Pursottavat 3D-tulostimet ja tulostusalustat: testissä BuildTak FlexPlate

Pursotustekniikkaan perustuvat 3D-tulostimet (FFF, Fused Filament Fabrication) ovat edelleen yleisimpiä kuluttajamarkkinoilla myynnissä oleva 3D-tulostuslaitteita. Tämä johtuu siitä, että ne ovat tekniikaltaan yksinkertaisia, materiaali on edullista, eikä käytössä ole erityisiä riskejä, jos mahdollisia hiukkaspäästöjä ei oteta huomioon.

Yksi pursotustekniikkaan perustuvien laitteiden käyttöön liittyvistä ominaisuuksista on tulostusalustaan liittyvät haasteet, tarkemmin ottaen kappaleiden kiinnipysyminen sekä irrotus. Yleisimmät materiaalit perustason 3D-tulostinten tulostusalustalle ovat lasikuitu/garoliittilevy tai lasi. Lisäksi joillakin palveluntarjoajilla on ollut myynnissä laitteita, joissa tulostusalusta on graniittia. Mikäli materiaalina on lasi, niin pienissä tulostimissa se on yleensä normaalia lasia, suuremmissa materiaalina käytetään usein borosilikaattilasia, sillä se kestää lämpötilamuutoksia tavallista lasia paremmin.

Teollisuustason laitteissa tulostusalusta voi olla erillinen levynsä tai kalvo, joka on kiinni pohjalevyssä esimerkiksi alipaineen avulla. Esimerkiksi Stratasys käyttää laitteissaan kertakäyttöisiä tulostuslevyjä, jonka päälle kappale tulostetaan. Tällä varmistetaan se, että tulostusprosessissa ei tule ongelmia tulostusalustaan tarttumisen kanssa ja minimoidaan tarvittava aseteaika. Luonnollisesti kertakäyttöiset alustat ovat oma kustannuseränsä, mutta teollisuuskäytössä kyseessä on pienempi haitta kuin mahdolliset laatuongelmat. Markkinoille on myös viime aikoina alkanut ilmaantua tulostushihnoilla olevia ratkaisuja, jotka tulevaisuudessa voivat mahdollistaa ”jatkuvan tulostuksen” ja siten pienentää entisestään tulostustöiden vaihtoon kuluvaa aseteaikaa.

Alla olevassa kuvassa on esillä muutamia erilaisia tulostusalustavaihtoehtoja niin kuluttajatasolta kuin teollisuuspuoleltakin.

Kuva 1. Pursotustekniikkaan perustuviin laitteisiin on tarjolla useita erilaisia ratkaisuja tulostusalustan osalta. 1) garoliitti 2) lasi 3) graniitti 4) borosilikaattilasi 5) kalvo+alipaine 6) Liikkuva alusta. Kuvalähteet: 1-4: Savonian 3D-tulostuslaboratorio, 5-6: Formnext 2018

3D-tulostimen mukana tulevaan tulostusalustaan ei luonnollisesti tarvitse tyytyä, vaan sen voi vaihtaa parempaan ratkaisuun niin halutessaan. Harrastelijatason laitteissa alustavan vaihtaminen lasiin on ollut perinteisesti suosittua sen helppouden takia, mutta kehityksen myötä vaihtoehtoja on tullut lisää. Varsinkin erilaiset magneettikiinnitykseen perustuvat tulostusalustat ovat saavuttamassa suosiota.

Oppilaitoskäytössä olevissa laitteissa tulostusalustoja käsitellään välillä kovakouraisesti, sillä joillakin käyttäjillä ei kärsivällisyys riitä kappaleiden varovaiseen irrotukseen alustoista. Jopa graniittialustat murenevat, kun kappaleita kilkutellaan irti mitä eriskummallisimmilla välineillä ja runsasta voimaa käyttäen. Tulostusalustan olisi siis oltava mielellään sellainen, että se kestää myös hieman kovakouraisempaa käyttöä.

Yksi tämän hetken tunnetuimmista magneettikiinnitykseen ja jousiteräslevyyn perustuvista tulostusalustoista on BuildTak FlexPlate. Asennuspaketin hintaluokka keskikokoiselle perustason tulostimelle on noin 100 €, mutta on syytä huomioida, että pinnoite on kuluva osa.

BuildTak FlexPlate

BuildTak FlexPlate on pursottaville tulostimille tarkoitettu magneettinen tulostusalusta. BuildTak FlexPlate-järjestelmä koostuu kolmesta osasta: magneettisesta pohjalevystä, jousiteräslevystä, ja BuildTak-pinnoitteesta. Magneettinen pohjalevy kiinnitetään 3D-tulostimen tulostusalustaan, jonka päälle jousiteräslevy asetetaan. Pohjalevyn magneetit ovat riittävän voimakkaat varmistamaan teräslevylle tukevan kiinnityksen tulostuksen ajaksi.

Jousiteräslevyn käytön ajatus on seuraava: Tulostuksen valmistuttua jousiteräslevy irrotetaan magneettisesta pohjalevystä ja sitä taivutetaan, jolloin tulostettu kappale irtoaa alustasta ilman työkaluja. BuildTak-pinnoitteen tarkoitus on toimia tulosteen ja teräslevyn välisenä adhesiivina. Tavallisesti tähän käytetään liimaa tai teippiä, mutta niistä voi jäädä tulostettavaan kappaleeseen jäämiä jotka vaikuttavat tulostettavan kappaleen ensimmäisen kerroksen pinnanlaatuun. BuildTak-tulostusalustalla saadaan aikaiseksi tasainen laatu ja varma kiinnitys.

Kuva 2. Vasemmalta oikealle: Magneettinen pohjalevy, jousiteräslevy ja BuildTak tulostuspinnoite.

Järjestelmän asennus

BuildTak FlexPlate-järjestelmän asennukseen kuluu aikaa noin 10 minuuttia. Järjestelmä asennetaan puhdistamalla tai irrottamalla ensin 3D-tulostimen alkuperäinen tulostusalusta. Järjestelmän voi siis asentaa vanhan päälle tai korvata sillä vanhan, jos se on mahdollista. Magneettisen pohjalevyn kiinnitys tapahtuu liimalla, joka on valmiiksi levyssä ja suojattu kalvolla. Kalvo irrotetaan ja pohjalevy kiinnitetään tulostimeen. Levyn sijainti kannattaa mitata tarkasti, koska esimerkiksi Easy3DMaker tulostimessa tulostusalustan alumiinilevy on suurempi kuin sen alla oleva lämmityselementti.

Seuraavaksi BuildTak-tulostusalusta kiinnitetään jousiteräslevyyn irrottamalla siitä liimaa suojaava kalvo. Tässä vaiheessa kannattaa olla varovainen, ettei väliin jää ilmakuplia koska yksikin ilmakupla alustassa vaikuttaa negatiivisesti tulosteiden laatuun. Lopuksi jousiteräslevy asetetaan magneettisen pohjalevyn päälle, jonka jälkeen alustan korkeus kalibroidaan. Tulostuksen jälkeen teräslevy voidaan irrottaa alustasta vielä sen ollessa kuumana ja kappale irrotetaan siitä taivuttamalla levyä. Tavallisella tulostusalustalla joudutaan odottamaan tulostusalustan jäähtymistä, jotta kappaleen irrottaminen helpottuu.

Kuva 3. Vasemmalta vanha tulostuslusta, oikealla poistettuna pohjalevyltä.
Kuva 4. BuildTak –tulostuspinnoitteen kiinnittäminen jousiteräslevyyn. Luonnollisesti teräslevy tulee puhdistaa huolellisesti ennen pinnoitteen kiinnittämistä.
Kuva 5. Magneettinen pohjalevy asennettuna, oikealla tulostusalusta pohjalevyn päällä.

BuildTak FlexPlate-järjestelmä käytössä

BuildTak FlexPlate-järjestelmä helpottaa ja nopeuttaa 3D-tulostimen käyttöä: Tulosteiden kiinnittymistä tulostusalustaan ei tarvitse miettiä. Tulosteiden laatu pysyy myös hyvänä niin pitkään, kun BuildTak-pinnoite on hyvässä kunnossa. BuildTak-pinnoitteen on arvioitu kestävän 250 tuntia PLA-tulosteissa ja 50-100 tuntia ABS-tulosteissa. Pinnoitteen voi toki pilata myös ensimmäisellä käyttökerralla, jos tulostin on kalibroitu huonosti.

