|
|
|
Hankekoodi: A77619
Hankkeen nimi: Keraamien tulostus
Toimintalinja: 2. Uusimman tiedon ja osaamisen tuottaminen ja hyödyntäminen
Erityistavoite: 4.1. Tutkimus-, osaamis- ja innovaatiokeskittymien kehittäminen alueellisten vahvuuksien pohjalta
Suunnitelman mukainen toteutusaika: Alkaa 1.6.2021 ja päättyy 30.4.2023
Toiminnan tila: Toiminta päättynyt
Vastuuviranomainen: Pirkanmaan liitto
Hakijan virallinen nimi: Tampereen korkeakoulusäätiö sr
Organisaatiotyyppi: Yliopisto
Y-tunnus: 2844561-8
Jakeluosoite: Korkeakoulunkatu 6
Puhelinnumero: 0408490191
Postinumero: 33014
Postitoimipaikka: Tampereen yliopisto
WWW-osoite: http://www.tuni.fi
Hankkeen yhteyshenkilön nimi: Vihinen Jorma Juhani
Yhteyshenkilön asema hakijaorganisaatiossa: Tutkimuspäällikkö
Yhteyshenkilön sähköpostisoite: jorma.vihinen(at)tuni.fi
Yhteyshenkilön puhelinnumero: 04055567874
Hakijoiden lukumäärä tai tuen siirto -menettely:
Hankkeessa otetaan käyttöön uutta teknologiaa yhdessä yritysten kanssa siten, että sideaineen suihkutus -menetelmään perustuva tulostusteknologia saadaan nopeasti tutuksi ja käyttöön keraamisten 3D-kappaleiden valmistuksessa. Hankkeen avulla teollisuuden valmiudet paranevat suunnitella, valmistaa ja käyttää 3D-tulostettuja keraamikappaleita. Hankkeessa tavoitellaan yhteistyötä 20 yrityksen kanssa.
Polymeerien ja erityisesti metallien 3D-tulostus on lisääntynyt voimakkaasti viime vuosina. Teknologia on mahdollistanut muotoilun vapauden ja lisännyt mahdollisuuksia suunnitella kappaleet toiminnallisuuden ei niinkään valmistettavuuden mukaan. Samalla teknologian tuottavuus on parantunut ja se on entistä perinteisiin tuotantomenetelmiin nähden jopa sarjatuotannossa. Keraamien 3D-tulostukselle on nähtävissä samanlainen kehityspolku kuin metallien 3D-tulostuksellakin. 3D-tulostettujen keraamikappaleiden valmistukseen on jo tarjolla paljon erilaisia laitteita, mutta keraamisten raaka-aineiden erityisominaisuudet ja tulostusten jälkeiset käsittelyt tekevät kappaleiden valmistuksen haasteellisemmaksi kuin polymeeri- ja metallimateriaaleilla.
Hankkeessa käytetään "Investointi keraamien tulostuksen sideaineen suihkutus -menetelmään" -hankkeessa (hakemusnumero 309403) hankittua laitetta. Hankkeen toimenpiteiden perusajatus on, että uutta teknologiaa viedään mahdollisimman nopeasti yrityksiin. Laitteen käyttöönoton jälkeen yritysten kanssa ollaan konkreettisesti laitteen kanssa tulostamassa. Yritysten kanssa käydään useita iteraatiokierroksia, joissa tietämys lisääntyy kierros kierroksella. Kierrosten välissä kootaan kokemuksia yhteen ja jaetaan niitä työpajojen välityksellä. Tulokset ja raportit ovat julkisia. Lopuksi viiden yrityksen kanssa suunnitellaan ja valmistetaan kappaleita niiden tarpeisiin. Tämä on de minimis -toimintaa.
Hankkeella mahdollistetaan uusien materiaalien ja rakenteiden nopea tekninen demonstrointi sekä ideoiden teollisen tuotannon testaus. Hankkeella saadaan aikaan merkittävä lisäys keraamien 3D-tulostustekniikoihin Suomessa. Se auttaa kansainvälistymiseen 3D-tulostustekniikan alueella. Kansainvälistä projektitoimintaa pystytään aktivoimaan ajanmukaisen toimintaympäristön avulla. TAU:n tavoitteena on käyttää laitteistoja hankkeen aikana ja sen jälkeen yliopiston ja yritysten välisen TKI-toiminnan tiivistämiseen. Näitä toimintoja on kuitenkin alle 10 % laitteen kokonaiskäytöstä, sillä yliopiston tutkimuksen pääsuunta on julkisiin kansallisiin ja kansainvälisiin projekteihin. Nämä projektit ovat yleishyödyllisiä ja niistä raportoidaan seminaareissa, konferensseissa ja julkaisuissa. Lisäksi laitetta käytetään yliopistoyhteisön tutkimusryhmien välisissä toimissa.
