11.09.2026

Case: Kokemuksia 3D-tulostetun lämpömuovausmuotin käytöstä tuulilasin muotoilussa

3D-tulostus tarjoaa uusia mahdollisuuksia muottien valmistukseen etenkin silloin, kun tuotantosarjat ovat pieniä, muodot haastavia ja vaatimukset muuttuvat nopeasti. Case-artikkeli kuvaa 3D-tulostetun lämpömuovausmuotin käytännön kokeilusta saadut opit suunnittelusta testaukseen.

Muottien valmistus on perinteisesti perustunut koneistettuihin levyihin, massiivisiin rakenteisiin ja työläisiin kokoonpanovaiheisiin, jotka rajoittavat muotoilun vapautta, lisäävät kustannuksia ja pidentävät toimitusaikoja. Tämä korostuu erityisesti piensarjoissa sekä yksilöllisissä tai monimutkaisissa muoteissa, joita käytetään esimerkiksi komposiittilaminoinnissa, valumuoteissa, prototyyppimuoteissa sekä erilaisissa teollisissa tuotantotyökaluissa (Massivit 2025).

3D‑tulostus tuo uudenlaisen näkökulman: muotin sisäiset rakenteet voidaan optimoida kennomaisiksi, jäykisteet integroida suoraan malliin ja materiaalin määrä mitoittaa täsmälleen tarpeen mukaan. Muotti voidaan siis valmistaa suoraan digitaalisesta mallista kevyenä, rakenteellisesti optimoituna ja nopeasti muokattavana kokonaisuutena. Tämä avaa mahdollisuuden valmistaa muotteja, jotka ovat aiemmin olleet liian hitaita, kalliita tai hankalia toteuttaa perinteisin menetelmin (Pelin 2022).

AM-MOVE hankkeessa tutkittiin suuren mittakaavan 3D-tulostuksen sovelluskohteita muun muassa kaupunkiajoneuvojen valmistuksessa. Hankkeessa toteutettuun ajoneuvon prototyyppiin suunniteltiin kuvan 1 mukainen tuulilasi, joka valmistettiin lämpömuovausmuotin avulla polykarbonaattilevystä.

Muotin puolikkaat ovat suuren kokonsa vuoksi melko raskaita käsitellä. Prototyyppivalmistuksessa muotteja valmistetaan usein esimerkiksi MDF-levystä jyrsimällä, jolloin rakenteet ovat lähtökohtaisesti massiivisia. Valmistus 3D-tulostamalla mahdollistaa rakenteen keventämisen ja siten materiaalin säästön käyttämällä muotin sisäosissa harvaa täyttörakennetta. Kevennys vaikuttaa heikentävästi muotin mekaaniseen lujuuteen, mutta tämän vaikutus voidaan ottaa huomioon jo suunnitteluvaiheessa.

Tavoitteeksi asetettiin muotin osien kevennys mahdollisimman paljon kuitenkin siten, että muotin lujuus olisi riittävä käytön kannalta. Taulukossa 1 esitetään 3D-tulostettujen muotin puolikkaiden massat sekä vertailun vuoksi vastaavien umpinaisten rakenteiden massat. Vertailu havainnollistaa, kuinka merkittävä painon- ja materiaalinsäästö voidaan saavuttaa verrattuna perinteisiin prototyyppimuotteihin.

Muotin valmistus biokomposiitista

3D-tulostusmateriaaliksi valittiin UPM Formi 3D20/19 -laatu, joka sisältää 20 % selluloosakuitua ja 80 % bioperäistä PLA-polymeeriä. Materiaali on ekologisempi vaihtoehto verrattuna neitseellisiin muovilaatuihin ja sillä on puumateriaaleihin verrattavissa olevat jälkityöstöominaisuudet.

3D-tulostusta varten muotin malli vietiin Simplify3D-viipalointiohjelmistoon (Simplify3D, Blue Ash, Ohio, USA), jossa malli muunnettiin 3D-tulostimen ymmärtämiksi liikeradoiksi eli g-koodiksi. Ohjelmassa määritettiin tulostusparametrit lämpötiloja lukuun ottamatta. 

Tulostusprosessi tehtiin 4 mm:n suuttimella. Viivanleveydeksi määritettiin 6 mm ja kerroskorkeudeksi 1,5 mm. Ulkokuoressa käytettiin kahta seinämäkierrosta. Rakenteen kevennys tehtiin sisäosan täyttöaste parametrilla, joksi määritettiin 6 %.