BuildTak tarjoaa kahta erilaista pinnoitetta: BuildTak ja BuildTak PEI. Ensimmäinen soveltuu yleisimmille filamenteille (mm. ABS, PLA, HIPS…) ja jälkimmäinen puolestaan mm. PETG:lle. Luonnollisesti jokaiselle pinnoitteelle tulee olla oma jousiteräslevynsä.

Kuva 6. BuildTak FlexPlate-järjestelmä käytössä. Kappale irrotetaan jousiteräslevystä taivuttamalla levyä.

Järjestelmä on toiminut käytössä sillä tavalla kuin sen on luvattukin. Tulosteet ovat kiinnittyneet tulostusalustaan jokaisella tulostuskerralla ja niiden irrottaminen on onnistunut ongelmitta. Alustan käyttöikää emme ole vielä ehtineet testaamaan mutta pinnoitteeseen on alkanut ilmaantua pieniä käytön jälkiä muutaman viikon käytön jälkeen.

BuildTak FlexPlate –järjestelmän hinta ja käyttökustannukset ovat ”vakioalustan” käyttöä suuremmat, mutta sillä voidaan katsoa olevan seuraavia hyötyjä:

  • Tulosteiden kiinnitykseen ei tarvitse käyttää liimaa tai teippiä
  • Tulosteet irtoavat helposti alustasta levyä taivuttamalla
  • Tulosteiden laatu paranee

DIY -vaihtoehto

BuildTak vaikuttaa siis toimivalta ratkaisulta, mutta entä jos kustannuksia ajatellen alustaksi vaihtaisi vain perinteisen ruostumattoman teräslevyn?

Savonian 3D-tulostuslaboratoriossa on ollut kokeilussa ”tee-se-itse”-ratkaisu, jossa 2mm teräsalusta on asennettu aiemman alustan päällä hieman FlexPlate –järjestelmän tapaan. Tällöin ei käytössä ole luonnollisestikaan jousiteräslevyn etuja (kappaleiden helppo irrottaminen) mutta toisaalta alusta kestää huomattavasti muita yleisiä materiaaleja kovempaa käyttöä. Mikäli tulostusalustaa vaihtaa, on syytä huomioida myös mahdollinen painoero. Mikäli alusta vaihtuu painavampaan, voi se vaikuttaa 3D-tulostimen mekaanisiin ominaisuuksiin ja sitä kautta aiheuttaa laatuongelmia, ellei painoa kompensoi esimerkiksi tulostusnopeutta laskemalla.

Koska kyseessä on lämmitettävä tulostusalusta, laitettiin lämmön johtumista ajatellen alustan ja teräslevyn väliin piitahnaa.

Huonona puolena puhtaan teräslevyn käytössä on luonnollisesti se, että siitä puuttuu pinnoitus. Käytännössä tulostus ei onnistu suoraan teräsalustan päälle ilman lisäainetta, sillä tulostusmateriaalit eivät tartu riittävän hyvin teräslevyn pintaan lämmityksestä huolimatta.

Asian voi ratkaista perinteiseen tapaan, eli liima-aineen käyttämisellä. Toimivaksi ratkaisuksi on osoittautunut ohut erikeeper (vesiliukoinen puuliima PVAc) –kerros joka kuivuttuaan toimii pinnoitteena. Liimakerros tarttuu alustaan kohtuullisen hyvin ja PLA –muovi puolestaan PVAc liimakerrokseen hyvin.

Kuva 7. Zmorph 2.0 SX -tulostimessa kiinni oleva 2mm teräslevy.

Kappaletta irrotettaessa liimakerros tosin yleensä irtoaa alustan puolelta, joten se on uusittava ennen seuraavaa tulostuskertaa. Irtoava aines jää kiinni alimpaan kerrokseen josta se on tarvittaessa irrotettava. Liiman tilalta voisi toki käyttää myös jotain muuta kiinnikeainetta, esim. kapton –teippiä tai BuildTakin tapaista pinnoitetarraa. Toisaalta tämä tarkoittaisi sitä, että käytössä olisi taas kerran alusta/pinnoite, joka kestää vähemmän käyttöä. Teräslevyn hyödyksi jäisi siis ainoastaan se, että kuluva pinnoite/tarra on helppo vaihtaa aika ajoin teräslevyn päälle.

 

Sampsa Ylönen
Projektityöntekijä

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

3D-tulostus sairaalaympäristössä, tilannekatsaus (kesäkuu 2019)

Tässä blogikirjoituksessa käydään läpi tämän hetken tilannetta koskien 3D-tulostusta sairaalaympäristössä. Aiheeseen liittyen Materialise järjesti kesäkuussa kaksipäiväisen”3D Printing in Medicine” –kurssin pääkonttorillaan Belgiassa. Kurssin ensimmäinen päivä piti sisällään aiheeseen liittyviä puheenvuoroja, luentoja ja paneelikeskusteluja alan ammattilaisilta. Toisen päivän aikana yritys esitteli ohjelmistotuotteitaan työpajoissa käytännön harjoitusten avulla. Tapahtuman yhteydessä oli myös mahdollista tutustua Materialisen pääkonttorissa sijaitsevaan tuotantoyksikköön. Kurssille osallistui yli 60 terveysalan ammattilaista ympäri maailmaa, pääosin Euroopasta. Joukkoon oli myös eksynyt muutamia insinöörejä.  

Yrityksen taustasta sen verran että Materialise on yksi maailman merkittävimmistä toimijoista 3D-tulostuksen liittyvissä toiminnoissa. Sen toiminta voidaan jakaa kolmeen osa-alueeseen: 3D-tulostuspalvelut, 3D-tulostukseen liittyvien ohjelmistotuotteiden kehittäminen ja myynti sekä terveysalaan liittyvät palvelut. 

3D-tulostuspalvelun osalta yritys on maailman suurimpia, ja valmistaa tehtaillaan yli miljoona 3D-tulostettua osaa vuodessa. Asiakkaina ovat paitsi yritykset, myös yksityishenkilöt, jotka voivat tilata tuotteita suoraan yrityksen nettisivujen kautta. Lisätietojahttps://i.materialise.com/en 

Ohjelmistotuotteissa yritys on pitkään dominoinut markkinoita Materialise Magics –ohjelmallaan, jolla valmistellaan (mm. siivutus, nestaus) 3D-mallit tulostusta varten niin muovin kuin metallinkin 3D-tulostimia varten. Vasta viime vuosien aikana markkinoille on alkanut ilmaantua varteenotettavia vaihtoehtoja, mutta Magics säilyy edelleen yhtenä monipuolisimmista. Yritys tarjoaa myös muita aiheeseen liittyviä ohjelmistotuotteita. Lisätietoja: https://www.materialise.com/en/software 

Terveysalaan liittyvät palvelut pitävät sisällään paitsi ohjelmistotuotteita erilaisiin tarpeisiin (mm. DICOM-kuvien käsittelyä, leikkaussuunnittelua) kappaleiden valmistusta, myös kokonaisvaltaista hoidon suunnittelupalveluaYritys on valmistanut tähän mennessä yli 350.000 potilaskohtaista mallia, ohjuria tai implanttia asiakkailleen. Lisätietoja: https://www.materialise.com/en/industries/healthcare 

Luentopäivän antia 

Yleisellä tasolla puhuttaessa 3D-tulostuksen potentiaalisia hyötyjä potilaan hoidossa ovat mm. leikkaussalitoimintaan liittyvät aika- ja kustannussäästöt sekä parempi potilasturvallisuus ja lyhyemmät toipumisajat.  

Päivän punaisena lankana oli POC (Point-of-Care) 3D-printing, eli 3D-tulostuksen käyttö sairaalassa hoitoprosessin yhteydessä. Tämä tarkoittaa sitä, että 3D-tulostusprosessissa käytetään lähtötietona potilaan dataa (yleensä DICOM-muotoista MRI tai CT-kuvadataa), tulostus tehdään sairaalan omassa 3D-tulostusyksikössä ja tehtyä 3D-tulostetta hyödynnetään osana potilaan hoitoprosessia.  

Päivän keynote –puhujana oli alan guru Dr. Jonathan Morris, jonka työpaikkana on Mayo Clinic, Yhdysvaltojen paras sairaala ”U.S. News & World Report” –listauksen mukaan. Tämän pohjalta ei tule yllätyksenä, että Mayo Clinic on yksi 3D-tulostuksen edelläkävijöistä myös maailmanlaajuisesti katsottuna. Sairaalassa aloitettiin 3D-tulostuksen hyödyntäminen 12 vuotta sitten ”kahden lääkärin harrastuksena ja viikonlopputöinä” mutta nykyisin se on jo arkipäivää. Tällä hetkellä siellä valmistetaan yli 3000 potilaan hoitoon liittyvää 3D-tulostetta vuodessa. Mayo Clinic on myös aktiivisesti mukana yhteistyössä FDA:n kanssa luomassa hyväksyntämenettelyjä ja prosesseja 3D-tulostukselle sairaalaympäristöön. 

