Karelia-ammattikorkeakoulun koordinoimassa ja toteuttamassa Älykkään valmistuksen tutkimusinfrastruktuurin uudistaminen ja kehittäminen -hankkeessa sekä rinnakkaisena toteutettavassa investointihankkeessa kasvatetaan ja parannetaan Karelian tutkimus-, kehitys-, oppimis- ja innovaatioinfrastruktuurin valmiuksia hyödyntää uusia edistyneempiä valmistus- ja materiaaliteknologioita TKI-toiminnassa. Lisäksi hankeparissa selvitetään uusia mahdollisuuksia Pohjois-Karjalan alueen teknologiateollisuudelle kytkeytyä vihreän energian koneiden- ja laitteiden komponenttivalmistukseen. Pohjois-Karjalan alueen teknologiateollisuuden yrityksillä on jatkuva tarve uusille osaajille ja kehittää uusia tuote- ja tuotantoprosesseja. Pohjois-Karjalan metalliteollisuus on vahva osaaja liikkuvien työkoneiden ja muiden isojen koneiden sekä laitteiden valmistuksessa.
Kehittämishankkeessa selvitetään niitä reunaehtoja ja tarvittavia kyvykkyyksiä, joita vetytalouden ja muun vihreän energiatekniikan komponenttien tuottamisessa tarvitaan. Vetytalouden koneisiin, laitteisiin ja komponentteihin liittyviä valmistus- ja materiaaliteknisiä rajoitteita ei ole vielä selvitetty Pohjois-Karjalassa. Energiasektorin laitteet edellyttävät usein erikoismateriaaleja ja erikoisvalmistusprosessien syvällistä tuntemusta. Älykkään valmistuksen hankkeiden päätavoitteena onkin uudistaa ja monipuolistaa Pohjois-Karjalan aluetaloutta ja elinkeinoelämää TKI-investointien avulla, sekä edistää siirtymistä ilmastoneutraaliin talouteen. Tämä tarkoittaa esimerkiksi uusien teknologioiden käyttöönottoa ja ihmisten teknologisen osaamisen vahvistamista.
Investointihankkeessa Karelia monipuolistaa laiteinfrastruktuuriaan seuraavin laittein: hybridityöstökone, tarkka laserleikkauslaitteisto, 3D-komposiittitulostin ja Karelian mitta-avusteisen tuotantosolun simulaatioympäristöjen ohjelmistoympäristöjen kehittämisinvestointi. Hybridityöstökone korvaa Karelian nykyisen vuonna 2001 hankitun suurnopeustyöstökoneen, joka on elinkaarensa päässä. Uusi hybridityöstökone kykenee työstämään myös lasimaisia ja erittäin kovia materiaaleja hiontatekniikalla. 3D-komposiittitulostinta ja laserleikkauslaitteistoa ei Kareliassa ennestään ole.
Laitevalintakriteerit syynissä
Kehityshankkeen alussa on käynnistetty olemassa olevan teknologian selvitykset tutustumalla maakunnan yrityksissä sekä yhteistyöhankkeisiin kuuluvissa koulutusyksiköissä käytössä olevaan laitekantaan ja keskustelemalla toimijoiden kanssa laitteisiin liittyvistä käyttökokemuksista. Yritysten edustajien kanssa on keskusteltu investoitaviin laitteisiin hankittavista lisäominaisuuksista, jotka voisivat edesauttaa seuraavan sukupolven tuotteiden ja komponenttien valmistuksessa. Benchmarking-vierailuja on toteutettu alueen metalliteollisuuden yrityksiin, Riverian Outokummun yksiköön, Savonia-ammattikorkeakouluun Kuopioon sekä LAB-ammattikorkeakouluun Lahteen.
Hankintasuunnitelman mukaisen 5-akseli suurnopeustyöstökoneen kiillotusominaisuus (grinding) tarkalla geometria- ja lämpötilakontrollilla antaa mahdollisuuden koneistaa lasi- ja metallipintoja mikrometriluokan tarkkuuteen ja jopa alle kymmenen nanometrin pinnankarheuteen. Suunnitellut laiteominaisuudet eivät ole minkään laitevalmistajien standardituotantoa vaan vaatii hankintatarpeeseen räätälöidyn laitteen. Tämä mahdollistaa haasteellisen R&D – ja koekappale valmistuksen mm. metalli- ja koneenrakennus tarkoituksiin sekä hankkeen kohteena olevan uusiutuvan energiateollisuuden tarpeisiin
Metallilevyn leikkaamiseen soveltuvan kuitulaserin hankinnassa keskeisinä ominaisuuksina pidetään modernia leikkausteknologiaa, leikattavan materiaalin tehokasta hyödynnettävyyttä, leikattavan alueen kokonaispinta-alaa sekä kompaktia, suojattua laiterakennetta. Hankinta tulee tukemaan ja edistämään aikaisempaa automatisoitua hitsausrobotti-investointia sallien vapaan metallimateriaalin tuoton hitsaus solulle.