Hankkeen kohderyhmä on suomalaisen kone- ja metallituoteteollisuuden tuotantoverkoston suunnittelu- ja alihankintapalveluja tuottavat yritykset. Kone- ja metallituoteteollisuuden asiakasaloista energiaklusteri (esim. Wärtsilä, Fortum), metsäklusteri (esim. Valmet, Andriz, Raute, Metso), elektroniikkateollisuus ja instrumenttiteollisuus (esim. Vaisala, Murata) on tunnistettu potentiaalisiksi kohteiksi keraamikappaleiden soveltajiksi.
Suomalaiselle teollisuudelle on tyypillistä, että on muutamia suuria yrityksiä, jotka valmistavat tuotteitaan suuren alihankintaverkon avustamina. Alihankkijoilla ei ole omia tuotteita, vaan tuotteet valmistetaan päähankkijan piirustusten mukaan. Siksi on tärkeää, että uutta teknologiaa edistävässä hankkeessa on osapuolia kattavasti koko verkostosta. Tuotteen omistajalle tulee tietoa uusista valmistusmahdollisuuksista ja voivat ottaa ne huomioon tuotekehityksessä. Samanaikaisesti alihankintayritykset saavat saman informaation ja voivat reagoida nopeammin tuleviin tuotemuutoksiin.
Hankkeen kohderyhmän toimialat on vaikea määrittää selkeästi. Kohteet, joihin 3D-tulostettuja keraamikappaleita käytetään, ovat yleensä osa suurempaa kokonaisuutta. Niissä haetaan parannusta esim. lämmönkestävyyteen, sähköeristyksiin, kemikaalien ja kulutuksen kestoon. Tällaisia kohteita voi olla minkä tahansa toimialan laitteissa. Hankkeella on muutamia tukikirjeitä, joista tulee sama asia esiin. Alla tukikirjeitä lähettäneitä tahoja:
FAME (Finnish Additive Manufacturing Ecosystem) edustaa joukkoa yrityksiä, jotka haluavat edistää 3D-tulostusteknologiaa. FAME:lta on tullut tukikirje, jossa hankkeen tavoitteita pidetään tärkeinä. Alla on FAME:n yritykset jaoteltu kohderyhmittäin:
- konepajat: Andridz Savonlinna Works, Lillbacka Powerco/Finn-Power, Patria, Raute, Valmet, Wärtsilä
- rakennusteollisuus: VILPE
- sopimusvalmistajat: SME Elektro-Group
- suunnittelutoimistot: CITEC, Elomatic, Etteplan, Huld
- 3D-tulostuspalvelun tarjoajat: 3D Formtech, 3D-Step, Delva, Origo Engineering
- asiantuntijapalvelut: AirFaas, DBE Core, Nordic Industries, SelectAM
- 3D-tulostinlaitevalmistajat ja laitteiden edustajat: EOS Finland, Minifactory, Vossi
Tukikirje on tullut myös seuraavilta yrityksiltä:
- Millidyne, materiaaleihin ja pinnoitteisiin erikoistunut yritys
- ColloidTek, analytiikkalaitteistoja teollisuudelle kehittävä ja tekevä yritys
- Pulsedeon, energiateknologiaratkaisuja kehittävä yritys
- Wisematic, automaatio- ja robotiikka-alan yritys
FAME:n ja yrityksiltä tulleiden tukikirjeidenkin perusteella nähdään, että muutaman ”veturiyrityksen” vanavedessä on suuri joukko alihankintayrityksiä, joko suunnittelemassa, valmistamassa tai muita asiantuntijapalveluita tarjoavia yrityksiä. Tämä on se joukko, joka on hankkeen potentiaalisin kohderyhmä. Pirkanmaalla toimivia yrityksiä ovat: Patria, Valmet, Elomatic, Etteplan, 3D-Step, Vossi, Millidyne, ColloidTek, Pulsedeon ja Wisematic.