Morris mainitsi esityksessään, että nykyisin ”3Dprinting is standard of care”. Tällä hän ilmeisesti tarkoitti sitä, että jotta potilas saisi parhaan mahdollisen hoidon, on 3D-tulostuksella siinä olennainen rooli. Se on kuitenkin vain yksi uusi työkalu lääkärien käytössä – ja nimenomaan työkalu, jonka rajoitukset ja hyödyt tulisi tiedostaa. Joitakin mainittuja asioita olivat mm.  

  • 3D-tulostusmenetelmiä on useita, eikä yksikään niistä täytä kaikkia tarpeita. Eri tulostusmenetelmillä on erilaisia vahvuuksia, ja ne soveltuvat eri käyttökohteisiin myös sairaalapuolella.  
  • Lääkärit ovat mukana suunnitteluvaiheessa, mutta eivät ole ”koneenkäyttäjiä”3D-tulostustiimissä on mukana bioinsinöörejä ja koneiden operaattoreita jotka huolehtivat mm. kappaleiden jälkikäsittelystä. 3D-tulosteiden jälkikäsittely voi olla yllättävänkin työlästä, joten siihen tulee olla varattuna omat resurssinsa. 
  • 3D-tulostus ja 3D-tulosteet eivät ole pikavalmistusta siinä mielessä, että niitä voitaisiin aina välittömästi hyödyntää. 3D-mallin valmistaminen voi kestää useita kymmeniä tunteja ja jälkikäsittelyssäkin menee vielä aikansa.  
  • Yksi merkittävimmistä rajoitteista liittyy kuvantamisdatan käyttöön ja segmentointiin. Vaikka ohjelmistot parantuvat jatkuvasti, on kuvadatan käsittely työlästä ja aikaa vievää. Lisäksi kuvien tulkinta vaatii erikoisosaamista.  
  • Kustannussäästöt sairaaloille voivat olla merkittäviä, sillä 3D-tulosteiden käyttämisen on havaittu selvästi nopeuttavan operaatioita ja vähentävän työaikaa leikkaussalissa.  
  • Anatomisia malleja käytetään runsaasti koulutuksessa ja harjoittelussa. Itse tehdyt ”opetusmallit” ovat paitsi edullisia, usein myös parempia kuin kaupallisesti markkinoilla olevat mallit. Kirurgit saattavat harjoitella porausta ja leikkelyä 3D-tulostettuihin malleihin 10-15 kertaa jolla toimenpiteeseen saadaan rutiinia.  
Kuva 1. Tilaisuudessa oli luonnollisesti esillä useita esimerkkejä 3D-tulostuksen hyödyntämisestä. Kuvassa vasemmalla ja keskellä leikkaus/porausohjureita, oikealla anatominen malli ja implantti.

Muita päivän aikana esille nousseita asioita

  • Anatomiset mallit / 3D-tulosteet 
    • Anatomisten mallien / 3d-tulosteiden käyttö leikkaussuunnittelussa on hyödyllistä sillä ”sormituntuma” kertoo kirurgeille usein enemmän kuin 3D-malli.  
    • Yhtä leikkausta kohti saatetaan tulostaa useita eri malleja, useista eri materiaaleista ja useilla eri 3D-tulostusmenetelmillä. Käytetty tulostusmenetelmä ja materiaali määräytyvät käyttökohteen mukaan. Käyttökohteita löytyy mm. yksivärisille, monivärisille, läpinäkyville sekä joustaville materiaaleille.  
    • Lisäksi mallin hyödyntäminen operaation aikana leikkaussalissa tuo lisää varmuutta operaation suorittamiseen. Potilaan datasta valmistetun 3D-tulosteen käyttäminen ylipäätään antaa kirurgille sellaista tietoa, jonka hän normaalisti saa vasta leikkausoperaation aikana. 
  • Anatomisia malleja käytetään hoitoprosessissa myös tilanteen selvittämisessä potilaalle. Monimutkaisten operaatioiden selittäminen potilaalle on huomattavasti helpompaa, kun käytössä on potilaan oman kuvadatan perusteella tehty 3D-tuloste. 
  • 3D-tulostetut leikkausohjurit 
    • Leikkausohjurien käyttö nopeuttaa ja helpottaa operaation suorittamista, vähentäen jopa tunteja leikkaussaliajasta. 
    • Kun 3D-tulostuksesta oli vähemmän kokemusta, niin yleensä valmistettiin ensin anatominen malli ja sitten leikkausohjurit. Kun kokemus lisääntyy, halutaan usein jo suoraan leikkausohjurit, ellei leikkauksessa ole jotain poikkeuksellista.  
  • Ennusteiden mukaan vuoteen 2021 mennessä jo 25% kirurgeista hyödyntää 3D-tulostusta  
  • Kuvantamisdatan hyödyntämisessä on haasteita 
    • Operaation ja kuvantamishetken välillä ei saa olla liian pitkää viivettä, varsinkin jos sitä käytetään leikkausohjurin tai implantin valmistamiseen. Esimerkiksi kasvainten tapauksissa muutokset voivat olla niin nopeita, että kuukauden viive on jo liian pitkä. 
    • Tekoälyratkaisujen kehittyminen parantaa tulevaisuudessa kuvankäsittelyä huomattavasti. Potilaaseen liittyvässä kuvantamisdatassa puhutaan tuhansien kuvasiivujen muodostamista kokonaisuuksista – mitä tarkempi resoluutio, sitä enemmän kuvia. 
  • 3D-tulostuspalvelujen käyttö 
    • On hyvä huomioida, että mallien valmistaminen tulostuspalvelun kautta voi tuottaa erilaisia ja eri tarkkuudella olevia malleja kuin sairaalan sisäisenä palveluna tehty tuloste. Tähän vaikuttaa eniten kuvamateriaalin tulkinta – kuvia tulkitsevat henkilöt, joten mallit eivät välttämättä vastaa ”todellisuutta” samalla tavalla kuin tilaaja on ajatellut.  
    • 3D-tulostuspalvelun käytössä rajoitteeksi voi tulla toimitusaika. Yksittäisille kappaleille toimitusaika voi olla vielä riittävän nopea, mutta kun tilattujen 3D-mallien määrä kasvaa, toimitusvarmuus laskee. 
    • Toimituksessa on huomioitava myös kappaleen sterilointiin kuluva aika, jos tuloste viedään operatiiviseen käyttöön mukaan.  
  • 3D-tulostuksella on selvä paikka monimutkaisten mallien leikkaussuunnittelussa. Maailmanlaajuisesti käytössä on kuitenkin eroja 
    • Länsimaissa ”perustapaukset” ovat sellaisia, joihin 3D-tulostusta ei usein kannata hyödyntää 
    • Kehittyvissä maissa ja aasiassa (esim. intia, kiina) tilanne on jo toinen. Siellä 3D-tulostuksen hyödyntäminen perustapauksenkin yhteydessä voi mahdollistaa sen, että kokemattomampi lääkäri uskaltaa ja pystyy suorittamaan leikkauksen, joka muuten olisi liian riskialtista. 
  • Lainsäädäntöön ja säädöksiin liittyvät asiat ovat yksi merkittävimmistä haasteista sairaalapuolen 3D-tulostuksessa 
Kuva 2. Käyttökohteita löytyy niin yksivärisille, läpinäkyville, pehmeille kuin multimateriaalitulosteillekin

 

 3D-tulostus ja tulevat direktiivimuutokset 

Lähivuosina astuu voimaan kaksi uutta eu-direktiiviä: 

  • Medical device regulation (MDR) 2017/745 , tulee voimaan 5/2020 
  • In Vitro diagnostic medical devices (IDVR) 2017/746, tulee voimaan 5/2022 

Näistä ensimmäinen koskee myös 3D-tulostusta, niiltä osin, kun 3D-tuloste vaikuttaa suoraan potilaan hoitoprosessissaOn hyvä huomioida, että se voi vaikuttaa paitsi tehtyyn 3D-tulosteeseen, myös 3D-tulosteen suunnittelussa käytettyyn ohjelmistoon. 3D-tuloste voidaan luokitella joko normaaliksi lääketieteelliseksi laitteeksi tai potilaskohtaisesti räätälöidyksi laitteeksi. Luokituksesta luonnollisesti riippuu se, mitä vaatimuksia niiden tulee täyttää. Luokitus määrittely ei ole itsestään selvä, sillä potilaskohtaisesti räätälöidyksi laitteeksi ei esimerkiksi lasketa ”massavalmistettuja” tuotteita, joihin tehdään potilaskohtaisia muokkauksia.  

