Företag tror på en utskriven framtid

– Visst är det en jävla intressant bransch. Aldrig tidigare under min karriär har kunderna varit så intresserade av våra tjänster som nu när 3D-printningen kommit in i bilden, säger Pentti Eklund på VTT. Han visar upp en drygt ett kilo tung cylinder av metall: innan den fick sin nuvarande form var den en hög med metallpulver.

Den har kallats för den tredje industriella revolutionen: efter James Watts ångmaskin och Henry Fords löpande band har en del visionärer sett den digitala tillverkningen som den senaste riktigt stora omvälvningen inom industrin. Med digital tillverkning menar man vanligen friformsframställning, mer allmänt känt som 3D-utskrivning, och de tekniker och metoder som är relaterade till den.

Pentti Eklund är ledande forskare på teamet för avancerade tillverkningsmetoder på forskningscentralen VTT. Han säger att friformsframställningen definitivt är något som kan främja den finländska industrins konkurrenskraft.

– I nuläget är många finländska företag mycket intresserade av tekniken. Men det har krävts en del missionärsarbete för att få dem att inse möjligheterna.

PRINTERKAMMAREN. Här byggs metallföremålen upp lager på alger. Med VTT:s 3D-printer kan man i princip skriva ut föremål i alla metaller som kan svetsas. Men en del metallegeringar är lättare att skriva ut än andra. Att utveckla pulver med olika sammansättningar är en del av VTT:s verksamhet. Bild: Kristoffer Åberg

Eklund anser att det inledningsvis svala intresset berodde på de relativt förmånliga 3D-skrivarna för konsumentbruk som lanserades för ett antal år sedan.

– Med dem kunde man skriva ut mobiltelefonskal, askar och andra småprylar i plast. Printrarna fick mycket uppmärksamhet i medierna och jag tror att man på många företag såg 3D-printrarna som leksaker för de tekniskt intresserade. Men 3D printrar riktade till konsumenter och de som är gjorda för industriellt bruk är två helt olika saker.

Plast in, plast ut

Friformsframställning eller 3D-printing är en tillverkningsmetod där ett tredimensionellt föremål byggs upp lager för lager utifrån en 3D-modell skapad med dator. Men tekniken och materialen som används för att bygga upp föremålen varierar stort. Pentti Eklund säger att det finns sju olika utskriftstekniker för 3D-utskrivning, varav alla har sina för- och nackdelar. Det här kan jämföras med att användarna av vanliga pappersskrivare i praktiken kan välja mellan bläckstråle- eller laserskrivare.

3D-skrivare presenteras ibland som något nästan magiskt med vilket man kan skriva ut allt från mat och mediciner till vävnad och byggnader, men då talar vi om specialiserade printrar av en helt annan kaliber än dem byggda för hemmabruk. Konsumentmodellerna arbetar enbart i plast: skrivaren smälter en plasttråd och föremålet som skrivs ut byggs upp av den smälta plasten. För dem gäller regeln "plast in, plast ut", varken mer eller mindre.

– Den tekniska utvecklingen när det gäller 3D-utskrifter fortsätter på andra håll och med andra råmaterial än plast. Man kan säga att 3D-utskrifter i plast redan är en "mogen" teknologi, säger Eklund.

Reser sig ur pulvret

För ungefär ett och ett halvt år sedan fick VTT sin första 3D-skrivare som kan bygga upp föremål i metall. Den står i ett rum i den sammanlagt 125 000 kvadratmeter stora forskningshallen som ligger under VTT:s byggnad i Otnäs, fyrtio meter under markytan. Maskinen är rektangelformad, har en volym på knappt två kubikmeter och väger 700 kilo. På ena långsidan finns en datorskärm och ett tangentbord invid själva printerkammaren. I den kan föremål med en maximal volym på 12,5 x 12,5 x 10 centimeter skrivas ut. Men det räcker gott och väl för VTT:s behov.

– Det här är inte precis en 3D-skrivare man kan hitta i varje hem, metallskrivare kostar 200 000 euro och uppåt. Däremot går färdigt byggda 3D-skrivare för konsumenter lösa på kring tusen euro. Är man händig, och bygger ihop sin skrivare själv, kan man komma ännu billigare undan.