Etukäteen oli tiedossa, että tulostettu pinta tulisi olemaan liian karkea käytettäväksi suoraan muottipintana. Tästä syystä taivutettavaa muovia vasten jäävät muottipinnat varauduttiin silottamaan jälkikäteen jyrsimällä. Jyrsintävarat huomioitiin viipaloinnin yhteydessä turvottamalla ulkoseiniä 3 mm x- ja y-suunnissa alkuperäiseen malliin nähden. Muotin puolikkaat tulostettiin kyljellään kuvan 3 mukaisesti, mikä mahdollistaa muottipinnalle parhaimman pinnanlaadun.

Viipaloinnin jälkeen muotin puolikkaat 3D-tulostettiin Xamkin Elektroniikan 3K-tehtaan Super Discovery 3D Printer Workstation (valmistaja CNC Barcenas) -3D-tulostinlaitteistolla. Tulostusalustan lämpötilaksi asetettiin 60 °C ja extruuderin neljälle lämpötilavyöhykkeelle lämpötilat, alkaen suuttimen lämpötilasta, 190–180–170–160 °C. Tulostusaika kuperalle puolikkaalle oli noin 24 tuntia ja koveralle 22 tuntia (kuva 4).

Muottipintojen viimeistely: jyrsintä, kittaus ja hionta

Muotin puolikkaiden varsinaiset muottipinnat silotettiin jyrsimällä Super Discovery 3D Printer Workstation -tulostusasemaan integroidulla jyrsinpäällä.  Kappaleet kiinnitettiin tulostimen tulostusalustalle kuvan 5 mukaisesti ja kohdistettiin x- ja y-akseleiden suuntaisesti.

Jyrsintäohjelmaan vietiin kappaleen alkuperäinen CAD-malli, jonka muotoiseksi muottipinta ajettiin 8 mm:n pallopääterällä x-suuntaisilla vedoilla käyttäen 0,5 mm:n y-suuntaista askelväliä. Jyrsintäohjelma vei aikaa 10 h 45 min per kappale.

Jyrsinnässä poistettu materiaalivahvuus oli teoriassa ulkoseinämille tehdyn 3 mm:n turvotuksen verran. Käytännössä poistetun materiaalin paksuus vaihteli 0 ja 5 mm:n välillä. Vaihtelua aiheutti osaltaan kappaleen manuaalisen kohdistamisen epätarkkuus tulostusalustaan. Selvästi suurin tekijä oli kuitenkin 3D-tulostuksen epätarkkuudesta johtuvat vääristymät malliin nähden. Materiaalin liian suuri tai liian pieni määrä 3D-tulostuksessa vaikutti seinäpaksuuteen.

Kappaleen kutistuminen jäähtyessä sekä mahdolliset tästä aiheutuvat vääristymät vaikuttavat niin ikään mittatarkkuuteen. Esimerkiksi koveran muotin jyrsinnässä havaittiin, että keskellä kappaletta jyrsinterä ei paikoin poistanut yhtään materiaalia. Muotti oli tulostuksen aikana ja jäähtyessään vääntynyt lievästi takaseinästä keskeltä ulospäin, jolloin kovera osuus oli alkuperäistä syvempi ja 3 mm:n jyrsintävara oli riittämätön.

Muotin puolikkaiden muottipinnat viimeisteltiin kittaamalla epätasaiset kohdat muovikitillä ja hiomalla pinta kauttaaltaan kevyesti. Muotin mekaaninen kestävyys varmistettiin vielä muotin sivuille muotoon leikatuilla vanereilla ja näiden läpi viedyillä kierretangoilla (kuva 6). Kierretankojen päät toimivat samalla kantokahvoina.

Lämpömuovauskokeet

Fakta: Polykarbonaatin lämpömuovausprosessi

Polykarbonaatin lämpömuovausprosessi (kuva 7) koostuu kolmesta päävaiheesta: lämmitys, muovaus ja jäähdytys. Ennen lämmitysvaihetta muovattavalle materiaalille suositellaan esikuivausta 125°C lämpötilassa levyn paksuudesta riippuvan ajan, esimerkiksi 3 mm levylle 4 tuntia. Muovauksessa lämpötilan pitää olla hieman lasittumislämpötilan yläpuolella, jolloin materiaali pehmenee, mutta kuitenkin sulamislämpötilan alapuolella. Polykarbonaatin lämpömuovaus vaatii kohtuullisen korkeita lämpötiloja, levyn lämpötila tulisi olla 170–225 °C riippuen muun muassa geometriasta, levyn paksuudesta ja muovaustekniikasta. Lisäksi on suositeltavaa lämmittää muotti tai muovauskehys 120–130 °C:n lämpötilaan. Jäähdytysvaiheessa kappale voidaan poistaa muotista lämpötilan laskiessa alle 125 °C:n. (GE Structured products s. a.)