3D-tulostin puolestaan on tuotantolaite, joten sitä koskee direktiivi 2006/42/EC tuotantokoneista ja laitteista. Ohjelmistoa ei lasketa ”lääketieteelliseksi laitteeksi”, ellei kyseessä ole suoraan potilaan hoitoon liittyvän datan luominen. Kun puhutaan potilaan hoidossa käytettävän suunnitelman tai tulosteen valmistamisesta, niin todennäköisesti MDR-direktiivi siis koskee näitä ohjelmia.  

Jotta asia ei olisi liian helppo, on mukaan direktiiveille tyypilliseen tapaan kirjattu poikkeuksia. Tällainen on mm. ”sairaalakäyttöpoikkeus”. Sillä tarkoitetaan tuotetta, joka valmistetaan sairaalassa sen omaan käyttöön, ja joka täyttää 8 vaatimuskohdan listan. Lisäksi valmistettavaa tuotetta ei saa valmistaa ”tuotannollisessa mittakaavassa” eikä vastaavia tuotteita saa olla yleisesti saatavilla. Alustavien tulkintojen perusteella tämä vaikuttaisi koskevan tilannetta, jossa 3D-tulostuskeskus on sairaalan sisäinen. Varmaa tietoa direktiivien vaikutuksista ja tulkinnoista ei vielä ole, sillä alan asiantuntijoilla tuntuu olevan pallo hieman hukassa ja lakimiehetkin ovat hyvin varovaisia sanomaan asioihin suoraa kantaa.  

Materialisen Leuvenin tuotantoyksiköstä 

Aiheeseen liittyvien työpajojen lisäksi kierrettiin tutustumassa yrityksen tuotantolaitokseen. Pääkonttorissa sijaitsevan tehtaan lisäksi Materialisella on muitakin yksiköitä, mutta tämä lienee niistä suurin ja monipuolisin. Tehtaassa on yli sata 3D-tulostinta tulostuspalvelun käytössä, kattaen lähes jokaisen 3D-tulostusmenetelmän. Valitettavasti tehdaskierroksen aikana valokuvaus oli kiellettyä tuotantotiloista.  

Kierros painottui pääosin medikaalipuolta palvelevaan laitekantaan, joka on dedikoituna pelkästään tämän puolen käyttöön ja sijoitettuna omiin tiloihinsa. Yritys valmistaa tällä hetkellä medikaalipuolelle 2000-3000 tuotetta kuukaudessa.  

Pääosa Materialisen valmistamista leikkausohjureista ja anatomisista malleista valmistetaan jauhepetitekniikkaan (PBF, powder bed fusion) perustuvilla laitteilla. Yrityksellä oli tälle puolelle käytössä 12 kpl teollisen mittakaavan 3D-tulostimia, joka on suurin piirtein saman verran, kuin vastaavia laitteita löytyy Suomesta tällä hetkellä yhteensä. Metallitulostimia medikaalipuolelle oli dedikoitu 6 kpl, niissä materiaaleina luonnollisesti titaani ja kobolttikromi.  

3D-tulosteiden tarkkuus on tämän puolen kappaleissa kriittistä, jota varten tulostuksen jälkeen kappaleiden mittatarkkuus varmistetaan tarkastuspisteellä ennen asiakkaalle toimitusta. Tarkastuspisteellä oli käytössä erilaisia menetelmiä (mm. Faron 3D-käsivarsimittalaite) mittaustarkkuuden varmistamiseksi. Lopputuotteiden käytön nopeuttamiseksi kappaleet olisi hyvä olla steriloituna jo ennen asiakkaalle toimitusta. Tällä hetkellä se ei vielä ole mahdollista, mutta yritys on tämän vuoden aikana ottamassa käyttöön automaattista puhdistuslinjaa ensimmäisenä maailmassa.

Kuva 3. Yrityksen tehtaan aulassa oli esillä hyvin visuaalisessa muodossa se, minkälaisia 3D-tulosteita medikaapuolelle Materialisella valmistetaan – mm. implantteja, ohjureita ja anatomisia malleja. Miesparan nimi oli Freddie.

 

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

Muovin multimateriaalitulostuksesta

3D-tulostus (lisäävä valmistus) on suhteellisen uusi käsite suurelle yleisölle, vaikka sillä onkin jo useamman kymmenen vuoden kehityspolku takanaan. Luonnollisesti 3D-tulostusmenetelmien osalta kehitystä on tapahtunut vuosien saatossa niin menetelmien, materiaalien kuin laitteidenkin osalta. Tällä hetkellä standardi (SFS-ISO/ASTM 52900) luokittelee lisäävän valmistuksen menetelmät 7 eri luokkaan ja lisäksi on laitteita, joissa yhdistellään useita eri menetelmiä saman prosessin aikana.

Menetelmästä riippumatta ”perinteinen” 3D-tulostus on tapahtunut yhdestä materiaalista kerrallaan, mutta nykyisin on mahdollista myös valmistaa kappale useammasta materiaalista saman tulostusprosessin aikana. Multimateriaalitulostus on mahdollista nykyisin sekä metallille että muoville, mutta tässä kirjoituksessa kuvataan lyhyesti tämän hetken yleisimmät muovin multimateriaalitulostusmenetelmät.

Mitä on multimateriaalitulostus?

Multimateriaalitulostuksella tarkoitetaan nimensä mukaisesti tulostusprosessia, jossa kappale valmistetaan käyttäen useita materiaaleja. Kuten 3D-tulostustekniikoissa yleensäkin, toteutustapoja on lukuisia, joten lukijan/kuulijan taustasta riippuen sillä voidaan tarkoittaa ja ymmärtää hieman eri asioita.

Karkeimmillaan multimateriaalitulostuksella voidaan tarkoittaa kahden eri värisen materiaalin käyttämistä samassa kappaleessa, ja monimutkaisimmillaan kappaleen materiaaliominaisuuksien muokkaamista lopullisessa kappaleessa siten, että kappaleen materiaaliominaisuudet on määritelty yksittäisten vokselien (tilavuuspikselien) tarkkuudella koko kappaleen matkalla useita eri materiaaleja käyttäen. Multimateriaalitulostuksen keinoin voidaan valmistaa myös ns. “4D-tulosteita”, jossa neljännellä ulottuvuudella tarkoitetaan aikaa ja/tai jotain ulkoista ärsykettä (lämpötila, kosteus, jne.). 4D-tulostus on suurimmalta osin vielä tutkimuksen asteella, mutta tekniikan kehityssuunta on hyvä muistaa, jotta mieli pysyy nöyränä – jos 3D-tulostettavien kappaleiden suunnittelu ja valmistus tuottaa suunnittelijoille (ja suunnitteluohjelmille) päänvaivaa tällä hetkellä, tulee tilanne tulevaisuudessa muuttumaan entistä haastavammaksi.

Teollisuuden yrityksillä (ja alan oppilaitoksilla) on edessään kohtalaisen iso työ kouluttaa suunnittelijat ymmärtämään lisäävän valmistuksen mahdollisuudet tämän hetken tekniikoiden mahdollistamalle tasolle. Suunnitteluohjelmat ovat vasta viime vuosien aikana alkaneet huomioida 3D-tulostusmenetelmät yhtenä valmistustavoista. Vaikka tilanne onkin jo hieman parantunut, tarvitaan ohjelmien osalta lukuisia kehitysaskelia ennen kuin voidaan sanoa niiden vastaavan tämän hetken mahdollisuuksiin – saati sitten tulotulevaisuuden tarpeisiin.

Tässä kirjoituksessa käydään läpi lyhyesti seuraavat eri menetelmät kappaleiden multimateriaalitulostukseen.

  • Multimateriaalitulostus käyttäen useita tulostussuuttimia ja useita materiaaleja (pursotusmenetelmät)
  • Multimateriaalitulostus käyttäen yhtä suutinta, mutta useita eri materiaaleja (pursotusmenetelmät)
  • Multimateriaalitulostus jauhepedissä ja kappaleen ominaisuuksien muokkaaminen halutulla tavalla (MJF)
  • Materiaalin pursotus + ruiskutus
  • Multimateriaalitulostus materiaalin ruiskutuksen avulla (mm. PolyJet, MultiJet)

1. Useita suuttimia, useita materiaaleja

Pursotusmenetelmä muodostuu yksinkertaisimmillaan materiaalin syötöstä, liikkuvasta kelkasta, tulostuspäästä, suuttimesta, jolla materiaali sulatetaan sekä tulostusalustasta.

