Wohlers Report on tunnetuin 3D-tulostukseen (lisäävään valmistukseen) liittyvistä vuosittaisista julkaisuista. Kyseessä on alan perusteos, sillä nyt vuorossa on jo 29. peräkkäinen julkaisu. Nykyisin ASTM Internationalin alaisuudessa julkaistusta raportista saa hyvän kuvan markkinoiden tilanteesta, teknisestä kehitysasteesta ja siitä mihin suuntaan alalla ollaan menossa. Lisätietoja: https://wohlersassociates.com/

Vuoden 2024 raportin tekemiseen on osallistunut 11 Wohlers Associates kirjoittajan lisäksi sata asiantuntijaa 35 eri maasta. Raportin tilastotiedot kerättiin 113 palveluntarjoajalta, 115 laitevalmistajalta ja 17 materiaalivalmistajalta.

Wohlers julkaisee raportin lisäksi nykyisin viikoittaisia Wohlers weekly -tietoiskuja joista on poimittu tilannekatsaukseen joitakin huomionarvoisia uutisia. Tässä tilannekatsauksen ensimmäisessä osassa käydään uutisten lisäksi läpi kasvulukuja, 3D-tulostuksen käyttökohteita sekä 3D-tulostusmateriaalien käyttöä.

Seuraavassa on listattuna muutamia kasvulukuja viime vuodesta:

• 3D-tulostusteollisuus kasvoi viime vuonna 11.1% edellisvuoteen verrattuna. Luku kerättiin 245 3D-tulostustoimijalta, sisältäen laitevalmistajia, palveluntarjoajia ja materiaalitoimittajia.
• 3D-tulostusteollisuuden markkinoiden arvo oli 2023 noin 20 miljardia dollaria sisältäen 3D-tulostukseen liittyvien tuotteiden, laitteiden ja palveluiden myynnit laitetoimittajilta ja palveluntarjoajilta. On hyvä huomata, että luku ei sisällä eri organisaatioiden sisäisiä tutkimus- kehitys ja tuotantolukuja.
• 3D-tulostuslaitteiden ja järjestelmien myynti oli 3.67 miljardia dollaria vuonna 2023. Tässä oli laskua 3.4% edellisvuoteen verrattuna. 
• Kokonaisuudessaan teollisen tason 3D-tulostuslaitteita myytiin 25642 kpl, laskua edellisvuoteen verrattuna oli 12.9% (3D-tulostuslaitteita myytiin 29466 kpl vuonna 2022).
• Teollisen tason metallitulostuslaitteiden myytiin 3893 kpl, eli metallitulostinten myynti määrä kasvoi 24.4% edellisvuoteen verrattuna. Myytyjen teollisten 3D-tulostuslaitteiden määrä on siis vähentynyt muovitulostinten puolella.

Muutamia uutispoimintoja viime vuodelta ja tämän vuoden alkupuolelta:

