Metallien 3D-tulostus – tulevaisuutta vai nykypäivää?

Valmistusmenetelmät

Tällä hetkellä ylivoimaisesti yleisin metallien lisäävän valmistuksen menetelmä Suomessa on jauhepetisulatus (powder bed fusion, PBF). Laitteita on alaa seuraavien asiantuntijoiden arvion mukaan maassamme joitakin kymmeniä, keskittyen lisäävään valmistukseen erikoistuneille palveluntuottajille sekä tutkimuslaitoksille ja -yksiköille.

Jauhepetisulatuksessa ohut, tyypillisesti 20–50 mikrometriä paksu, jauhekerros levitetään alustalle ja tavallisimmin laserin avulla kappaleen yhden kerroksen muodostavat jauhepartikkelit fuusioidaan yhteen. Valmistusalustaa lasketaan, uusi jauhekerros levitetään edellisen päälle ja prosessi toistetaan. Kiertoa toistetaan niin kauan, että kappale on saatu valmiiksi. Jauhepetisulatukseen perustuvat laitteet ovat suljettuja, ja prosessi tapahtuu hapettumiselta suojaavassa kaasuympäristössä. Jauhepetimenetelmää käytettäessä työntekijä voi altistua metallijauheille prosessivalmistelujen sekä kappaleen puhdistuksen ja jälkikäsittelyn yhteydessä. Myös prosessipäästöille altistuminen on mahdollista, mikäli niiden poistoa tai suodatusta ei ole toteutettu asianmukaisesti. Jauhemateriaalien valikoima on laaja soveltuen erilaisiin käyttötarkoituksiin. Tyypillisesti ne ovat erikoisteräksiä ja sisältävät usein kromia, nikkeliä ja molybdeenia, joskus kobolttia. Myös alumiini- ja titaaniseoksia käytetään paljon.

Huomattavasti harvinaisempi menetelmä on suorakerrostus (directed energy deposition, DED), jossa joko lankana tai jauheena syötettävä metalli sulatetaan laserin, elektronisuihkun tai valokaaren avulla kerroksittain. Laitteistossa joko kappale, suutin tai molemmat voivat olla liikkuvia, eikä kerroksen tarvitse olla muodoltaan kaksiulotteinen taso. Suorakerrostukseen perustuvat laitteet voivat mahdollistaa suurtenkin kappaleiden valmistuksen, eivätkä laitteet ole aina rakenteellisesti suljettuja. Laitteiston sijoitus ja päästöjen poistojärjestely vaikuttavat siten merkittävästi työntekijöiden altistumiseen. Päästölähteenä laite on verrattavissa tunteja yhtäjaksoisesti palavaan hitsausvalokaareen, jolloin savujen ja huurujen määrä muodostuu merkittäväksi.

Muita metallin lisäävän valmistuksen menetelmiä ovat muun muassa sideaineen ruiskutus (binder jetting) ja pursotus (material extrusion). Molemmissa varsinaisen tulostuksen jälkeisessä kuumennuksessa kappale muuttuu kiinteäksi ja sideaine poistuu.

Kirjallisuustiedot altistumisesta

Metallien lisäävään valmistukseen liittyvästä altistumisesta on toistaiseksi varsin niukasti tutkimustietoa.

Valmistuksessa käytettävien metallijauheiden hiukkaskoko vaihtelee. Tyypillinen hiukkaskoko on 10–150 µm, mutta jauheen kierrätyksen yhteydessä siihen voi muodostua myös pienempiä hiukkasia. Valmistuksen aikaisina prosessipäästöinä syntyy nanokokoisia hiukkasia, joita voi vapautua tuotantotilan ilmaan. Tutkimuksissa ilmapitoisuudet ovat olleet pääasiassa matalia, mutta ohimeneviä piikkejä on havaittu esiintyvän. Mitatut ilmapitoisuudet ovat kuitenkin huomattavasti matalampia verrattuna hitsaustyössä esiintyviin.

Ruotsalaisessa tutkimuksessa havaittiin hienoista virtsan metallipitoisuuksien nousua laitteiden käyttäjillä, pitoisuuksien jäädessä kuitenkin selvästi alle toimenpiderajojen. Metallien biomonitorointi virtsanäytteestä osoittautui tutkimuksessa parhaiten soveltuvaksi menetelmäksi. Tutkimusinterventiona suojaustoimien tehostamisella saatiin aikaan lasku metallipitoisuuksissa. Kuriositeettina tutkimuksessa todettiin mangaanin biomonitorointitulosten muuttuneen työpaikan kahvilaadun vaihtuessa, mikä muistuttaa konkreettisesti sekoittavien tekijöiden mahdollisuudesta. Metallien kanssa työskentelevillä esiintyi kyselyn perusteella käsien iho-oireita muita enemmän, joten myös muu kuin hengitystiealtistuminen tulee ottaa huomioon.