Kahdella suuttimella varustetut pursotusmenetelmään perustuvat 3D-tulostimet ovat nykyisin suhteellisen yleinen näky koko tulostuslaitteiden hintaskaalan läpi, halvimmista kalliimpiin. Tällä perusteella voidaan olettaa, että kyseessä on yleisin menetelmä valmistaa kappale 3D-tulostamalla kahdesta tai useammasta materiaalista. Yleensä jokainen suutin on omassa tulostuspäässään, jolloin niillä on oma materiaalin syöttönsä.

Yksinkertaisimmillaan kahden suuttimen järjestelmiä käytetään tukimateriaalin valmistamiseen toisella suuttimella. Tukimateriaalina on puolestaan usein jokin liukeneva aine, joka mahdollistaa negatiivisten muotojen tulostamisen ilman työlästä jälkikäsittelyä. Esimerkiksi PVA on vesiliukoinen materiaali, jota käytetään usein tukimateriaalina. Ensimmäistä kertaa tulostavalle voi tulla pienenä yllätyksenä se, että liukeneminen ei tapahdu välttämättä nopeasti, vaan riippuu käytetystä tukimateriaalin määrästä. Monimutkaisemmat muodot voivat vaatia päivien tai jopa viikon liukenemisaikaa vesiastiassa tai pesurin käyttöä. Tukimateriaalin poistoa voi myös nopeuttaa harjaamalla.

Kuva 1. Kahden suuttimen järjestelmä, vesiliukoinen tukimateriaali tulostettuna toisella suuttimella

Kahden (tai useamman) suuttimen järjestelmissä on muutamia ominaisuuksia, jotka on hyvä huomioida.

Törmäykset

Kahden suuttimen järjestelmien perinteinen “ongelma” (tai ominaisuus, mitenkä sitä sitten ajatteleekin) on siinä, että kummatkin suuttimet on sijoitettu vierekkäin samaan tasoon. Mikäli kyseessä on edullinen ja avoimessa tilassa oleva tulostin, voi kappaleen nopea jäähtyminen aiheuttaa käyristymistä (”warppautumista”) jolloin tulostetun kappaleen reuna nousee tulostussuutinta korkeammalle. Kun tulostuspää siirtyy kappaleen sisällä toiseen reunaan, törmää toinen suutin käyristyneeseen reunaan. Suuttimen törmäys warppautuneeseen reunaan on toki mahdollista myös yhden suuttimen järjestelmissä, mutta kahden suuttimen kanssa todennäköisyys törmäykseen kasvaa.  Mikäli tulostinlaitteessa on lämmitetty kammio ja/tai tulostusmateriaali kestää lämpötilavaihtelua paremmin, ei tätä ongelmaa yleensä tule.

Yhden suuttimen järjestelmässä tämän voi välttää ohjelmallisesti laskemalla tulostusalustaa pykälän verran alaspäin aina kun siirrytään alueelta toiselle, mutta se luonnollisesti hidastaa tulostusnopeutta. Kahden suuttimen järjestelmässä tämä ei välttämättä auta, sillä 3D-tulostusradan laskevat siivutusohjelmat eivät huomioi toisen suuttimen sijaintia.

Materiaalin sekoittuminen

Kun pursottavalla tekniikalla valmistetaan samassa ajossa eri materiaaleja, on riskinä materiaalien sekoittuminen. Perinteisessä (reprap -pohjaisessa) pursotusmenetelmässä materiaalinhallinta ei ole erityisen tarkkaa.

Suuttimen läpi pursotetaan sulaa materiaalia, joten siinä vaiheessa, kun vaihdetaan toiseen materiaaliin, voi edellistä materiaalia vielä “lirua” uuden materiaalin sekaan. Tähän voidaan luonnollisesti vaikuttaa joillakin tulostusparametreilla kuten takaisinvedolla (retract).

Lisäksi jotkut siivutusohjelmat kuten Cura tarjoavat ratkaisuja, joilla tätä voidaan välttää. Näitä ovat esimerkiksi materiaalitornin tai palkin (prime tower) tulostaminen tulostusalueen nurkkaan – kun tulostuspää käy tulostamassa/pyyhkäisemässä suuttimia tulostettavan kappaleen ulkopuolella, voidaan pienentää todennäköisyyttä materiaalien sekoittumista. Cura tarjoaa nykyisin myös muurimaista (ooze shield) ratkaisua tähän – kappaleen viereen tehdään muuri, johon suuttimia pyyhkäistään.

Kiinnipalaminen

Kun tulostetaan kappaletta kahdesta eri materiaalista, tulisi myös huomioida eri materiaalien osuus kappaleen massasta. Suuttimet tulee olla lämmitetty sulamislämpötilaan, joten mikäli materiaalia ei sen jälkeen pursoteta suuttimen läpi, on riskinä materiaalin ”kiinni palaminen” ja jämähtäminen suuttimeen. Lisäksi eri materiaaleilla on eri sulamislämpötilat ja jotkin materiaalit ovat muita herkempiä kiinni palamiselle.

Joissakin ohjelmissa tätä riskiä pienennetään sillä, että vain käytössä olevan suuttimen lämpötila pidetään sulatuslämpötilassa, ja käyttämättömänä olevan suuttimen lämpötilan annetaan laskea, kunnes sitä taas käytetään. Tämä toimii yleensä hyvin silloin, jos tulostettava kappale on suurikokoinen, mutta pienellä kappaleella ominaisuudesta ei ole hyötyä. Toisaalta tulostusaika voi kasvaa, sillä materiaalin vaihtuessa joudutaan odottamaan suuttimen lämmitystä.

Toinen suutin törmää reunaan todennäköisemmin, myös siitä johtuen, että valumisen estämiseksi käytöstä poissa olevan toisen suuttimen annetaan jäähtyä tulostuslämpötilaa alemmaksi. Yhden suuttimen järjestelmässä suutin on aina tulostuslämpötilassa ja näin ollen sulattaa tiensä helpommin reunan ohi.

Pienellä kappaleella ominaisuudella ei ole vaikutusta, koska suutin ei ehdi jäähtymään. haittaa siitä ei varsinaisesti ole suurempiin kappaleisiin nähden.

2. Yksi suutin, useita materiaaleja

Markkinoilla on myös ratkaisuja, joilla voidaan valmistaa kappale yhdellä suuttimella mutta käyttää sen läpi useita eri materiaaleja.

Mosaic manufacturing –yritys valmistaa Palette nimistä laitetta, josta tuli vuoden 2019 alussa uusi versio, Palette 2 Pro. Siinä ei niinkään kosketa tulostinlaitteeseen, vaan luodaan tulostimella käytettävä filamentti etukäteen tietyn laatuiseksi.

Ideana siinä on erillinen makasiini, johon voidaan panostaa korkeintaan neljä materiaalia. Kappaleen siivutuksen yhteydessä määritetään, mikä osa tulostetaan milläkin materiaalilla. Siivutusohjelma laskee tarvittavan materiaalin määrän ja tulostusjärjestyksen. Makasiinissa sitten pätkitään ja liitetään yhteen materiaalia eri filamenteista siten, että tulostusta varten syntyy yksi filamentti.

Järjestelmässä on sekä hyviä että huonoja puolia. Hyvänä puolena on luonnollisesti se, että laitteisto on yhteensopiva melkein minkä tahansa tulostinlaitteen kanssa (Hub –lisäosa vain rajatuille merkeille). Huonona puolena se, että tulostuksessa syntyy materiaalihukkaa jonka määrä riippuu siitä, miten usein materiaalia vaihdetaan.

Toinen ratkaisu löytyy puolestaan suhteellisen tunnetulta laitevalmistajalta Prusalta. Prusan MMU2 -tulostuspäässä on yksi suutin, mutta 5 eri materiaalin syöttöä. Materiaalin valinta tapahtuu automaattisesti erillisen moottorin avulla sen perusteella, miten kappaleen siivutuksessa on määritetty.

Linkki valmistajien sivuille:

Kuva 2. Palette 2 Pro laitteella voidaan valmistaa neljää eri filamenttia yhden suuttimen läpi. Kappaleiden vasemmalla puolella valmistuksessa syntyneet hukkatornit

Savonialle hankittiin Palette 2 Pro –järjestelmä, jonka toimintaa käymme tarkemmin läpi myöhemmässä blogikirjoituksessa.