Ennen lämpömuovauskokeita nousi esiin huoli muotin viimeistelyyn käytetyn muovikitin lämpötilakestosta, varsinkin kun muottia esilämmitetään. Oli mahdollista, että kitti tarttuu muotista muovattavaan aihioon ja siten tekisi valmistetusta kappaleesta käyttökelvottoman.

Tämän vuoksi hankittiin kahta erilaista, ohutta noin 200 °C:n lämpötilan kestävää alun perin laminointiprosesseissa käytettävää irrotuskalvoa, jotka teipattiin levyaihioiden pintaan ennen lämmitystä. Kalvojen tarkoitus oli estää mahdollinen kitin tarttuminen ja toisaalta lieventää myös muottiin mahdollisesti jääneiden pinnan epätasaisuuksien jäljentymistä muovattuun muotoon. Varsinaisia lämpömuovaukseen tarkoitettuja lämpömuovauskalvoja ei ollut mahdollista hankkia tässä yhteydessä.

Koska polykarbonaatti absorboi kosteutta huomattavasti vähemmän kuin monet muut hygroskooppiset muovilaadut (GE Structured Products, s.a.) eikä tarkoitukseen soveltuvaa kuivauslaitteistoa ollut käytettävissä, muovauskokeissa käytettyjä levyaihioita ei esikuivattu ennen kokeiden suorittamista.

Lämpömuovaus tehtiin kolmelle levyaihioille (taulukko 2). Muotin esilämmitys tehtiin suljetussa lämpökammiossa, jonka lämpötilaksi säädettiin 45 °C. Lämpötila valikoitui ensisijaisesti lämmityskammion lämmityskapasiteetin ja toisaalta muottimateriaalin lämpötilankeston perusteella. Vaakatasossa suljettuna oleva muotti vietiin kammioon siirtoalustan päällä, josta se oli nopea tuoda lämmitetyn levyaihion viereen.

Muottia lämmitettiin ennen ensimmäistä taivutuskoetta tunnin ajan, jotta saavuttiin tasainen lämpötila. Levyaihiot lämmitettiin yksitellen 170 °C:n lämpötilaan säädetyssä polttomaalauskammiossa teräksisen siirtovaunun päällä. 10 minuutin lämmityksen jälkeen levy ei ollut vielä pehmennyt riittävästi, jolloin päätettiin jatkaa lämmitystä 20 minuuttiin asti. Tällöin aihio oli jo selvästi pehmentynyt.

Muotti tuotiin lämmityskammiosta polttomaalausuunin viereen ja muotin kupera puoli nostettiin sivuun. Lämmitetty levyaihio otettiin lämmitysuunista ja keskitettiin nopeasti muotin koveran puolen päälle. Kupera puoli nostettiin näiden päälle ja vielä päällimmäiseksi 180 kg:n lisäpaino varmistamaan muotin kiinni pysyminen ja taivutetun muodon säilyminen jäähtymisvaiheessa. 10 minuutin jälkeen levyaihion arvioitiin jäähtyneen tarpeeksi ja muotti aukaistiin. Tämän jälkeen koko prosessi toistettiin uudella levyaihiolla.

Ensimmäisessä ja toisessa kokeessa havaittiin suojakalvojen jättävän levyn pintaan painaumia, sillä kalvon ja levyaihion väliin jäi vaihteleva määrä ilmataskuja huolimatta huolellisesta teippauksesta. Lisäksi nähtiin, että muotinpuolikkaista ei juurikaan ollut irronnut kittiä. Tästä syystä viimeinen muovauskoe tehtiin ilman suojakalvoja. Viimeisessä kokeessa kittiä tarttui hieman levyaihion reuna-alueelle, joka ei jää lopulliseen tuulilasiin.

Kaikki levyaihiot muovautuivat yhtä hyvin muotin muotoon, mutta viimeisen kokeen aihio oli pinnanlaadultaan paras ilman edellä kuvattuja suojakalvojen aiheuttamia pintavirheitä. Kuvassa 8 on esitetty kokeessa 2 muovattu levyaihio jäähdytyksen ja muotin avauksen jälkeen. Kuvassa 9 on parhaiten onnistunut tuulilasi, kokeessa 3 muovattu aihio, muotoonsa leikattuna ja ajoneuvoon paikalleen ruuveilla kiinnitettynä.