• 3D Systems, yksi 3D-tulostusalan suurimmista yrityksistä, sai Yhdysvalloissa 27 miljoonan dollarin sakot vientisääntöjen rikkomisesta. Yritys oli syytteen mukaan välittänyt luvanvaraista tietoa kiinalaiselle tytäryhtiölleen ilman viranomaisten hyväksyntää.
• Nano Dimension ostaa Desktop Metal -yrityksen koko jäljellä olevan osakekannan ja sulautuvat uudeksi yritykseksi. Hankinta on mahdollisesti päätös viime vuosien näytelmään, jossa kolme suurta toimijaa, Nano Dimension, Stratasys ja 3D Systems ovat käyneet hyvinkin julkista riitelyä siitä kuka ostaa kenetkin.
• Mighty Buildings, kalifornialainen betonitulostukseen erikoistunut rakennusyritys, hankki rahankeruullaan 52 miljoonaa dollaria. Yritys ilmoitti rahoituksen voimin vievänsä eteenpäin kehitystyöstä taloelementtien esivalmistuksesta 3D-tulostamalla.
• Joulukuussa julkaistiin uusi ASTM/ISO standardi rakennusalalle. Standardi ISO/ASTM 52939:2023 ”Additive manufacturing for construction” kattaa hyväksyntämenettelyn periaatteet rakenteelliseen ja infrarakentamiseen liittyen, silloin kun valmistusmenetelmänä on lisäävä valmistus.
• Nexa3D osti pursotuslaitteita valmistavan Essentiumin tammikuussa 2024. Yrityksen tuotevalikoima laajenee yrityskaupan myötä pursotustekniikan puolelle.
• 3D-tulostettuja urheiluautoja valmistava Divergent Technologies sai päätökseen Series D -rahoituskierroksensa keräten 230 miljoonaa dollaria. Yritys on kehittänyt Divergent Adaptive Production System (DAPS) -menetelmän, jolla se pyrkii uudistamaan ja tehostamaan ajoneuvojen valmistusta. DAPS:in ytimessä on tekoälyä hyödyntävä suunnitteluohjelmisto, lisäävä valmistus sekä automaattinen kokoonpano jossa ei tarvita kiinnittimiä. Divergentin asiakkaina on useita urheiluautojen valmistajia kuten Aston Martin, Bugatti, McLaren ja Mercedes-AMG.
• SmileDirectClub, hampaiden oikomiskalvojen valmistukseen erikoistunut yritys, hakeutui konkurssiin ja lopetti toimintansa joulukuussa 2023. Yrityksellä oli 6300 työntekijää, ja se oli viime vuosina otsikoissa useista oikeuskiistoistaan kilpailijoiden kanssa.
• BigRep yhdistyy SMG Technology Acceleration -yrityksen kanssa. BigRep on tunnettu hollantilainen laitevalmistaja, joka on erikoistunut pursotustekniikkaan perustuviin suuren kokoluokan tulostuslaitteisiin.
• GKN Aerospace investoi 50 miljoonaa dollaria uuteen 3D-tulostuskeskukseen Trollhättaniin, Ruotsiin.
• Wilson Sportin Goods ilmoitti helmikuussa 2024 alkavansa valmistamaan ilmatonta, 3D-tulostettua koripalloa. Tuotteen nimi on Gen1, ja se on valmistettu polyamidista. Pallon monimutkainen geometria on mahdollista valmistaa vain 3D-tulostamalla, ja sen materiaalina on polyamidi. Pallon kerrotaan vastaavan pomppuominaisuuksiltaan ja suorituskyvyltään perinteisiä ilmatäytteisiä koripalloja.

3D-tulostuksen palveluntarjoajien osalta tapahtui muutoksia kahden suuren toimijan osalta: Shapeways ja Sculpteo.

Shapeways, yksi maailman suurimmista tulostuspalveluntarjoajista, meni konkurssiin kesän alussa. Yritys oli tunnettu myös kuluttajien parissa, sillä se oli ensimmäisiä toimijoita markkinoilla joka tarjosi lisäävän valmistuksen palveluita verkkoalustan kautta sekä yritysten että kuluttajien käyttöön. Toimintalogiikkana on se, että kuka vain voi tarjota yrityksen alustalla tuotteitaan myytäväksi, ja asiakkaan tilatessa tuotteen Shapeways hoitaa valmistuksen ja toimittaa tuotteen loppuasiakkaalle. Markkinoille jää edelleen kilpailijoita jotka toimivat samalla toimintaperiaatteella. Näistä merkittävin lienee maailman suurin 3D-tulostuspalveluntarjoaja Materialise, joka on tunnettu tulostuspalvelun lisäksi 3D-tulostuksen ohjelmistoista sekä teollisen tason 3D-tulostusjärjestelmiin (Materialise Magics) että terveysalalle (Materialise Mimics).

Vain kuukausi Shapeways:in konkurssi-ilmoituksen jälkeen yrityksen Euroopan yksikön työntekijät perustivat uuden yrityksen nimeltään Manuevo, joka osti Shapeways:in tuotantolaitoksen toiminnot. Manuevo on siten maailman mittakaavassa merkittävä 3D-tulostuksen palveluntarjoaja, jonka tarjonnassa on osavalmistusta 12 eri tulostusteknologialla ja valikoimissa yli 120 materiaalia.

Koska hankittu laitekanta ja uuden yrityksen toimintaperiaate säilyy ennallaan, on mielenkiintoista seurata, pärjääkö uusi yritys kiristyvässä kilpailutilanteessa. Tässä auttanee se, että yritys keskittyy B2B -asiakkaisiin ja hankitun, tuotantoon keskittyneen tytäryrityksen toiminnot olivat kannattavia jo ennen Shapeways:in konkurssia.