TAU on tehnyt pitkään yhteistyötä Pirkanmaan eri oppilaitosten kanssa 3D-tulostuksen laitehankinnoissa ja koulutushankkeissa. Tämä laitehankinta tukee aiemmin hankittujen laitteiden kokonaisuutta. Yhteistyö merkitsee myös kaikkien pirkanmaalaisten oppilaitosten opetushenkilöstön tutustuttamista uuteen laitteeseen ja teknologiaan. Yhteistyötä on myös FAMEn kanssa, joka on uusi toimija 3D-tulostuksen alueella. Finnish Additive Manufacturing Ecosystem (FAME) on innovatiivinen teollinen ekosysteemi, joka edistää suomalaisen 3D-tulostuksen roolia ja tuo yhteen suomalaisia toimijoita lisäävän valmistuksen alalla. Toimijoita ekosysteemissä on tällä hetkellä noin 20 yritystä. FAME-ekosysteemin toimijat uskovat voivansa merkittävästi myötävaikuttaa maailmanlaajuisesti AM:n suunnittelemien ja valmistettujen tuotteiden ja tuotantojärjestelmien markkinoihin.
Myönnetty EU- ja valtion rahoitus: 102 183
Toteutunut EU- ja valtion rahoitus: 83 722
Suunniteltu julkinen rahoitus yhteensä: 127 731
Toteutunut julkinen rahoitus yhteensä: 104 654
Hankkeen toiminta on valtakunnallista
Jakeluosoite: Korkeakoulunkatu 6
Postinumero: 33720
Postitoimipaikka: Tampere
Suunniteltu: 0, joihin työllistyvät naiset 0
Toteutunut seurantatietojen mukaan: 0.00, joihin työllistyvät naiset 0.00
Suunniteltu: 0, joista naisten perustamia 0
Toteutunut seurantatietojen mukaan: 0.00, joista naisten perustamia 0.00
| Välitön | Välillinen | |
| Ekologinen kestävyys | ||
| Luonnonvarojen käytön kestävyys | 4 | 6 |
| Materiaalia käytetään vain tarpeen mukaan. Kappaleista voidaan tehdä kevyempiä ja kestävämpiä, jolloin käytön myötä ekologinen kestävyys on parempi perinteisiin menetelmiin nähden. Sovelluskohteina ovat kiertotalouden, energia- ja ympäristötekniikan sovellukset. | ||
| Ilmastonmuutoksen aiheuttamien riskien vähentäminen | 0 | 3 |
| Keraamiset kappaleet ovat kestäviä ja niillä voidaan korvat metallista valmistettuja kappaleita, joiden käyttöikä on huomattavasti lyhyempi. Tulostamalla raaka-aineiden käyttö on tehokkaampaa perinteisiin menetelmiin verrattuna. | ||
| Kasvillisuus, eliöt ja luonnon monimuotoisuus | 0 | 0 |
| Pinta- ja pohjavedet, maaperä sekä ilma (ja kasvihuonekaasujen väheneminen) | 0 | 0 |
| Natura 2000 -ohjelman kohteet | 0 | 0 |
| Taloudellinen kestävyys | ||
| Materiaalit ja jätteet | 5 | 4 |
| Jätettä syntyy vähemmän perinteiseen materiaalia poistavaan menetelmään nähden. | ||
| Uusiutuvien energialähteiden käyttö | 0 | 0 |
| Paikallisen elinkeinorakenteen kestävä kehittäminen | 5 | 5 |
| Valmistusta voidaan tuoda takaisin ulkomailta. Uusi teknologia mahdollistaa uuden tyyppisten yritysten syntymisen. | ||
| Aineettomien tuotteiden ja palvelujen kehittäminen | 4 | 5 |
| Tuotteiden muotoilu on vapaampaa kuin perinteisillä valmistusmenetelmillä. Toiminnallisten keraamien poikkeuksellisten ominaisuuksien tehokas hyödyntäminen; katalyysi, ionijohtavuus, adsorptio/desorptio ja optiset/sähköiset/magneettiset ominaisuudet kuten valosähköinen konversio. | ||
| Liikkuminen ja logistiikka | 4 | 5 |
| Materiaalia täytyy liikuttaa vain jauheina ja sideaineena Puolivalmiiden tuotteiden siirtely vähenee. Uusia palvelumalleja kehitetään. | ||
| Sosiaalinen ja kulttuurinen kestävyys sekä yhdenvertaisuus | ||
| Hyvinvoinnin edistäminen | 0 | 5 |
| Hankkeella edistetään kokemusperäisen tiedon saatavuutta keraamien tulostuksesta ja samalla parannetaan yritysten kilpailukykyä. Keraamisia osia voidaan tehdä joustavasti mm. ihmisten varaosat, harrastusvälineiden osat (pyörät, rullaluistimet, kalastusvälineet) Taide-esineiden tekeminen on yksi mahdollisuus tälle menetelmälle, vaikka se ei ole tämän hankkeen tavoite | ||
| Tasa-arvon edistäminen | 0 | 0 |
| Yhteiskunnallinen ja kulttuurinen yhdenvertaisuus | 0 | 0 |
| Kulttuuriympäristö | 0 | 0 |
| Ympäristöosaaminen | 0 | 4 |
| Tietoisuus keraamien käytöstä lisääntyy ja sillä voidaan korvata käyttökohteessa vähemmän kestäviä materiaaleja. Huokoisia keraameja käytetään suodattamaan epäpuhtauksia. 3D-tulosteiden avulla voidaan tehdä pienempiä ja tehokkaampia suodattimia (vedenpuhdistus, katalysaattorit). Yksi menetelmän sovellusalue on energiasovellukset (esim. akut, polttokennot, korkean lämpötilan tehokkaammat prosessit). | ||
TAU:lla on usealta vuodelta kokemusta valokovetus altaassa -menetelmällä tehdyistä keraamisista 3D-tulosteista. Sillä menetelmällä on rajoituksensa ja siksi keraamisten tulosteiden tekemistä haluttiin laajentaa niin materiaalien kuin kappalekokojenkin suhteen. Sideaineen suihkutus -menetelmä tarjoaa mahdollisuuden laajempaan materiaalikirjoon ja se on paremmin skaalattavissa isoillekin kappaleille. Hankkeen ja sitä tukevan investointihankkeen avulla menetelmä otettiin käyttöön ja sitä esiteltiin yrityksille ja yhteisöille.
