävän kypsiä teolliseen hyödyntämiseen. Yhdeksän kymmenestä pirkanmaalaisesta metallialan toimijasta uskoo, että 3D-tulostus muuttaa omaa liiketoimintaa kahden vuoden kuluessa.

Menetelmä on universaali ja skaalautuva. Sitä hyödynnetään sujuvasti muun muassa lääketieteessä, talonrakennuksessa, autojen massatuotannossa, varaosapalveluissa, ruoanvalmistuksessa, museotoiminnassa ja design-esineiden valmistuksessa. Uusia liiketoimintaa luovia sovelluksia ja menetelmiä raportoidaan päivittäin.

Pirkanmaalaisen valmistavan teollisuuden erityispiirteitä ovat muun muassa pienet tuotantosarjat ja asiakaskohtainen räätälöinti. 3D-tulostuksen voima tulee esiin erityisesti juuri tämänkaltaisessa toiminnassa. Alueella on jo muutamia yrityksiä, joiden koko liiketoiminta perustuu 3D-tulostukseen. Myös pirkanmaalaiset oppilaitokset valmistautuvat aktiivisesti alan osaajien kouluttamiseen ja sovellusvalmiuksien luomiseen.

Innostuneimmat kehittäjät ja soveltajat löytyvät yhteisöistä. Kesäkuun Opi ja Oivalla -tapaamiseen Kangasalle kokoontui yli 60 3D-tulostuksen kehittäjää. Tapahtumassa syntyi toimintaryhmiä, jotka toimivat ja kokoontuvat omaehtoisesti esimerkiksi kehittämään uusia prototyyppejä. Verkossa toimiva E-Nable -yhteisö kehittää toimivia 3D-tulostettuja proteeseja, joilla voidaan auttaa nopeasti ja taloudellisesti muun muassa vammaisia lapsia ja korvata amputoituja raajoja.

Ehdotus

Pirkanmaalla on mahdollisuus nousta teollisen 3D-tulostuksen mahdollistaman liiketoiminnan edelläkävijäksi. Ehdotamme, että alueelle luodaan pohjoiseurooppalaiseen teollisuuteen tiukasti kytkeytyvä Skandinavian johtava osaamis- ja tuotantokeskus, jonka piirissä ovat tutkimus, kehitys, opetus, pk-yritysten palvelutoiminnot ja teollisuuden tarpeiden täyttäminen.

Millainen osaamiskeskus voisi olla ja ketä se voisi palvella? Osaamiskeskuksen toiminnassa on otettava huomioon erilaiset toimijat ja toimialueet laaja-alaisesti. Teollisuuden tarpeisiin (tutkimus, tuotekehitys ja tuotanto) on kehitettävä järeitä mutta joustavia ja monipuolisia palveluita. Pk-yritysten piensarjojen prototypointi-, kehitys- ja tuotantotarpeisiin voidaan vastata tarjoamalla ketteriä ja edullisia tuotantoympäristöjä. Yksittäiset toimijat, harrastajat, yhteisöt ja mikroyritykset tarvitsevat usein pelkän toimintaympäristön, jossa voivat itse toimia. Pohjoisamerikkalainen TechShop -toimintamalli tarjoaa täydellisen esimerkin tällaisen ympäristön toteutuksesta.

3D-tulostus on lähes päivittäin erilaisten julkaisujen otsikoissa. Menetelmään suhtaudutaan kuitenkin edelleen epäilevästi. Asiaa voidaan katsoa tutkijan silmin ja todeta, että vielä on paljon parannettavaa ja keskeneräistä – hötkyily ei kannata. Tai sitten voidaan toimia innostuneesti ja innovatiivisesti hyödyntäen menetelmän tarjoamat liiketoimintamahdollisuudet, kuten monet yritykset ovat jo tehneet.

Uutta työtä ja liiketoimintaa luova mahdollisuus on tarjolla aivan silmiemme edessä. Mahdollisuus voidaan hyödyntää yhteisellä visiolla, älykkäällä yhteistoiminnalla ja konkreettisilla rahoituspäätöksillä. 3D-tulostus on jo tämän päivän mahdollisuus.

Pekka Ketola & Petri Pitkänen

Ideascoutin Ketola ja Pitkänen ovat pirkanmaalaisia 3D-tulostuksen aktivaattoreita ja Tredean 3D Pirkanmaa -hankkeen vetäjiä.