Myös Sculpteo on yksi maailman suurista palveluntarjoajista. BASF hankki sen omistukseensa 2019, mutta heinäkuussa 2024 BASF siirsi kaikki 3D-tulostukseen liittyvät toiminnot BASF Forward AM -yksikön alaisuuteen. Jatkossa BASF Forward AM toimii itsenäisenä yrityksenä. Yrityksen mukaan järjestely mahdollistaa ketterämmän ja nopeamman, asiakaskeskeisen palvelutoiminnan. BASF tuli mukaan 3D-tulostusmarkkinoille 2017 ja on vakiinnuttanut asemansa merkittävänä muovitulostusmateriaalien toimittajana. Yritys on viime vuosina tiivistänyt yhteistyötä useiden 3D-tulostuksen laitevalmistajien ja palveluntarjoajien kanssa.

3D-tulostuksen käyttökohteet palveluntarjoajien näkökulmasta katsottuna 2023

Wohlers Report kerää vuosittain lisäävän valmistuksen käyttökohteista tietoa laitevalmistajilta, palveluntarjoajilta ja materiaalitoimittajilta. Tämän vuoden kyselyyn oli vastannut 113 palveluntarjoajaa ympäri maailmaa, mikä antaa hyvän kuvan siitä, minkälaisia käyttökohteita 3D-tulostuksella on ja miten valmistusmenetelmän käyttö teollisuudessa yleistyy.

Palveluntarjoajien lisäksi valmistusmenetelmä on jo laajasti käytössä eri toimialoilla, niin valmistavassa teollisuudessa kuin terveysalallakin. Esimerkiksi teollisuudesta löytyy esimerkkejä yrityksistä kuten Philips, BMW tai GE, joilla on suuriakin tulostusyksiköitä palvelemassa niiden omaa tuotantoa ja/tai toimintaa. Yritykset kuitenkin hyödyntävät tämän lisäksi runsaasti palveluntarjoajien tuotantokapasiteettia. Tästä johtuen palveluntarjoajien tilastot antavat hyvän kuvan siitä, mihin käyttökohteisiin 3D-tulostusta tällä hetkellä käytetään, vaikka yritysten omia tuotantoyksiköitä ei olekaan siinä huomioitu.

Lopputuotteiden valmistus (31,7 %) on noussut viime vuosina selvästi suurimmaksi käyttökohteeksi ja jatkoi edelleen kasvuaan edellisvuosiin verrattuna. Lopputuotteilla tarkoitetaan kyselyssä sellaisia tuotteita, jotka myydään suoraan loppuasiakkaan käyttöön. Näitä ovat paitsi suorat lopputuotteet kuten korut, silmälasit, pohjalliset tai hammaskruunut, myös osat, joista lopullinen myytävä lopputuote osittain tai kokonaan muodostuu.

Toiminnalliset prototyypit (24,6 %) olivat edellisvuosien tapaan toiseksi suurin käyttökohde. Niitä käytetään tyypillisesti suunnittelun validoinnissa sekä tuotteiden toiminnallisuuden tarkastuksessa mm. toleranssien ja soveltuvuuden osalta. Valmistajat käyttävät 3D-tulostusta enenevissä määrin sekä prototyyppivaiheessa että sarjatuotannossa. Merkittävänä hyötynä tässä on se, että samaa prosessia, materiaalia ja työnkulkua voidaan käyttää koko tuotteen elinkaaren ajan.

Hyvänä esimerkkinä toiminnallisesta prototyypistä on alla olevassa kuvassa näkyvä lumilaudan side. Rome Snowboards -yrityksen mukaan 3D-tulostuksen käyttö nopeuttaa heillä tuotekehitystä, sillä 3D-tulostettuja osia voidaan käyttää todellisissa testeissä laskettelurinteessä ja saada nopeasti tietoa jatkokehitystarpeista. Tyypillisiä teollisuuden käyttökohteita ovat esimerkiksi erilaiset tarttujat, joista osa saatetaan myös valmistaa 3D-tulostamalla testausvaiheen jälkeen.

Koulutus ja tutkimus (11,6 %).