Kokeiden tulokset ja keskeiset opit

Muovauskokeissa 3D-tulostettu muotti toimi odotetulla tavalla tuulilasin lämpömuovaussovelluksessa. Suurimmat haasteet koejärjestelyssä liittyivät polykarbonaattiaihion vaatiman korkean lämpötilan saavuttamiseen ja tasaisen lämmityksen varmistamiseen. Kokeissa käytetyillä suojakalvoilla ei havaittu olevan lisäarvoa ja muotti toimi hyvin myös ilman niitä.

Tutkimuksen keskeisenä tavoitteena oli keventää muottia 3D-tulostustekniikkaa hyödyntäen kuitenkaan vaarantamatta sen käytön aikaista mekaanista kestävyyttä. Tavoitteessa onnistuttiin hyvin, sillä kennomaisen sisärakenteen avulla saavutettiin 58–73 %:n materiaalinsäästö verrattuna vastaavaan umpinaiseen rakenteeseen. Muovauskokeissa ei havaittu varsinaisia rakenteellisia vaurioita, joten kevennetyn rakenteen voidaan todeta toimineen suunnitellulla tavalla tutkimuksessa tarkastellussa käyttötapauksessa.

Keskeinen oppi liittyi muotin jälkikäsittelyyn. 3D-tulostetun pinnan laatu ei sellaisenaan ollut riittävä muottipinnaksi, joten pinnat oli viimeisteltävä jyrsimällä. Jyrsinnällä voitiin samalla poistaa tulostusprosessista aiheutuneet muotovääristymät.

Tässä tapauksessa käytetty 3 mm:n jyrsintävara osoittautui kuitenkin hieman liian pieneksi, minkä vuoksi pinnan viimeistelyssä jouduttiin käyttämään paikoin kittiä. Muovauskokeiden aikana osa kitistä suli, mikä korostaa riittävän jyrsintävaran merkitystä jo suunnitteluvaiheessa. Suurempi jyrsintävara mahdollistaisi pinnan viimeistelyn kokonaan koneistamalla parhaimmassa tapauksessa kokonaan ilman kittiä.

Johtopäätökset ja jatkokehitystarpeet

Tulosten perusteella 3D-tulostetut lämpömuovausmuotit soveltuvat hyvin erityisesti prototyyppien ja pienten tuotantosarjojen valmistukseen, joissa korostuvat muottien nopea valmistus, keveys, muokattavuus ja materiaalitehokkuus.

Menetelmä vaikuttaa erityisen hyödylliseltä tilanteissa, joissa valmistettavien kappaleiden määrä on rajallinen tai muotin geometria muuttuu kehitysprosessin aikana. Tutkimuksessa saavutettu merkittävä materiaalinsäästö osoittaa, että 3D-tulostuksen tarjoamia kevennysmahdollisuuksia voidaan hyödyntää ilman, että muotin toimivuus heikkenee käytännön muovauskokeissa.

Muottien pitkäaikaista mekaanista kestävyyttä ei kuitenkaan voitu arvioida tutkimuksessa toteutetun suhteellisen lyhyen koesarjan perusteella. Vaikka tulokset osoittavat ratkaisun soveltuvan vähintään prototyyppien ja pienten tuotantosarjojen valmistukseen, sen soveltuvuudesta pidempiin tuotantosarjoihin tai jatkuvaan tuotantokäyttöön ei voida tehdä luotettavia johtopäätöksiä. Muottien käyttöiän, kulumiskestävyyden ja pitkäaikaisen lämpökuormituksen vaikutusten arviointi edellyttää laajempia ja pidempikestoisia tuotantokokeita. Menetelmän kustannustehokkuutta suhteessa perinteisiin muottien valmistusmenetelmiin olisi myös hyödyllistä tarkastella jatkotutkimuksissa, jotta sen soveltuvuutta eri tuotantomääriin voidaan arvioida kokonaisvaltaisemmin.

Jatkokehityksessä tulisi lisäksi keskittyä muottien valmistusprosessin optimointiin, kuten jyrsintävaran määrittämiseen ja tulostusparametrien kehittämiseen. Tulostusparametrien optimoinnilla voitaisiin vähentää muotovääristymiä ja siten pienentää jälkikäsittelyn tarvetta.