Materiaalit ja digitalisaatio – mullistava yhdistelmä

Digitalisaatio, vaikka bittejä pääosin liikutteleekin, tuo uusia mahdollisuuksia erilaisten materiaalien tutkimukseen, valmistukseen ja käyttöön. Tutuin näistä menetelmistä on yleistymässä oleva 3D-tulostus. Nämä kerrostamiseen pohjautuvat ainetta lisäävät menetelmät mahdollistavat piensarjatuotannon ilman erillisiä työkaluja, mahdollistavat tuotteen geometrian ja tulevaisuudessa myös materiaaliominaisuuksien varioinnin.

Ainetta lisäävä valmistus on tullut jokapäiväiseksi. Verkkokauppa tarjoaa muovin sulatyöstöön sopivaa FDM-tulostinta noin tuhannen euron hintaan. Kiinnostavampaa on kehitys kumien, komposiittien, metallien, keraamien ja lääketieteen materiaalien tulostamisessa.

Tampereen teknillisen yliopiston kone- ja tuotantotekniikan sekä materiaaliopin laitokset hankkivat osana Pirkanmaan 3D-osaamiskeskusrahoitusta keraamien tulostamiseen sopivan laitteen. Laitteistolla tutkitaan laajasti polymeeri- ja keraamikappaleiden valmistusta. Laitteella voidaan tulostaa niin kulumiskestäviä suuttimia teollisuuteen kuin luun korviketta lääketieteellisiin sovelluksiin. Tulostettavien piirteiden tarkkuudessa päästään alle 0.1 mm:n tasolle. Materiaalina käytettävät keraamijauheet voidaan räätälöidä ominaisuuksiltaan jokaiseen sovellukseen sopivaksi, esimerkiksi tuomaan lisää kovuutta suuttimiin ja solujen kasvua edistäviä aineita luusovelluksiin.

Peruskeraamien tulostus on jo arkipäivää mutta erikoismateriaaleissa riittää vielä paljon tutkittavaa ja kehitettävää. Mahdollisuudet ovat lähes rajattomat. Useissa tapauksissa osia, joiden valmistaminen perinteisin menetelmin pienissä sarjoissa on taloudellisesti kannattamatonta, voidaan 3D – tulostuksen avulla valmistaa tehokkaasti. Kuvittele tulevaisuus, jossa voimme tulostaa visioidun osan valmiiseen tuotteeseen ilman muotteja, ilman prototyyppejä, haluamastasi materiaalista.

Toinen digitalisaatioon liittyvä ilmiö on materiaali-informatiikka. 3D-tulostukseen verrattuna se lienee tuntemattomampi alue, mutta on mullistavuudessaan samaa luokkaa. Materiaali-informatiikka soveltaa matemaattisia menetelmiä materiaalitutkimukseen. Pyrkimyksenä on kehittää algoritmeja ja malleja, joiden avulla voidaan ennustaa uusien materiaalien ominaisuuksia laskennallisesti.

Yhdysvallat on aloittanut hankkeen materiaali-informatiikasta nimellä ”Materiaalien genomialoite, MGI”.  Presidentti Obaman sanoin: “Autamme teollisuutta löytämään, kehittämään, ja soveltamaan uusia materiaaleja kaksi kertaa nopeammin materiaalien genomialoitteen avulla”. Euroopassa vastaavasti projekteissa NoMaD ja Marvel kehitetään vastaavia työkaluja. Myös Suomessa työ on alkanut Tampereen teknillisen yliopiston, Aalto-yliopiston ja Tampereen yliopiston yhteistyönä. Kuvittele tulevaisuus, jossa valmiiden materiaalien sijaan voit suunnitella materiaalin tarpeen mukaan ja suunnitella sen mahdollisimman saatavilla olevista ja turvallisista materiaaleista.

Materiaali-informatiikan avulla voidaan päästä eroon materiaalien asettamista rajoitteista. Esimerkiksi fuusioreaktorien kehityksen suurimpia haasteita on soveltuvien materiaalien löytäminen. Materiaali-informaatiikka hyödyttää myös suomalaista teollisuutta. Sen avulla voidaan etsiä korvaavia, ekologisempia ja halvempia materiaaleja olemassa olevien materiaalien tilalle.

Alihankinta-messujen 2015 yksi teema on uudet materiaalit. Teema voisi olla jokavuotinen, mutta nyt se on mielenkiintoisempi ja ajankohtaisempi kuin aikoihin. Digitalisaatio on alue, joka voi mullistaa materiaalitekniikkaa yhtä paljon kuin se on mullistanut muitakin tekniikan osa-alueita ja niihin liittyvää liiketoimintaa.

Kuvittele tulevaisuus, jossa valmistamme lisäävällä valmistuksella uudesta sovellusta varten kehitetystä materiaalista ainulaatuisen, kilpailukykyisen, vaikeasti kopioitavan ja ympäristöystävällisen osan. Vaikeaa kuvitella, mutta voisiko se sittenkin olla mahdollista?

Jyrki Vuorinen
Professori
Materiaaliopin laitos, Tampereen teknillinen yliopisto