Turun yliopiston johtamalle hankkeelle yli 5 miljoonaa euroa – tavoitteena mullistaa plasmageneraattoriteknologia monimateriaalisella 3D-tulostuksella

Turun yliopisto koordinoi uraauurtavaa kansainvälistä tutkimus- ja innovaatiohanketta, Laser powder-bed-fusion Additive-Manufacturing of complex multi-material Refractory-Copper Plasma generation devices (AM4Plasma), mahdollistaen seuraavan sukupolven plasmageneraattorilaitteiston kehityksen monimateriaalisen metallin 3D-tulostuksen avulla. Läpimurtoteknologia parantaa radikaalisti laitteiston suorituskykyä plasmaruiskutusjärjestelmissäsekä tulevaisuuden fuusioenergia- sekä ilmailu- ja avaruussovelluksissa.

EUREKA-verkoston rahoittama hanke kokoaa yhteen johtavia kumppaneita Suomesta, Kanadasta, Itävallasta, Belgiasta, Puolasta ja Ruotsista. Hankkeen saamasta yli viiden miljoonan euron kokonaisbudjetista Turun yliopiston osuus on 1,5 miljoonaa euroa. Suomessa hanketta rahoittaa Business Finland Co-Innovation -rahoitusmallin kautta. Kolmivuotinen hanke käynnistyy helmikuussa 2026 ja päättyy tammikuussa 2029.

Uusi teknologia voisi mahdollistaa uuden sukupolven plasmaruiskutusteknologian, ydinfuusion ja propulsiojärjestelmät

AM4Plasman tavoitteena on muuttaa perusteellisesti plasmageneraattoreiden valmistusta hyödyntämällä monimateriaalimetallien 3D-tulostusta. Uusi teknologia mahdollistaa käyttöolosuhteet, jotka ylittävät nykyisen teknologian valmiudet. Plasmageneraattorit tuottavat erittäin korkean lämpötilan plasmaa ja ovat keskeisiä kehittyneissä plasmaruiskutusjärjestelmissä. Tämä hanke luo edellytyksiä niin seuraavan sukupolven plasmageneraattorilaitteistojen valmistamiseen kuin tulevien plasmaruiskutustekniikoiden hyödyntämiseen äärimmäisissä lämpötiloissa erilaisissa sovelluksissa, kuten fuusioreaktoreissa sekä ilmailu- ja avaruusteollisuuden propulsiojärjestelmissä.

Suuritehoisen plasmaruiskutustekniikan plasmageneraattorikomponenttien on kestettävä yli 17 MW/m²:n lämpövirtaukset, jotka vastaavat ydinfuusioreaktorin seinämien lämpövirtauksia.

Näissä komponenteissa käytetään korkean lämmönjohtavuuden kuparia yhdessä muiden erittäin korkeita lämpötiloja kestävien metallien, kuten volframin, molybdeenin, tantaalin ja niobiumin, kanssa. 

Perinteisissä valmistusmenetelmissä ei pystytä luotettavasti yhdistämään tällaisia metalleja tai niiden uusia seoksia eikä tuottamaan kehittyneitä rakenteita, kuten mukautuvia jäähdytyskanavia sekä toiminnallisesti vaiheittain muuttuvia liitospintoja.

– Tässä hankkeessa on kyse metallia lisäävän valmistuksen rajojen ylittämisestä äärimmilleen. Yhdistämällä monimateriaalisen metallin 3D-tulostuksen, uuden metalliseossuunnittelun, prosessiälyn ja edistyneen simuloinnin pyrimme mahdollistamaan plasmageneraattorilaitteiston, jonka tehokkuus, käyttöikä ja toiminnallisuus ovat radikaalisti parempia. Menetelmä mullistaisi myös seuraavan sukupolven plasmaruisku-, fuusio- ja propulsiojärjestelmät, sanoo apulaisprofessori Ashish Ganvir, AM4Plasman koordinaattori Turun yliopistosta.

AM4Plasma integroi reaaliaikaisen diagnostiikan, operatiivisen karakterisoinnin ja monimittakaavaisen simulaation tutkiakseen jähmettymistä, faasikehitystä, sidosmekanismeja ja rajapinnan muodostumista tulostuksen aikana.

– Hankkeen ytimessä on haaste yhdistää kuparin poikkeuksellinen lämmönjohtavuus tulenkestävien metalliseosten lujuuteen ja lämpötilankestävyyteen. Tätä yhdistelmää on pidetty yhtenä metallien lisäävän valmistuksen haastavimmista rajoituksista, Ganvir lisää.

Turun yliopisto johtaa maailmanluokan konsortiota

Turun yliopisto koordinoi AM4Plasma-hanketta ja johtaa konsortiossa monimateriaali laserjauhepetiteknologian kehittämistä, jota kutsutaan myös PBF-LB-teknologiaksi (powder-bed fusion – laser-based). Tähän sisältyvät monimateriaalitulostus, seossuunnittelu, prosessien seuranta ja laskennallinen metallurgia. Rahoituksella tuetaan uusia väitöskirja- ja postdoc-tutkijoiden rekrytointeja sekä vahvistetaan monimateriaalisen lisäävän valmistuksen infrastruktuuria Turussa.

Kokonaisuudessaan konsortio kattaa koko lisäävän valmistuksen teknologian jauhekehityksestä jälkikäsittelyyn, edistyneeseen karakterisointiin ja teolliseen validointiin, mikä varmistaa menetelmän nopean saattamisen teolliseen käyttöön.

Suomessa hankekumppaneina ovat Teknologian tutkimuskeskus VTT, Electro Optical Systems Finland Oy, Top Analytica Oy ja Delva Oy. Konsortion kansainväliset kumppanit ovat Metalpine GmbH ja Thermal Spray Innovations GmbH (Itävalta), Schaeffler Aerosint SA (Belgia), Northwest Mettech Corp. (Kanada), AMAZEMET Sp. z o. o. (Puola) sekä Quintus Technologies AB ja Thermo-Calc Software AB (Ruotsi).

AM4Plasma kouluttaa tulevia asiantuntijoita monimateriaalien lisäävään valmistukseen, metalliseosten kehittämiseen, laskennalliseen metallurgiaan sekä edistyneeseen laboratoriomittakaavan ja suuren mittakaavan materiaalien karakterisointiin.

– Uusien osaajien kouluttaminen vahvistaa Suomen ja Euroopan kilpailukykyä edistyksellisissä monimateriaalia lisäävän valmistuksen teknologioissa. AM4Plasma osoittaa, kuinka syvällinen metallurginen tiede yhdistettynä teollisen mittakaavan lisäävään valmistusteknologiaan voi muuttaa kriittisiä sektoreita lämpöruiskutuksesta ja fuusiosta propulsiojärjestelmiin, Ganvir sanoo.

Suomessa hanketta rahoittaa Business Finland Co-Innovation -rahoitusmallin kautta. Puolassa rahoitus tulee NCBR:n (National Centre for Research and Development) kautta, ja Itävallassa rahoittajana toimii FFG (Itävallan tutkimuksen edistämisvirasto). Muut maat osallistuvat hankkeeseen luontoissuorituksina.