3. Materiaalin pursotus + ruiskutus

Pursotusmenetelmään perustuvien laitteiden lisäksi markkinoille on tullut muutamia laitevalmistajia, joiden laitteet perustuvat pursotusmenetelmän ja materiaalin ruiskutuksen yhdistämiseen. Formnext 2018 messuilla esillä oli kaksi laitevalmistajaa, jotka tarjosivat em. tekniikkaan perustuvia 3D-tulostimia.

Ajatuksena on käyttää väritöntä filamenttilankaa, joka tulostuksen yhteydessä värjätään materiaalin ruiskutuksen avulla halutun väriseksi. Käytännössä tämä tapahtuu siten, että ensin valmistetaan pursotusmenetelmällä kerros, ja sen jälkeen käydään lisäämässä tulostetun kerroksen päälle halutut lisäaineet.

Värin lisäämisen lisäksi tarjolla on myös muita materiaaliominaisuuksiin vaikuttavia lisäaineita. Esimerkiksi RIZE tarjoaa “release one” -nimistä ainetta, joka heikentää kerroksen välistä sidosta ja siten oikeaan paikkaan sijoitettuna helpottaa tukirakenteiden poistamista. Laitteilla on ilmeisesti myös mahdollista käyttää sähköä johtavaa mustetta, vaikka kumpikaan valmistaja ei sitä materiaalivalikoimassaan tarjoa.

Kuva 3. Esimerkkitulosteita laitevalmistajilta: vasemmalla XYZ, oikealla Rize, Kuvat: Formnext 2018

Linkit laitevalmistajien sivuilla:

4. Multimateriaalitulostus jauhepedissä (MJF)

Multi Jet Fusion on HP:n kehittämä, jauhepetiin, sidosaineruiskutukseen ja lämpöpäähän perustuva 3D-tulostusmenetelmä. Prosessissa levitetään tulostuspedille jauhe, värjätään kappale halutuilta alueilta lämpökäsittelyä varten, ruiskutetaan siihen muokkausaineita (joita HP kutsuu nimellä ”agentit”) ja lopuksi lämpöpäiden avulla muodostetaan kappaleen geometria. Tätä toistetaan kerros kerrokselta. Erilaisten muokkausaineiden avulla voidaan muuttaa värien lisäksi tulevaisuudessa mahdollisesti myös muita materiaalin ominaisuuksia (esimerkiksi läpinäkyvyys, joustavuus, pinnanlaatu, sähkönjohtavuus).

HP toi MJF –tekniikkaan perustuvia, harmaiden kappaleiden valmistamiseen soveltuvia laitteita myyntiin muutama vuosi. Väritulosteita yritys on esitellyt jo useamman vuoden ajan mutta ilmeisesti tekniset haasteet ovat estäneet väritulostimien tuomisen markkinoille. Tämä näyttää nyt vihdoin ratkenneen, sillä HP tuo loppuvuodesta markkinoille väritulostukseen soveltuvan HP MJF 580 –laitteen. Värien lisäksi tulostimessa on yksi ylimääräinen paikka muokkausagentille tulevaisuuden materiaaleja ajatellen.

Lisätietoja HP:n sivuilta ja seuraavasta videosta:

Perinteisesti jauhepetitekniikkaan perustuvilla laitteilla (kuten esim. SLS) valmistettuja kappaleita on voinut värjätä tulostuksen jälkeen. Värjäys ei kuitenkaan sovellu monimutkaisten ja moniväristen kappaleiden valmistukseen, varsinkin jos kappaleeseen halutaan väriä ja piirteitä sisälle siten, että ne paljastuvat vasta kappaleen käsittelyn (esim. halkaisu) jälkeen. Käyttökohteita ja tarpeita moniväriselle tulostukselle löytyy runsaasti niin teollisuudesta kuin terveydenhuollon sovelluksistakin.

Kuva 4. HP MJF 580 3D-tulostin on ensimmäinen väritulostukseen kykenevä, MJF –tekniikkaan perustuva laite. Kuvat: HP/Formnext 2018

5. Materiaalin ruiskutusmenetelmä ja multimateriaalitulostus

 

Materiaalin ruiskutukseen perustuvat menetelmät ovat olleet multimateriaalitulostuksen edelläkävijöitä alusta saakka. Käytännössä menetelmä perustuu hieman mustesuihkutulostuksen tapaan eri materiaalien ruiskuttamisesta tulostusalueelle pisara kerrallaan tulostuspään kautta. Sen jälkeen tulostettu alue kovetetaan uv-valon avulla ja tätä toistetaan kerros kerrokselta, kunnes kappale on muodostettu. Menetelmään perustuvissa multimateriaalitulostimissa on mahdollista käyttää useita raaka-aineita, joista lopullinen kappale muodostuu. Koska kyseessä on materiaalin ruiskutukseen perustuva järjestelmä, täytyy tulostuksen tapahtua aina edellisen kerroksen päälle eikä ”tyhjän päälle” –tulostus ole mahdollista. Onttoja rakenteita varten käytetään tukimateriaalia, joka poistetaan kappaleen valmistumisen jälkeen. Tämä sulkee mm. suljettujen kennorakenteiden käyttämisen kappaleiden valmistuksessa. Lisäksi tukirakenteiden käyttö tarkoittaa usein jälkikäsittelyn tarvetta – kovien materiaalin osalta yleisin jälkikäsittely lienee kiillotus.

Väritulosteiden (ja muiden multimateriaalikappaleiden) valmistaminen materiaalin ruiskutusmenetelmässä toimii siten, että tulostettava kappale jaetaan kerroksittain rasterikuvioon, ja kutakin materiaalia sijoitetaan kerroksella sijaitseviin yksittäisiin pikseleihin. Kun vierekkäisiin ja/tai päällekkäisiin pikseleihin sijoitetaan eri värejä, tulkitsee ihmissilmä sen halutuksi väriksi, sillä silmän erottelukyky ei riitä yksittäisiin pikseleihin. Vaikka kyseessä onkin rajattu määrä eri materiaaleja, voidaan näin luoda runsas määrä erilaisia vaihtoehtoja niin värien kuin muidenkin materiaaliominaisuuksien puolesta, vaikka materiaalia ei sekoiteta raaka-aineista ennen tulostusta.

Materiaalin ruiskutukseen perustuvia, multimateriaalitulostukseen soveltuvia suurempia laitevalmistajia on markkinoilla ollut perinteisesti kaksi: 3DSystems (MultiJet -laitteet) ja Stratasys (PolyJet -laitteet). Stratasys tarjoaa laitteita, joilla on mahdollista käyttää kuutta eri perusmateriaalia/väriä samanaikaisesti, mutta niiden yhdistäminen mahdollistaa jopa satojen tuhansien värien käyttämisen. 3DSystems MultiJet –järjestelmissä materiaalivaihtoehtoja on puolestaan kaksi ja käytössä vain harmaasävyt.

Lisäksi viime vuosina markkinoille on tullut myös Mimaki, jonka materiaalin ruiskutukseen ja uv-kovetukseen perustuvalla 3DUJ-553 3D-tulostimella on mahdollista toistaa yli 10 miljoonaa väriä. Kyseessä on kuitenkin toistaiseksi vain pintaväri, eli ominaisuuksien muuttaminen ei onnistu vokselitasolla eikä tarjolla ole muita materiaaleja.

Linkit valmistajien sivuille:

Kuva 5. 3DSystems MultiJet mahdollistaa kovat ja pehmeät ominaisuudet samassa kappaleessa
Kuva 6. Stratasys Polyjet tarjoaa kovien ja pehmeiden ominaisuuksien lisäksi täysväritulostukseen. Oikealla käsittelemätön, vasemmalla kiillotettu 3D-tuloste.

Materiaalin ruiskutusmenetelmä, jossa kappaleen valmistamiseen käytetään useampia materiaaleja mahdollistaa räätälöityjen ”materiaalireseptien” luomisen. Stratasys kutsuu räätälöityjä materiaaleja ”digitaalisiksi materiaaleiksi” ja tarjoaa niitä eri materiaaliominaisuuksien saamiseksi. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että kun asiakas ostaa valmistajalta digitaalista materiaalia, saa hän materiaalisäiliöiden mukana asetukset, joiden perusteella kone muodostaa valmistettavan materiaalin. Yritys tarjoaa vokselitason tulostusominaisuuksien myötä asiakkailleen myös mahdollisuuden omien digitaalisten materiaalien luomiselle.

