Amerikan 3D-tulostus vahvassa kasvussa

Teknologian kehittyessä ja kustannusten pudotessa 3D-tulostuksesta saattaa tulla teollisuuden uusi avaintekijä.

Devens, Massachusetts. Kuusimetriset ja lähes 30 000 kiloa painavat laitteet edustavat 3D-tulostuksen uusimpia läpimurtoja.

Jokainen kone käyttää 150 nosturitelineeseen kiinnitettyä lasersädettä, jotka liikkuvat nopeasti edestakaisin valmistaen osia yritysasiakkaille niin ilmailun, puolijohteiden, puolustuksen kuin terveydenhuollon implanttien aloilta.

Esimerkiksi titaanista sekä lukuisista muista materiaaleista tehdyt osat rakennetaan kerros kerrokselta, joista jokainen on vain noin hiuksen paksuinen. Kerroksia voi olla osasta riippuen jopa 20 000. Laitteet ovat myös hermeettisesti sinetöityjä ja niiden sisätila on täytetty suurimmaksi osaksi argonilla, joka on yksi vähiten reaktiivisista kaasuista, jotteivät epäpuhtaudet vaurioittaisi valmistettavia osia.

Massachusettsin Devensissä, runsaat 60 kilometriä Bostonista luoteeseen sijaitsevan 3D-tulostamon omistaja on VulcanForms, Massachusetts Institute of Technologystä (MIT) lähtöisin oleva start-up. Se on kerännyt rahoitusta 355 miljoonan dollarin edestä ja työntekijämäärä on hypännyt viime vuodesta kuusinkertaiseksi 360:en. Uusia työntekijöitä on palkattu niin suurista teollisuusfirmoista kuten General Electricistä ja Pratt & Whitneystä, kuin teknologiajäteistä kuten Googlesta ja Autodeskistä.

”Olemme osoittaneet, että teknologiamme toimii”, sanoo  John Hart, joka on yksi VulcanFormsin perustajista sekä mekaniikan professori MIT:ssä, ”Nyt meidän on näytettävä vahvoja talouslukuja, jotta sijoittavat tietävät yrityksemme kykenevän kasvamaan”

Jo 80-luvulla ensiaskeleensa ottaneen 3D-tulostuksen teknologiset, taloudelliset sekä sijoituksiin liittyvät trendit näyttävät viimein olevan siinä pisteessä, että ala tekee lopullisen kaupallisen läpimurtonsa, kertovat teollisuuden, liikkeenjohdon sekä sijoitusalan asiantuntijat.

3D-tulostus, toiselta nimeltään materiaalia lisäävä valmistus (additive manufacturing), ei enää ole uusi teknologia, jota hyödynnettäisiin vain design-esineiden prototyyppeihin taikka kouralliseen kulutus- sekä teollisuustuotteita.

”Tämä on nyt teknologia, joka on alkamassa tuottamaan perinteisen teollisuuden laatuisia tuotteita kunnon mittakaavassa”, sanoo Jörg Bromberger, joka toimii tuotantoasiantuntijana McKinsey & Companyssa. Konsulttifirman artikkeli “The Mainstreaming of Additive Manufacturing” on pääosin juuri hänen käsialaansa.

3D-tulostus tarkoittaa valmistusmenetelmää, jossa tuote luodaan alhaalta ylöspäin kerros kerrokselta. Tietokoneohjatut lasersäteet sulattavat jauhemuotoisia metalli-, muovi- sekä komposiittimateriaaleja tehden niistä uusia kerroksia. Perinteisessä tuotannossa esimerkiksi metalliaihio ensin valetaan ja sitten työstetään oikeaan muotoon konetyökaluilla.

Viimevuosina jotkin yhtiöt ovat käyttäneet 3D-tulostusta varsinkin sepsifien osien valmistukseen. Esimerkiksi General Electric luottaa tekniikkaan valmistaessaan polttoainesuuttimia suihkumoottoreihin, Stryker tekee selkärankaan implantteja ja Adidas tulostaa ristikkopohjia laadukkaisiin juoksukenkiin. Myös hammaspaikkoja sekä hampaiden suoristuslaitteita 3D-tulostetaan, ja koronapandemian aikaan tulostimet laitettiin toimitusvaikeuksien keskellä valmistamaan kasvovisiirien sekä hengityskoneiden osia.

Nyt asiantuntijat kertovat, että 3D-tulostuksen markkinapotentiaali on jo paljon suurempi, kuin kourallinen erikoistuotteita. Markkinoiden odotetaan kolminkertaistuvan lähes 45 miljardiin dollariin vuoteen 2026 mennessä, kertoo tuotantopalveluiden kauppaan keskittyvä Hubs.

