3D-tulostus puukomposiittituotteiden valmistuksessa

3D-tulostuksessa rajana on vain mielikuvitus

Puukomposiitin 3D-tulostus mahdollistaa tuoteinnovaatiot ja skaalautuvat liiketoimintamahdollisuudet suurikokoisten yksilöllisten tuotteiden valmistukseen. Menetelmä tarjoaa myös ainutlaatuisen mahdollisuuden biomimiikan ja taiteen hyödyntämiseen tuotteiden rakenteissa. 3D-tulostusteknologian hyödyntämisen rajoitteena on ainoastaan mielikuvitus. Valmistuksessa käytettävän materiaalin ja syntyvän jätteen määrä voidaan minimoida. 3D-tulostettu puukomposiitti on erinomaisesti kierrätettävissä myös käytön jälkeen.  Porin asuntomessuille useiden yritysten yhteistyönä valmistettu Lehtisilta mallinnettiin skannaamalla rauduskoivun lehdestä digitaalinen malli, jonka mukaisesti silta 3D-tulostettiin UPM Formi 3D -biokomposiitista.

Kuinka se konkreettisesti toimii

Lehtisillan suunnittelu toteutettiin monialaisena yhteistyönä, jossa oli mukana 3D-tulostuksen teknologiaosaamista, robotiikkaosaamista, siltasuunnittelua, taitelijoita, materiaalikehittäjiä, sekä puurakenteiden liiketoimintaosaamista. Taiteilijoiden osuus suunnittelussa oli poikkeuksellisen merkittävä, koska he toivat suunnitteluun biomimiikan ja siihen liittyvät muotoiluoivallukset. Suunnittelun konkreettisena tuloksena olivat 3D-mallit. 3D-mallien avulla toteutettiin tietokonepohjaisia simulointeja ja testejä mm. valmistettavuuden ja kantavuuden varmistamiseksi.

3D-tulostus on tunnettu tekniikka. Sitä voidaan soveltaa laajasti eri käyttökohteisiin ja eri materiaaleihin. Tulostusmateriaaliksi valittiin UPM:n kehittämä Formi 3D -puukomposiitti. Kilpailutyö toteutettiin tavalliseen teollisuusrobottiin asennetulla 3D-tulostusteknologialla. Ensin valmistettiin komponentteja erilaisia testejä varten, jonka jälkeen 3D-malleja kehitettiin ja muokattiin testien perusteella. Varsinainen silta tulostettiin puukomposiitista riskin minimoimiseksi useassa osassa. Sillan tulostaminen yhtenä tulosteena on kuitenkin nykyisin mahdollista. Lopuksi silta maalattiin vastaamaan väreiltään alkuperäistä rauduskoivun lehteä kaikkine yksityiskohtineen. Silta oli esillä yhden kesän Porin asuntomessuilla, jossa kerättiin käyttäjäpalautetta, sekä testattiin rakenteiden kestävyyttä suomalaisissa sääolosuhteissa.

Taloudelliset mahdollisuudet ja laajempi yhteiskunnallinen merkitys

3D-tulostetut, luontoa jäljittelevät puurakenteet tarjoavat aivan uusia ja kansainvälisesti skaalautuvia liiketoimintamahdollisuuksia lukuisille sovellusalueille. Työ osoittaa, että teknologia ei ole enää rajoitteena, vaan toteuttajien mielikuvitus. Työssä toteutui radikaalisti uudenlainen tapa suunnitella ja toteuttaa puutuotteita erilaisiin tarkoituksiin. Erityisesti biomimiikan hyödyntäminen tarjoaa esimerkin aiemmin hyödyntämättömistä mahdollisuuksista esim. kalusteissa, rakenteissa, sisustusratkaisuissa, käyttöesineissä, jne.

Biomimiikan toteuttaminen puutuotteissa on aiemmilla menetelmillä erittäin kallista ja hidasta. Esimerkiksi kyseisen sillan toteutus veisi puusepältä jopa viikkoja. Robotilla 3D-tulostamalla sillan valmistusaika on n. 5 tuntia. Teollisuusrobotteja on yleisesti kaikkialla. Periaatteessa lähes jokainen niistä on kyvykäs toimimaan myös 3D-tulostimena sopivilla lisäkomponenteilla. Teollisuusrobotti maksaa n. 20 % laadukkaan teollisuus-3D-tulostimen hinnasta. Robottipohjainen puumateriaalien 3D-tulostus on siis mahdollista skaalata laajasti ja kustannustehokkaasti sinne, missä asiakkaat ovat.

Kun tehdään täysin uusia asioita, parhaat osaajat (ja ideat) ovat aina muualla. Aidon yhteissuunnittelun toteutus organisaatiorajoista välittämättä tarjoaa digitaalisesti verkottuneessa maailmassa rajattomia mahdollisuuksia oikeiden osaajien yhteen saattamiseen ja upeiden tuotteiden tekemiseen. Käytössä voi siis olla maailman parhaat kehittäjät, kun kehitystyö organisoidaan innovatiivisesti. Samalla luodaan uusia ansaintamahdollisuuksia eri alojen osaajille. Tätä mahdollisuutta ei osata vielä kovin hyvin hyödyntää.

Muita tietoja

Kilpailutyön organisoijana ja päävastuullisena kehittäjänä toimi teollisen 3D-tulostuksen palveluntarjoaja ja innovaattoriyhtiö 3DStep Oy. Projektin johtajana toimi toimitusjohtaja FT Pekka Ketola. Projektin mahdollisti useiden organisaatioiden samanaikainen ja samaan tavoitteeseen sitoutunut kehitysryhmä:

  • Suunnittelukide Oy vastasi siltasuunnittelun erikoisosaamisesta
  • UPM toi projektiin Formi 3D-materiaalin ja siihen liittyvän erikoisosaamisen
  • ROP Taiteilijat vastasi sillan muotoilusta, biomimiikasta ja pointillismista
  • Simons Talot Oy toimi projektin liiketoimintainnovaattorina
  • TAMK toteutti 3D-tulostustekniikan teollisuusrobottiin ja vastasi varsinaisesta 3D-tulostuksesta ja
  • Business Finland oli mukana projektin innovaatiorahoituksessa.

Projektin jälkeen aiheen parissa ovat työskennelleet useat oppilaitokset ja tutkimusorganisaatiot kehittäen ratkaisuja menetelmän viimeistelyyn kaupallista käyttöä varten. Muutamia kaupallisia valmistuspalveluita on syntynyt, mm. huonekalualalle. 3DStep Oy hyödyntää puun 3D-tulostusta jatkuvasti pienimuotoisemmissa töissä.

Suurten puurakenteiden 3D-tulostus ja erityisesti biomimiikan hyödyntäminen on innovaatiokäyrällä vielä alkuvaiheessa, jossa edelläkävijät löytävät hyödyntämistapoja. Kaupallisiin menestyksiin ja menetelmän valtavirtaistumiseen kuluu vielä 2-4 vuotta.

Lue lisää: www.3dstep.fi