Koulutus ja tutkimus on pysynyt viime vuosina tilastossa kolmantena. Raportissa ei tarkemmin eritellä mitä kategoria pitää sisällään ja on hyvin mahdollista, että vastaajienkin kesken on epäselvyyttä mihin raja vedetään koulutus- ja tutkimus -kategorian, toiminnallisten prototyyppien ja esimerkiksi kosmeettisen mallin välillä. Kun kyseessä on uuden tuotteen kehitysprosessi, voi saman tuotteen osien valmistus osua jopa kaikkeen kolmeen edellä mainittuun kategoriaan.

Kosmeettiset mallit (8,2 %)

Kosmeettisilla malleilla tarkoitetaan näköismalleja, joita käytetään mm. suunnittelun tukena. Kyseessä ei ole toiminnalliset prototyypit, vaan nimensä mukaisesti näköismallit jotka eivät ota kantaa toiminnallisuuteen. Usein tuotteesta valmistetaan useita eri versioita, joista voidaan valita paras tai parhaat vaihtoehdot tuotesuunnittelun jatkamiseen. Usein mallit viimeistellään pinnoittamalla tai maalaamalla mutta käytetystä tulostusteknologiasta riippuen mallit voivat olla myös täysväritulosteita, Kategoria sisältää myös arkkitehtipuolen pienoismallit rakennusteollisuuden käytössä sekä anatomiset mallit, joita käytetään mm. sairaaloissa leikkaussuunnittelussa.

Jigit/kiinnittimet (7,7 %)

Jigit ja kiinnittimet -kategoria sisältää myös valmistavan teollisuuden käyttökohteiden mittatyökalujen ja kokoonpanon apuvälineiden lisäksi myös sairaaloissa käytettävät poraus- ja leikkausohjurit. 3D-tulostus on nykyisin yksi menetelmäsuunnittelijoiden perustyökaluista, sillä se mahdollistaa monimutkaistenkin muotojen valmistamisen kustannustehokkaasti ja nopeasti. Tyypillisesti kokoonpanon apuvälineiden valmistuksessa käytetään perusmateriaaleja kuten PETG ja nylon, mutta viimeisien vuosien aikana joustavat ja kulutuskestävät materiaalit kuten TPU ovat herättäneet runsaasti kiinnostusta, sillä niiden tulostus onnistuu myös perustason laitteita. Alla olevassa kuvassa vasemmalla on Markforgedin esimerkkilaskelma 3D-tulostetun hitsauskiinnittimen valmistuksen kustannustehokkuudesta perinteisiin valmistusmenetelmiin verrattuna. Materiaalina kyseisessä tapauksessa on hiilikuituvahvistettu nylon (PA12).

Sairaaloissa käytettävät leikkaus- ja porausohjurit tuovat tehokkuutta ja parantavat potilasturvallisuutta. Niiden merkitys varsinkin haastavammissa leikkauksissa on selvä, mutta valmistusmenetelmän yleistyessä ja käyttökustannusten laskiessa ne yleistynevät myös sellaisissa perustason operaatioissa, joissa ne vähentävät leikkausaikaa. Tarvittavat 3D-tulosteet valmistetaan usein sairaaloiden sisäisissä tulostusyksiköissä josta johtuen niiden osuus palveluntarjoajien tilastoissa on suhteellisen pieni käyttöön nähden.

Muut (6,9 %)

Nimensä mukaisesti muut -kategorian alle kuuluvat kaikki loput käyttökohteet, mitkä eivät muihin kategorioihin sovi.

Polymeerimallit ja muotit (5,4 %)

Valumallit ja muotit sekä muottien keernat ja lestit. Sisältää sekä polymeeri- että hiekkamuotit eri 3D-tulostusmenetelmillä valmistettuna. Viime vuosina suurten kokoluokan muottien valmistaminen robottitulostusta hyödyntämällä on yleistynyt samaa vauhtia suurempien järjestelmien yleistyessä.

Alla olevassa kuvassa esimerkki välikotelon valumalli stereolitografiamenetelmällä valmistettuna, keskellä suuremman kokoluokan muotti robottitulostuksella valmistettuna ja oikealla kolmeosainen hiekkamuotti.