VTT:s skrivare råkar inte vara i gång när ÖN kommer på besök, men på en skärm invid den kan man se en presentationsvideo om hur utskrivningen går till: En laserstråle riktas mot en bas av metall som är överströdd av ett 0,02 millimeter tjockt lager metallpulver. Värmen från lasern får pulvret att smälta och en låga som påminner om en svetslåga uppstår. Laserstrålen "ritar" föremålets bottenkontur i metallpulvret och därefter strör maskinen ut ett nytt lager pulver och processen fortsätter. På så vis byggs föremålet upp lager efter lager, bråkdelsmillimeter efter bråkdelsmillimeter. 3D-utskrivning i allmänhet och utskrivning i metall i synnerhet är en tidskrävande förrättning.

Pentti Eklund har plockat fram ett cylinderformat, drygt ett kilo tungt föremål av metall. Det är utskrivet för företaget Raute som bland annat producerar maskiner för fanertillverkning.

– Om man startar 3D-skrivaren på kvällen hinner den producera ett ungefär så här stort föremål innan man kommer tillbaka till jobbet på morgonen. Det går alltså inte speciellt snabbt och det är en viktig orsak till att 3D-skrivarna inte förväntas slå ut de traditionella metallbearbetningsmetoderna inom en överskådlig framtid. Men det är inte heller meningen: styrkan i 3D-utskrivning i metall är att man kan producera föremål som är svåra eller rentav omöjliga att framställa på traditionell väg.

Eklund konstaterar att Rautes cylinder antagligen inte hör till den här kategorin, men det följande föremålet han visar upp gör det definitivt. Det är ett hydrauliskt ventilblock med flera vätskekanaler och inre ihåligheter.

– Genom att tillverka blocket genom 3D-utskrivning har vi lyckats göra det bättre än den ursprungliga, traditionellt tillverkade delen. Vi har optimerat ventilblockets prestation och dessutom väger det 66 procent mindre än den ursprungliga delen.

En annan intressant tillämpning av 3D-utskriftstekniken är att man kan "lägga till" material på redan befintliga föremål i stället för att bygga upp dem från ingenting.

– Till exempel reparerar man slitna turbinvingar med 3D-printrar. Vingarna är gjorda av så kallade superlegeringar som tål mycket värme och till exempel med vår 3D-printer kan man fylla ut de slitna delarna av en vinge så att den blir som ny igen.

Stöder konkurrenskraften

– "3D-utskrivningen har potential att revolutionera sättet på vilket vi tillverkar nästan allting". Det här är inte mina ord utan president Barack Obamas. Han har en stark tro på att 3D-tekniken kan gynna industrin i USA, säger Eklund.

– Tanken är att 3D-printrarna i princip ska sudda ut skillnaderna mellan olika länder när det gäller tillverkningskostnader, att köra en 3D-printer kostar ungefär lika mycket oberoende av i vilket land den står. Så det avgörande är inte längre vilket land som har de lägsta personalkostnaderna utan var man kan designa de bästa produkterna. Detta anses vara bra för Finland där utbildningsgraden bland befolkningen är hög, säger Eklund.

TEKNIKENS STYRKA. Ledande forskare Pentti Eklund visar upp ett 3D-utskrivet ventilblock. Med flera interna kanaler och ihåligheter vinner det på att tillverkas som en 3D-utskrift. Det är inte bara 66 procent lättare än ett traditionellt tillverkat block, det har också högre prestanda. Bild: Kristoffer Åberg

I Finland använder många företag i sin dagliga verksamhet 3D-printar som skriver ut plastföremål. Däremot finns det endast en kommersiell aktör som kan skriva ut föremål i metall. Det är Lahtisföretaget AM Finland som förutom smycken även tillverkar mindre föremål för industrin.

Ute i världen har man kommit betydligt längre.

– Till exempel i Alabama i USA bygger General Electric en fabrik där man ska tillverka 40 000 munstycken för jetmotorer per år med friformsframställning. Tidigare monterades munstyckena ihop av tjugo olika delar men i den nya fabriken kan de skrivas ut i ett enda stycke och helt utan skarvar. Och i England finns ett företag som lever på att skriva ut delar till gamla bilar. Företaget lyckades skapa sig en helt egen marknadsnisch när man insåg att klassiska bilar är en populär hobby och att bilägarna är beredda att betala för reservdelar.