Joe Bidenin hallinto on kiinnostunut 3D-tulostuksesta, koska sitä tarvitaan USA:n teollisuuden uuteen nousuun. Teknologia tulee olemaan yksi ”2000-luvun modernin rakentamisen perustuksista” robotiikan sekä tekoälyn ohella, kertoo Elisabeth Reynolds, joka toimii presidentti Bidenille teollisen ja taloudellisen kehityksen arikoisassistenttina.

Toukokuussa Biden julkisti Cincinnatissa Additive Manufacturing Forward -hankkeen, jota hänen hallintonsa koordinoi yhdessä suurimpien teollisuustuottajien kanssa. Viisi tärkeintä osanottajaa — GE Aviation, Honeywell, Siemens Energy, Raytheon sekä Lockheed Martin — kasvattavat kaikki 3D-tulostuksen roolia tuotannossaan ja ovat sitoutuneet auttamaan pieniä ja keskikokoisia amerikkalaisia alihankkijoitaan teknologian käyttöönotossa.

Vapaaehtoisten sitoutumisten tarkoituksena on kiihdyttää investointeja ja rakentaa laajempaa osaamispohjaa 3D-tulostukseen. Koska kyse on digitaalisesta hi-tech -tuotantoprosessista, on USA:n software-osaaminen suureksi avuksi. 3D-tulostus tekee USA:n teollisuudesta vähemmän riippuvaisen ulkomaisista, kuten erityisesti kiinalaisista alihankkijoista.

3D-tulostus lupaa myös apua ympäristölle. Se nimittäin haaskaa paljon vähemmän resursseja, kuin perinteisen teollisuuden valaminen, takominen sekä leikkaaminen. Joidenkin metalliosien kohdalla 3D-tulostuksella voidaan säästää jopa 90 prosenttia materiaalikuluista samalla kun energiaakin tarvitaan vain puolet vähemmän.

Teollisella 3D-tulostuksella, asiantuntijat sanovat, on potentiaalia vähentää merkittävästi spesifien osien valmistuskustannuksia, jos teknologia voidaan tehdä tarpeeksi nopeaksi ja tarkaksi suuren mittakaavan tuotantoon.

VulcanFormsin perusti vuonna 2015 Tohtori Hart ja yksi hänen valmistuneista oppilaistaan Martin Feldmann. He tavoittelivat uudenlaista lähestymistapaa 3D-tulostukseen, jossa käytettäisiin paljon suurempaa määrää lasersäteitä kuin aiemmissa järjestelmissä. Laseroptiikan, sensorien ja softwaren uusia innovaatioita käytettäisiin yhä monimutkaisemman lasersäteiden tanssin koreogtafian luontiin.

Vuonna 2017 he olivat edistyneet tarpeeksi, jotta arvelivat voivansa rakentaa tämän uuden koneen, mutta tarvitsivat vain siihen rahoitusta. Kaksikko, johon oli tullut nyt mukaan myös Anupam Ghildyal — kuin liukuhihnalta start-upeja tehnyt alan veteraani — päätti mennä Piilaaksoon, ja onnistui saamaan 2 miljoonan dollarin pesämunan Eclipse Venturesilta.

Eclipsen yhtiömies Greg Reichow kertoo, että VulcanFormsin tarkoituksena oli teknologiallaan vastata 3D-tulostuksen kolmeen heikkouteen: hitauteen, kalleuteen ja liian yleisiin virheisiin.

Start-upilla oli vaikeuksia rakentaa ensimmäinen kone, joka todistaisi yrityksen liikeidean toimivaksi. Lopulta se kuitenkin onnistui, ja myöhemmistä verioista kasvoi suurempia, tehokkaampia ja tarkempia.

VulcanForms kertoo, että nyt sen tulostimet tuottavat sata kertaa enemmän laserenergiaa kuin useimmat 3D-tulostimet ja ne pystyvät valmistamaan osia moninkertaisella nopeudella. Tämä tulostusteknologia on firman tärkein immateriaalinen omistus, jota suojaa iso liuta patentteja.

VulcanForms on päättänyt olla myymättä laitteitaan muille. Firman strategiana on toimia alihankkijana, joka toimittaa kustomoituja osia.

Liikeideaan kuuluu, että VulcanForms kontrolloi koko tuotantoprosessia. Se johtuu osin jo siitäkin tosiseikasta, että 3D-tulostuksen ekosysteemi on edelleen hyvin suppea. Yhtiö järjestää itse tuotantoprosessin jokaisen vaiheen valmistaen omat tulostimensa, suunnitellen valmistettavat osat sekä tehden lopullisen koneistuksen ja testauksen.