3D-komposiittitulostustekniikan keskeisenä tarkastelukohteena ovat laitteet, jotka pystyvät jatkuvan hiilikuidun tulostukseen. Jatkuvakuitutulostuksen (continuous carbon filament printing) etuna on erittäin lujien komposiittimuovi rakenteiden tulostusmahdollisuus. Kuituorientaatio- ja matriisirakennesuunnittelun avulla hiilikuitukomponentin lujuusominaisuuksia saadaan mallinnettua ja testattua laiteyhteensopivan kuituekstruusio tulostusmetodin ja kuituekstruusio analyysin avulla (FEM/FEA). Lujuusominaisuudet ovat teräs- ja alumiinirakenteiden kanssa samaa suuruusluokkaa, mutta kappaleet ovat huomattavasti kevyempiä kuin vastaavat metallirakenteet. Jatkuvahiilikuiturakenteen tulostaminen on kuitenkin arvokkaampaa kuin esimerkiksi lyhythiilikuitutulosteen (choped carbon fiber printing). Lyhytkuitutulosteen rakennelujuudet eivät toisaalta ole yhtä hyvät kuin metalli- tai jatkuvakuiturakenteilla. Kyseisiä lujuus-, paino- ja kustannusominaisuuksien optimaalisesti yhteensovittamalla on mahdollista päästä energiataloudelliseen ja myös kustannustehokkaaseen sovellusratkaisuun.
Toisena tarkastelukriteerinä 3D-tulostinlaitteiden valinnassa on kyky tehdä korkean lämpötilan teknisten muovien, kuten PEEKin, tulostusta. Korkean lämpötilan polymeeritulostus asettaa laitteelle erikoisvaatimuksia tulostuskammio-, tulostusalusta- ja ruiskutussuutinlämpötilojen suhteen. Jatkuvan hiilikuidun ja korkealämpötilan tulostukseen soveltuvia laitteita on tämän hetken seulontatiedon perusteella vain muutamia. Laitevalmistajilta saadun tiedon mukaan laitevalikoimaa rajoittaa lyhytkuitulaitteita korkeampi hinta, asiakastarpeiden rajallisuus sekä muutaman alan keskeisen toimijan hallinnoima patenttisuoja.
Messuilla koettua
3D-komposiittitulostustekniikkaan liittyvää selvitystä edistääkseen hanketiimi pakkasi laukkunsa ja suuntasi Saksaan FormNext 2024 -messuille. Nämä lisäävän materiaalivalmistuksen ja 3D-tulostustekniikan erikoismessut järjestettiin Frankfurtissa 19. – 22.11.2024. Messuille osallistui yli 860 näytteilleasettajaa edustaen laajan 3D-tulostustekniikan lisäksi mittavaa tulostusmateriaalikirjoa sekä tulosteiden jälkikäsittelyyn erikoistuneiden laitteiden valmistajia.
Esillä oli metallin, keraamin ja polymeerien tuloslaitteita, printtauksen jälkikäsittelylaitteita sekä valtavasti tulostusmateriaaleja, kuten jauheita, granulaatteja, UV nesteitä, filamenttejä ja kuituja. Nykytekniikalla printatut tuotteet ovat isoja, pieniä, pehmeitä, lujia, värikkäitä, näyttäviä, viimeisteltyjä, protoja, puolivalmisteita, lopputuotteita – merkittävä valikoima lukuisiin teollisuuden ja toimialojen erilaisiin tarpeisiin. Selkeästi oli havaittavissa laitevalmistajien visio massavalmistuksesta. Perustulostimet, 9–12 kpl, oli sijoitettuna laiteräkkiin, jonka yhteyteen oli rakennettu yksinkertaiset rampit ja kuljetinhihnat valmiiden tulosteiden keräämiseksi muovilaatikkoon. Tuntuma on, että tekniset mahdollisuudet ovat erittäin laajat, mutta todellinen kustannustehokas teollinen hyödyntäminen on vielä hieman vaiheessa.
What’s next?
Älykkään valmistuksen hankkeessa on selkeä etenemissuunnitelma. Seuraavien kuukausien aikana jatketaan vielä investointikohteiden teknistä selvitystä ja tavoitteena on saada hankkeen suurlaitteiden tarjouspyynnöt ja tilaukset tehtyä kesään 2025 mennessä.
Yksi hankkeen tehtävistä on selvittää uusiutuvan energiatuotannon kehittämisessä tarvittavia laiteteknisiä ratkaisuja. Tämän hankeosion selvitystyö arvioidaan ajoittuvan siihen ajankohtaan, kun isojen laitteiden tilaukset on tehty ja niitä valmistetaan laitetoimittajilla.
Yrityksille tarjottavia teknisiä esittelytilaisuuksia ja työpajoja tullaan järjestämään laitteiden asennusten ja käyttöönoton jälkeen keväällä 2026.
Älykkään valmistuksen tutkimusinfrastruktuurin uudistaminen ja kehittäminen -hankkeen tapahtumista ja vaiheista kerrotaan lisää ensi vuonna!
Kirjoittajat:
Pekka Savander, Project Manager, Karelia ammattikorkeakoulu
Juha Väyrynen, Senior Project Manager, Karelia ammattikorkeakoulu
Älykkään valmistuksen tutkimusinfrastruktuurin uudistaminen ja kehittäminen -hankkeen investointi- ja kehittämisosion rahoitus tulee Oikeudenmukaisen siirtymän rahastosta (JTF). Hankkeen toteutusaika on 1.10.2024 – 31.5.2026.