Fakta

VTT och 3D-utskrifter

VTT deltar inte i utvecklingen av själva utskriftstekniken men forskningscentralen arbetar aktivt när det gäller tillämpningen.

1. Materialutveckling. Råmaterialet för 3D-utskrifter i metall är oftast olika metallpulver. VTT kan skräddarsy metallpulver med olika egenskaper så de lämpar sig för olika ändamål.

2. Produktutveckling. VTT kan hjälpa företag att implementera 3D-printing i sin produktutvecklingsprocess. Med 3D-printing kan företagen snabbare utveckla konkurrenskraftiga produkter.

3. Optimering av produkter och tillverkningsprocess. 3D-printning ger produktutvecklare friare händer men har också sina begränsningar som man bör känna till. VTT kan hjälpa företag att till fullo dra nytta av de möjligheter friformsframställningen erbjuder. Föremål med interna kanaler är ett bra exempel på produkter som med hjälp av 3D-printning kan få bättre prestation samt ett lägre produktionspris.

4. Verksamhetsmodeller och integration av friformsframställning i företagens produktion. Friformsframställningen tvingar företagen att noga granska sina verksamhetsmodeller. VTT kan hjälpa företagen att bilda sig en uppfattning om vilka produkter som det redan nu lönar sig att tillverka med 3D-printing och vilka produkter som blir lönsamma i framtiden.

Också i Finland har man alldeles nyligen dragit i gång ett projekt som enligt Eklund fått stor uppmärksamhet.

– Tillsammans med Aalto-universitetet och fjorton företag, bland dem Kone och Wärtsilä, har VTT i början av året börjat forska kring digitala reservdelar. Intresset har varit så stort att alla företag tyvärr inte kan vara med.

Idén är följande: om en del till exempel i en fartygsmotor eller hiss i nuläget går sönder måste reservdelen beställas från ett lager som i värsta fall ligger långt borta. Det är både dyrt och värdefull tid går till spillo. Så skulle det inte vara enklare om reservdelen kunde 3D-printas ut där den behövs? Det här kunde också medföra att företagens reservdelslager kan vara mindre: i stället för jättehallar med reservdelar kunde framtidens "reservdelslager" bestå av en dator med 3D-modeller av reservdelarna, ett lager med metallpulver och en 3D-printer. Ytterligare en fördel är att företagen inte blir stående med föråldrade reservdelar när produkterna utvecklas.

– En del av USA:s krigsfartyg har redan 3D-printrar med sig med vilka man kan tillverka reservdelar när de är ute till havs. Amerikanska armén har också containrar med 3D-printrar som kan tas med ut i fält för marktrupper, säger Eklund.

Nya yrkesgrupper behövs

FINA PJÄSEN. Det här schacktornet i metall är utskrivet med VTT:s 3D-printer och har en riktig vindeltrappa med trappsteg på insidan. Med traditionell teknik skulle det vara ytterst besvärligt att åstadkomma samma sak. Bild: Kristoffer Åberg

Om friformsframställningen infriar de förhoppningar som ställs på den och till exempel metallindustrin går in för nya tillverkningsmetoder behövs också helt nya yrkesgrupper. De tredimensionella modellerna av olika föremål som 3D-printrarna behöver för att kunna skriva ut dem uppstår inte av sig själva. De byggs upp på dator med CAD-program (Computer Aided Design) eller med hjälp av 3D-skannrar. För att använda dem på ett sätt där man får största möjliga nytta av 3D-utskrivningens möjligheter krävs specialutbildat folk och Pentti Eklund misstänker att tillgången till ingenjörer kan bli en flaskhals om och när 3D-printingen blir en del av vardagen på de finländska företagen.

– Utbildningen av ingenjörer på det här området är småskalig och den kom i gång ganska sent i Finland. Aalto-universitetet och det tekniska universitetet i Villmanstrand har utbildningsprogram för det här, men de startade ganska nyligen.

Pentti Eklund vågar sig på en gissning om vad ungdomar som vill försäkra sig om en framtida arbetsplats kunde göra klokt i att satsa på.

– Jag kan tänka mig att en designbyrå som planerar 3D-modeller är en ganska bra business i framtiden.

Se VTT:s 3D-printer i aktion på ostnyland.fi