Metallimuotit (3,9 %)

Tämän kategorian alle kuuluvat metallista 3D-tulostamalla valmistetut metallimuotit. Muottien valmistus suoraan 3D-tulostamalla mahdollistaa monimutkaistenkin muotojen ja jäähdytyskanavien optimoinnin muottien sisälle. Teollisuudesta löytyy hyviä esimerkkejä siitä, miten tulostettujen metallimuottien avulla sykliaikoja on saatu nopeutettu useita kymmeniä prosentteja. On kuitenkin hyvä huomioida, että vaikka muotti valmistettaisiinkin 3D-tulostamalla, niin tyypillisesti sen pinta kuitenkin joudutaan vielä koneistamaan haluttuun pinnanlaatuun. Alla olevassa kuvassa on esillä metallimuotteja ja inserttejä jauhepetimenetelmällä valmistettuna.

Tulostusmateriaalit

3D-tulostusmateriaaleja on saatavilla nykyisin jo laaja valikoima eri tulostusmenetelmille. Wohlers Reportissa viitataan Senvolin tietokantaan materiaalitoimittajista eri menetelmille. Senvolin materiaalipankki löytyy osoitteesta http://senvol.com/material-search/ Tilastojen mukaan vuonna 2023 polymeerit kattoivat 53% ja metallit 35% tarjolla olevista 3D-tulostusmateriaaleista. Suurin kasvu, 16% edellisvuoteen verrattuna oli komposiittimateriaalien tarjonnassa. Menetelmittäin jaoteltuna materiaalitarjonta oli vuonna 2023 seuraavanlainen:

3D-tulostusmateriaalien markkinoiden koko vuonna 2023 oli 3.65 miljardia dollaria eli kasvua tuli 11.9% edellisvuoteen verrattuna.

Seuraavissa kuvaajissa on esitettynä 3D-tulostusmateriaalien markkinaosuuden materiaalityypeittäin sekä muovi- että metallitulostuspalvelujen suhteellinen osuus palveluntarjoajien osalta. Edellisvuosiin verrattuna tilanne on muuttunut selvästi siihen suuntaan, että yhtä useammalla palveluntarjoajalla on nyt valikoimassa sekä muovi- että metallitulostusmateriaaleja. Suomen osaltahan tilanne on ollut jo useamman vuoden ajan se, että valtaosalla merkittävimmistä kotimaisista 3D-tulostuspalveluntarjoajista on tarjonnassa sekä muovi- että metallitulostus.

Artikkelin tämän osan viimeisenä taulukkona esitellään palveluntarjoajien kannattavimmat tulostusmateriaalit 2023. Koska kyselyssä on kartoitettu materiaalien käyttöä nimenomaan kannattavuuden näkökulmasta, ei se välttämättä ole tarkoittanut kaikkien vastaajien osalta sitä, että kyseessä olisivat olleet palveluntarjoajan eniten käyttämät materiaalit. Tästä johtuen esimerkiksi polymeerien puolella näkyy korkealla osuudella erikoismateriaaleista ULTEM, vaikka määrällisesti PLA on pursotuspuolella ylivoimaisesti yleisin materiaalia. ULTEM on materiaalina kallis ja edellyttää teollisen tason tulostuslaitteistoa. Tämä puolestaan rajoittaa palveluntarjoajien määrää ja vähentää kilpailua, mahdollistaen korkeamman hintatason ja paremmat katteet toimijoille. Myös kyseisen materiaalin tyypilliset käyttökohteet ilmailu- ja avaruusalan puolella ovat sellaisia, joissa hinta ei ole useinkaan määräävä tekijä. 

Metallitulostusmateriaalien puolella neljä yleisintä – alumiini, inconel, ruostumaton teräs ja titaani ovat myös Suomen palveluntarjoajilla neljä yleisintä tulostusmateriaalia.

---

Kirjoittaja:

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

---

Tämä artikkeli on toteutettu 3D-tulostuksen yhteishankkeessa (3DTY). Hankkeen verkkosivut löytyvät osoitteesta: www.3dty.fi

Hanke rahoitetaan Uudistuva ja osaava Suomi 2021–2027 (EAKR) rahoitusohjelman valtakunnallisesta innovaatio- ja osaamisverkostot teemasta, jonka hallinnoiva viranomainen on Etelä-Savon ELY-keskus.