Materaalin räätälöinnin lisäksi lisäksi voidaan myös muokata valmistettavan kappaleen ominaisuuksia. Tulostusmenetelmässä voidaan määritellä yksittäisen vokselin ominaisuudet (esim. väri tai joustavuus). Kun se yhdistetään viereisten vokselien väreihin ja ominaisuuksiin, saadaan koko kappaleen ominaisuudet määriteltyä halutulla tarkkuudella. Tämä mahdollistaa esimerkiksi rakenteet, jotka joustavat tiettyyn suuntaan. Periaatteessa tämä voisi mahdollistaa myös 4D-tulostuksen, mikäli käytössä on materiaaleja, joiden ominaisuudet muuttuvat ajan kuluessa esimerkiksi lämpötilan vaikutuksesta.

Kuva 7. Vokselitason tulostaminen mahdollistaa kappaleiden mekaanisten ominaisuuksien muuttamisen. Kuva: Stratasys

 

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

Metallin 3D-tulostimen hankinnasta

Savonialla järjestettiin 23.4.2019 markkinavuoropuhelutilaisuus metallin jauhepetitekniikkaan perustuvan laitteiston hankintaan liittyen. Hankinta liittyy Savonian 3D-tulostuksen investointihankkeeseen, josta on kerrottu aiemmassa blogikirjoituksessamme: https://blogi.savonia.fi/3dtulostus/2018/09/19/savilahden-uudelle-kampukselle-tulee-monipuolinen-3d-tulostusymparisto/

Tilaisuudessa SLM, EOS ja PRIMA -laitevalmistajien edustajat/maahantuojat Suomessa esittelivät tarjolla olevia laitteistojaan joiden katsovat täyttävän Savonian alustavat kriteerit. Kuuntelemassa oli Savonian lisäksi alueellisia yhteistyökumppaneita ja alueen yrityksiä.

On huomioitava, että markkinavuoropuhelussa pyydetyn laitteiston kuvaus ei sido osapuolia, sillä menossa on tässä vaiheessa vielä vaihtoehtojen kartoitus. Hankittava laitteisto voi poiketa tässä tilaisuudessa pyydetystä kuvauksesta. Tilaisuuden ajatuksena oli kerätä laitetoimittajilta tietoa siitä, minkälaisia kokonaisuuksia laitteistomyyjät Suomessa voivat tämän hintaluokan laitteisiin liittyen tarjota ja suositella.

Lyhyesti listattuna Savonian alustavat kriteerit

  • Laitteisto kilpailutetaan vuoden 2019 aikana (toimitus 2020)
  • Metallin 3D-tulostin (laser, jauhepetitekniikkaan perustuva), ”keskikokoluokan laitteisto” (~250x250x350 mm)
  • Laitteiston lisäksi hankitaan kappaleen valmistukseen tarvittavat muut tarpeelliset lisälaitteet ja ohjelmistot, joita vaaditaan osien turvallisessa valmistuksessa. Näitä voivat olla mm. vannesaha/lankasaha, jauheen seulonta-asema, jauheenkäsittelyasema (ylimääräisen jauheen poisto tulostuksen jälkeen), jälkikäsittelyasema (tukirakenteiden irrotus), tulostusalustan/jauhesäiliöiden liikuttelussa tarvittavat apuvälineet.
  • Budjetti kokonaisuudelle: < 1 M€ (ALV 0%)
  • Alustavan arvion mukaan laitteistolla tullaan tekemään käytännön tutkimusta seuraavilla materiaaleilla: alumiini, ruostumaton teräs, työkaluteräs, titaani, kobolttikromi, inconel, kupari?
  • 3D-tulostuslaitteistolla halutaan myös demonstroida teknologian hyödyntämismahdollisuuksia alueen yrityksille tuotantokäyttöön sikäli, kun se ei ole ristiriidassa Savonian käyttötarkoitusten kanssa. Yhtenä potentiaalisena lisäominaisuutena/laitteena on mietitty mm. palettiratkaisua tulostusalueelle.
  • Myös tarvittavat ohjelmistoratkaisut kiinnostavat, sillä markkinoilla on nykyisin tarjolla useampia vaihtoehtoja tulostuksen valmisteluun. Savonialla on käytössä kappaleiden suunnitteluun Solidworks, mallien jatkokäsittelyssä/korjauksessa Ansys Spaceclaim DirectModeler sekä lujuuslaskennassa Ansys.

Tamspark Oy /EOS

Tamspark on työstökonetoimittaja, joka edustaa suomessa EOS:ia metallitulostuspuolella, ja GF:ää koneistuspuolella. EOS on yksi maailman suurimmista jauhepetitekniikkaan perustuvien 3D-tulostinten valmistajista metalli- sekä polymeeripuolella. Yrityksellä on myös vahva kytkös Suomeen, sillä Turussa on EOS:in materiaalitutkimuksen tutkimusyksikkö.

Keskikokoisten metallitulostinten kokoluokassa yrityksellä on tarjolla EOS M290, jossa tulostuskammion koko on 250 x 250 x 325 mm. Kyseisiä koneita on myyty Suomeen viime vuosina muutamia, viimeisimpänä Delva Oy (2 konetta) ja Aalto Yliopisto. Kuopiota lähin EOS M290 -kone löytyy 3DFormtechiltä Jyväskylästä.

EOS painottaa laitemyynnissään sitä, että teolliset asiakkaat eivät ole kiinnostuneita ”säätämään” laitteita, vaan haluavat päästä tuotantokäyttöön mahdollisimman nopeasti. Tämä on mahdollista siten, että yritys myy asiakkaalle koneen lisäksi tutkitut materiaalit ja toimivat parametrit, jolloin niiden kohdalleen säätämisessä ei mene aikaa. Halutessaan asiakkaalla on mahdollisuus myös täysin avoimiin parametreihin tai valmistajan tarjoaman parametrisetin jatkokehitykseen. Oppilaitoksille tarjotaan Academy -lisenssiä, jonka myötä käyttöön tulee täydelliset, muokattavissa olevat parametrisetit eri materiaaleille. Tamsparkin lähtökohtana on eri teknologioiden yhdistäminen (esim. 3D-tulostus+koneistus) lisäarvon tuottamiseksi asiakkaalle, sillä metallin 3D-tulostus vaatii lähes aina jälkikäsittelyvaiheita.

EOS M 290 -koneessa vahvuuksia on mm. materiaalin nopea vaihtoaika, joka valmistajan mukaan onnistuu n. 2,5 tunnissa. Teknisesti tämä on toteutettu siten, että jauheen syöttö ja poisto tapahtuvat alakautta, joten puhdistettavia osia on vähän. Koneessa on keraaminen jauheenlevitin joka varmistaa tasaisen ja tarkan levitystuloksen.

Savonian tarpeita ajatellen Tamspark tarjoaa kokonaisuutta, joka muodostuu palettiratkaisusta, EOS M290 -metallitulostimesta, jauheenkäsittelylaitteesta, sahauksesta ja koneistuksesta. Tämä on teollisuudenkin käyttöön soveltuva ratkaisu, jolla pyritään minimoimaan työvaiheiden välistä aseteaikaa.

Palettiratkaisulla tarkoitetaan tulostusalustaa, joka kiinnittyy tulostimeen joko manuaalisesti tai automaattisesti. Tulostusalue voi olla jakautuneena yhteen isoon tai useampaan pienempään (max 16 kpl) palettiin. Ideana on se, että paletti toimii kappaleen nollapistekiinnittimenä mahdollistaen jälkikäsittelyvaiheet ilman uudelleenkiinnitykseen kuluvaa aikaa. Luonnollisesti automaatioaste näkyy hinnassa – manuaalisessa vaiheessa paletit kiinnitetään käsin, automaattisesti se hoituu paineilman avulla. Oppilaitoskäyttöä ajatellen manuaalinen ratkaisu olisi todennäköisesti kustannustehokkaampi vaihtoehto, sillä tuotantonopeus ei ole pääpainossa käyttöä miettiessä.

Koneeseen liittyvistä optioista Tamspark suosittelee valitsemaan EOS OT –järjestelmän, joka kuvaa kerros kerrokselta valmistusprosessia. Halutessa on myös mahdollista ottaa tarkempi EOS Meltpool -sulanseurantajärjestelmä.