Käytettävät metallimateriaalit voivat sisältää herkistäviä tai syöpävaarallisia metalleja, joten muista menetelmistä kertyneen tiedon perusteella altistumisen minimointi on tarpeen. Perehdytys ja turvalliset työtavat, tarvittaessa yhdessä henkilösuojainten käytön kanssa, ovatkin tarpeen altistumisen hallinnassa.

Tutustumiskäynti

Artikkelin kirjoittamisen yhteydessä sain mahdollisuuden tutustua työskentelyolosuhteisiin Ylöjärvellä toimivassa 3Dstep Oy:ssa. Yritys toimii lisäävän valmistuksen tuotannossa, koulutuksessa ja suunnittelussa sekä muovi- että metallivalmistuksen saralla. Yrityksellä on käytössään yksi Suomen noin kymmenestä tuotantokäytössä olevasta metallitulostimesta.

Tuotanto-olosuhteet ovat hyvin siistit ja hengitysilma aistinvaraisesti arvioituna puhdas metallialan yleiseen tasoon verrattuna. Yleinen melutaso on maltillinen, mutta paineilman käyttö jälkikäsittelyssä voi aiheuttaa hetkellisesti voimakastakin melua. Jauhepetisulatusprosessi toimii täysin automaattisesti, ja sen kesto voi olla useampi vuorokausi yhtäjaksoisesti. Tyypillisesti laitteistolla tulostetaan sarja pienehköjä osia, jotka tulostusprosessin jälkeen irrotetaan toisistaan ja tukirakenteista. Jälkikäsittelyyn kuuluu sulamattoman jauheen poisto, tulosteen sahaaminen irti alustasta ja käsin tapahtuva mekaaninen viimeistely. Kemikaaleja prosessissa ei käytetä lainkaan. Kohteessa on myös suoritettu työhygieenisiä mittauksia (hengittyvä epäorgaaninen pöly, kromi ja nikkeli), joissa työntekijän hengitysvyöhykkeeltä hengityssuojaimen ulkopuolelta tehdyt mittaukset jäivät selvästi haitalliseksi tunnettujen pitoisuuksien alle, kuitenkin paikoin ylittäen Työterveyslaitoksen tavoitetasot. Työtilan yleisilman pitoisuudet jäivät mittauksissa hyvin mataliksi. Työntekijät käyttävät hiukkaset (P3) ja orgaaniset höyryt suodattavaa TH2-luokan puhallinsuojainta, työvaatteita ja mekaanisilta vaaroilta suojaavia käsineitä työskentelyn aikana.

Lopuksi

Kertyneen niukan tutkimustiedon valossa metallien lisäävässä valmistuksessa työntekijän altistuminen jää yleensä perinteistä metalliteollisuutta pienemmäksi. Menetelmä ei kuitenkaan ole syrjäyttämässä perinteisiä valmistustapoja tällä hetkellä, vaan se täydentää sitä. Toistaiseksi laitteistot keskittyvät tutkimusorganisaatioihin ja lisäävään valmistukseen erikoistuneisiin yrityksiin. Laitteissa ja menetelmissä on merkittäviä eroja, ja turvallisuusnäkökulmat tulee pitää mielessä niitä valittaessa ja käyttöön otettaessa.

Työterveyshuollon on tärkeää olla tietoinen uuteen tekniikkaan mahdollisesti liittyvistä terveysriskeistä. Tulostustyössä eri metalleja sisältävä hengittyvä pöly muodostaa merkittävimmän terveysriskin ja korostaa pölynhallinnan tärkeyttä. Pölyn kulkeutuminen tuotantotiloista vaatteissa ja jalkineissa tulee pyrkiä estämään. Tärkeää on tuntea käytettävät materiaalit ja arvioida niihin liittyvät terveysvaarat. Vähäisen tutkimustiedon takia kynnyksen altistumisen arviointiin biomonitoroinnin ja työhygieenisten selvitysten avulla tulee olla matalalla. Muovimateriaalien 3D-tulostuksessa tekniikan halpeneminen on tuonut tulostimet koteihin ja toimistoihin, jolloin työturvallisuuden huomiointi on välillä unohtunut. Todennäköisesti myös metallien lisäävän valmistuksen laitteistot halpenevat tulevaisuudessa ja tekniikka yleistyy, mutta metallitulostuksesta tuskin tulee muovitulostuksen kaltaista jokamiehen tekniikkaa.