Hankkeeseen kuului olennaisena osana uuden laitteen hankinta ja se osoittautui pidemmäksi prosessiksi kuin hankesuunnitelmassa oli ajateltu. Hankinta venyi 6 kuukautta pidemmäksi kuin oli suunniteltu ja se vaikutti hankkeen toteutukseen. Hankittu laite on pienehkö (tulostusalue 160 x 65 x 65 mm) ja sillä voi periaatteessa tulostaa sekä metalleja että keraameja. Laite on varustettu tulostamaan keraameja ja sideaineena hankkeessa käytettiin fenolipohjaista sideainetta. Jauhemateriaalin partikkelikoko voi pienimmillään olla 2 mikrometriä, tosin näin pientä keskijakaumaan ei käytetty hankkeen aikana.
Hankkeen aikana yrityksiä tutustutettiin keraamien 3D-tulostukseen käyttäen tätä sideaineen suihkutus -menetelmää, samalla kuitenkin pystyttiin vertaaman tämän tulostimen ominaisuuksia ja mahdollisuuksia pidempään käytössä olleeseen valokovetus altaassa -menetelmän laitteeseen. Materiaaleina käytettiin useita eri partikkelijakaumaa ja morfologiaa olevia alumiinioksidijauheita sekä kahta eri partikkelijakaumalla olevia murskattua piikarbidia.
Alumiinioksidikappaleiden kanssa saatiin hyvin kokemusta eri jauheiden käyttäytymisestä tulostuksessa. Sintratut kappaleet jäivät huokoisiksi kuten oletettiinkin partikkelikoon vuoksi. Huokoisten alumiinioksidista ehtyjen lopputuotteiden tulostamiseen menetelmä sopii hyvin ilman suurempaa jälkiprosessointia.
Piikarbidi oli yrityksille ehkä mielenkiintoisempi materiaali, koska siitä on mahdollista saada täysin tiiviitä kappaleita esim. reaktiosintrauksen avulla. Tulostamalla kappaleet jäävät huokoisiksi, mutta niihin lisätään tulostusprosessin jälkeen ylimääräistä hiiltä. Hiilen lisäykseen on useita menelmiä. Tulostettu kappale lisähiilineen laitetaan sintrausuuniin piin kanssa, joka imeytyy sulatilassa kappaleen huokosiin kapillaarisesti ja reagoi ylimääräisen hiilen kanssa muodostaen sekundääristä piikarbidia.
Hankesuunnitelmassa oli kuvattu varsin suoraviivaisesti, että tulostuksen jälkeen tuleva jälkiprosessointi on suoraviivaista. Sitä se onkin oksidikeraameilla ja siitä TAU:lla on paljon kokemusta. Karbidikeraamien osalta asia oli huomattavasti monimutkaisempi kuten edellisessä kappaleessa on selitetty. Tämän asian selvittäminen ja tutkiminen ei valmistunut hankeajan puitteissa, mutta sitä jatkemaan muulla rahoituksella.
Laitehankinnan viivästyminen ja tulostusten jälkeinen prosessointi siten, että saadaan esiteltyä yrityksille tiiviitä keraamikappaleita vaikutti yritysten osallistumiseen. Suunnitelmassa kuvattuihin yritysmääriin ei päästy. Tulostusteknisesti tavoitteet saavutettiin, mutta tulosteiden jälkiprosessoinnin monimutkaisuus tuli osin yllätyksenä.