”Meidän yksinkertaisesti täytyy tehdä se — rakentaa koko digitaalinen tuotantoprosessi — jos haluamme menestyä”, sanoo toimitusjohtajana toimiva Feldmann, ”Tehdas itse on meidän tuotteemme”

Devensin tehtaassa on kuusi jättitulostinta. Firma lupailee, että ensi vuonna niitä pitäisi olla jo kaksikymmentä. VulcanFormsilla on myös mielessä jo neljä mahdollista paikkaa seuraavalle tehtaalle. Viidessä vuodessa yhtiön tarkoituksena on avata ja pitää pyörimässä jo useita 3D-tulostustehtaita.

Toisaalta tee-se-itse -strategia kasvattaa start-upin riskejä ja kustannuksia, mutta yhtiö on saanut jo suureksi kasvaneen listan korkean tason sijoittajia vakuuttumaan, että investoinnit ovat riskin arvoisia.

Brent Brunell siirtyi viime vuonna VulcanFormsiin General Electricistä, missä hän toimi 3D-tulostuksen asiantuntijana. Tapa käyttää laajaa laserien rivistöä 3D-tulostuksessa ei ole uusi, Brunell sanoo, mutta kukaan ei ollut aiemmin ottanut sitä todenteolla käyttöön. Liityttyään VulcanFormsiin ja tutustuttuaan sen teknologiaan, hän sanoi: ”Oli ilmeistä, että käsillä oli uusi arkkitehtuuri ja että nämä tyypit oliat saaneet prosessin toimimaan”.

Tulostimien lisäksi VulcanFormsin tehtaassa on koneenkäyttäjä, joka tarkkailee laitteiden toimintaa sensoreista tulevan datan sekä lasersäteitä kuvaavan kameran avulla. Tehtaasta ei tule enempää ääntä, kuin matalaa sähköistä huminaa niinkuin datakeskuksessa.

Tehdas itsessään voi toimia myös apuna työntekijöiden rekrytointiin. ”Tuon heidät tänne ja näytän koneitamme”, sanoo Kip Wyman, joka toimi aiemmin Pratt & Whitneyn vanhempana tuotantopäällikkönä, ja joka on nyt VulcanFormsin operaatiojohtaja, ”Tyypillinen reaktio on: ’Hei, haluan olla tässä mukana’”

Joidenkin osien valmistukseen pelkkä 3D-tulostus ei riitä. Joskus tulevat tarpeeseen myös lopullinen lämpökäsittely sekä metallikoneistus. Tätä varten VulcanForms hankki tänä vuonna koneen Arwoodilta.

Arwood myy uusimpia teollisuuslaitteita ja toimii ennen kaikkea USA:n puolustusministeriön eli Pentagonin alihankkijana valmistaen osia niin hävittäjiin, vedenalaisiin droneihin kuin ohjuksiinkin. Arwoodin suunnitelma VulcanFormsin suhteen seuraaville vuosille on kolminkertaistaa investoinnit sekä työvoima, joka on tällä hetkellä 90 henkeä.

Pörssiinlistautumattomana yrityksenä VulcanForns ei ole julkistanut liikevaihtoaan. Myynti on kuitenkin kasvanut kohisten, kun tilaukset jopa kymmenkertaisuvat kvartaaleittain.

Jatkuva kasvu tulee riippumaan lisääntyvästä myynnistä asiakkaille, kuten Cerebrasille, joka tekee kustomoituja puolijohdejärjestelmiä keinoälyä käyttäviin laitteisiin ja ohjelmiin. Viime vuonna Cerebras pyysi VulcanFormsilta apua tietokoneidensa tarvitsemiin monimutkaisiin jäähdytysjärjestelmiin.

Puolijohdeyhtiö lähetti VulcanFormsille kaavion tietokoneidensa mutkikkaasta pienten titaaniputkien verkostosta. Cerebrasin tomitusjohtaja Andrew Feldman muistelee, että jo 48 tunnin kuluttua VulcanForms lähetti takaisin jäähdytyslaitteeseen tarvittavan osan. Molempien yhtiöiden insinöörit jatkoivat työtä lopputuloksen hiomiseksi ja nyt jäähdytysjärjestelmä on käytössä.

3D-tulostuksen suunnalta näyttää tulevan uusia innovaatioita sekä koetuloksia kiihtyvällä tahdilla. Moderni 3D-tulostus, Feldman kertoo, mahdollistaa myös uudenlaisten monimutkaisten osien valmistuksen, joiden avulla voidaan rakentaa entistä tehokkaampia laitteita. ”Emme olisi voineet valmistaa vedenjäähdyttimen osaa millään muulla tavalla”, hän kertoo.

”3D-tulostus mahdollistaa aivan uuden ajattelutavan rakentamiseen ja teollisuuteen. Olemme parhaillaan suuren muutoksen kynnyksellä”

Lähde: NYTimes