Kappaleen irrottaminen paletista voidaan toteuttaa vannesahalla tai lankasahalla. Irrotus kannattaa kuitenkin toteuttaa vasta sen jälkeen, kun kappale on käytetty mittauksessa ja koneistuksessa. Tulostusprosessissa tapahtuu usein pientä muodonmuutosta, joten kiinnitystä varten mittatarkat piirteet on koneistettava jälkikäteen. Kun kappale viedään koneistukseen paletilla, on mittausprosessikin mahdollista automatisoida siten, että 3D-mallista osoitetaan mitattavat kohdat, joiden perusteella saadaan määritettyä koneistuksen tarvitsemat alkuparametrit ja samalla tarkka mittatieto talteen.

Kuva1. Tamsparkin tarjoama kokonaisuus perustuu palettiratkaisuun

FINN-POWER / Prima Additive

Prima on 3D-tulostusmarkkinoilla verrattain uusi italialainen yritys, joka perusti 3D-tulostukseen liittyvälle liiketoiminnalleen Prima Additive –yksikön 2018. Kyseessä ei kuitenkaan ole pieni toimija, sillä Priman liikevaihto vuodelta 2018 oli 466 M€, sillä on 1800 työntekijää ja se toimii yli 80 maassa. Suomessa Primaa edustaa Finn-Power, jolla on mm. Suomeen myytävien koneiden huolto omissa käsissään.

Prima Additiven valikoimissa on koneita sekä suorakerrostukseen että jauhepetitekniikkaan liittyen. Jauhepetitekniikassa yritys tarjoaa kahden eri kokoluokan koneita: Sharp 150 -sarjan koneita Ø150 mm tulostusalueella ja Sharp 250 -sarjan koneita, joiden tulostusalueet ovat 250x250x330 mm– 262x262x350 mm.

Pienemmän kokoluokan Sharp 150 -koneeseen on mahdollista saada myös vihreä laser (joko ainoaksi lämmönlähteeksi tai toisen rinnalle) joka mahdollistaa mm. puhtaan kuparin 3D-tulostuksen. Savoniaa kiinnostavasta kokoluokasta on puolestaan tarjolla kolme eri vaihtoehtoa: Print Sharp 250, Print Sharp 250 EVO ja Print Genius 250. Koneiden ominaisuudet vaihtelevat hieman malleittain, mutta kaikkien koneiden materiaalivalikoimaan kuuluvat vakiomateriaalien (ruostumaton teräs, työkaluteräs, alumiini, titaani, inconel) lisäksi myös kupariseokset.

Print Sharp 250 on edullisen hintaluokan kone, joka on tarkoitettu tutkimuskäyttöä varten. Koneita on mm. myyty italiaan useisiin oppilaitoksiin. Laitteisto on tutkimuskäyttöön suunnatusta kokoonpanostaan johtuen pitkälti manuaalisesti käytettävä ja materiaalinvaihto hidasta (jopa päiviä). Print Sharp 250 EVO laitteessa on mm. automaattinen jauheenkäsittelyjärjestelmä ja siihen on integroitu imuri. Automaattisilla jauheenkäsittelyjärjestelmillä on tosin se huono puoli, että materiaalin vaihto on käytännössä mahdotonta. Print Sharp 250 Genius –laitteessa on edellä mainittujen parannusten lisäksi kaksi laserpäätä joka nopeuttaa tuotantovauhtia.

Finn-Power tarjoaa metallin 3D-tulostukseen liittyen tulostuslaitteen lisäksi siihen olennaisesti kuuluvia laitteita: seula, laitteisto jauheenkuivatukseen, imuri ja uuni lämpökäsittelyjä varten.

Kuva 2. Priman tarjoamassa ratkaisussa mukana ovat välttämättömimmät oheislaitteet

Vossi Group Oy / SLM

SLM on yksi metallin 3D-tulostuksen pioneereista ja maailman suurimmista laitevalmistajista metallitulostinten saralla. Se on viime vuosina ollut myös hallitseva 3D-tulostinmerkki Suomen pienillä markkinoilla. Suomessa yrityksen tuotteita edustaa Vossi Group.

SLM tarjoaa metallitulostimia neljässä eri kokoluokassa. Yrityksen tarjoama 3D-tulostin keskikokoluokassa on SLM 280, jonka voi räätälöidä tarpeen mukaisesti toimimaan eri tehoisilla laseryksiköillä (1×400 W, 2×400 W, 1×700 W, 2×700 W, 1×700 W+1×1000 W). Koneesta tulee markkinoille vuoden 2019 aikana kolmas versio. Uusimmassa versiossa on parannettu kaasunvirtaus sekä kestosuodatin. Myös jauheenkäsittelyä on parannettu.

Pohjois-Savoa lähimmät Suomessa olevat SLM280 -koneet löytyvät Nivalan teollisuuskylältä (Oulun yliopiston FMT-tutkimusyksikkö, 1×700 W) ja Ylöjärveltä (3DStep Oy, 2×400 W). Viimeisin asiakas on HT Laser Keuruulla (SLM 280 2.0 2×700 W)

SLM tarjoaa asiakkailleen testatut perusparametrit kaikkiin käytössä oleviin materiaaleihinsa. Muiden valmistajien tapaan yritys takaa parametrien toimivuuden omien materiaaliensa kanssa, mutta niitä voi hyödyntää/muokata myös kolmannen osapuolen materiaaleja käytettäessä. Valmistaja myös kehittää parametreja eteenpäin, josta esimerkkinä on vastikään päivittyneet parametrit useille materiaaleilla suurempia kerroskorkeuksia varten.

SLM:n koneissa on täysin inertti jauheidenkäsittely koko 3D-tulostusprosessin ajan. Koneeseen mahtuu jauhetta 1.6x tulostustilavuuden verran, mikä tarkoittaa sitä, että koneella voidaan valmistaa koko tulostusalueen kokoinen kappale ilman, että jauheen määrää täytyy lisätä kesken ajon. Koneissa on mahdollista rajoittaa tulostusalueen tilavuutta ja niihin saa lisävarusteena myös korkean lämpötilan (550 °C) esilämmityksen. Laadunvalvontaan liittyvät ratkaisut on jaettu kolmeen eri osaan: kerroskohtainen seuranta (LCS, Layer Control System) joka kuvaa jokaisen valmistettavan kerroksen, laserin tehonseuranta (LPM, Laser Power Monitoring) sekä Sulanseuranta (MPM, MeltPool Monitoring).

Vossin ehdotus soveltuvasta ratkaisusta olisi SLM280 palettiratkaisulla (0-pistekiinnitys) sekä vannesaha ja lämpökäsittelyuuni. Luonnollisesti mukana olisivat tarvittavat apulaitteet kuten seula ja atex-luokiteltu imuri. Lisäksi tarjolla on erilaisia apulaitteita, joilla tulostusalustaa ja/tai jauhesäiliöitä voi kuljettaa koneeseen ja sieltä pois.

Ohjelmistopuolella on Materialisen Magics:in lisäksi tarjolla SLM:n kehittämä oma Additive Designer ohjelmisto.  Se vastaa monilta osin Magicsia, mutta siinä on lisäksi koneen hallintaan ja kustannuksiin lisäominaisuuksia kuten lämpösimulointi, skannausstrategioiden optimointi perustuen simulaatioon sekä optimoidut tukirakenteet.

Kuva 3. Vossin tarjoama palettiratkaisu

Yhteenveto

Lasertehon kasvattamisella tai useamman laserin lisäämisellä saadaan nostettua tuotantonopeutta, kun puolestaan laadunseurantajärjestelmällä voitaisiin varmistua jollain tasolla siitä, että kappaleen valmistusprosessin aikana ei pääse tapahtumaan yllätyksiä. Lisälaitteilla (kuten tulostusalustan nollapistekiinnitin) voidaan nopeuttaa jälkikäsittelyvaiheita, mutta niiden käytössä voi olla tulostusmateriaaleista johtuvia teknisiä rajoitteita. Yleisesti ottaen on kuitenkin huomioitava, että 3D-tulostettavat metallikappaleet vaativat vähintäänkin koneistusta niiltä osin, kun niissä on mittatarkkuutta vaativia piirteitä (esim. kiinnityslaipat ja tiivistepinnat).

Laserien määrä

Useilla laitevalmistajilla on tarjolla samaan laitteeseen erilaisia vaihtoehtoja laserin teholle ja lukumäärälle. 1×400 W laser on toistaiseksi yleisin vaihtoehto, mutta kahden laserin koneetkaan eivät ole enää harvinaisia. Laserien lukumäärän ja/tai lasertehon kasvatuksella pyritään parempaan tuottavuuteen. Lasertehon kasvatuksesta on hyötyä yleisesti ottaen vain tietyille materiaaleille (mm. alumiini) tai mikäli kerroskorkeutta kasvatetaan.

Laserien lukumäärän kasvaessa nousee paitsi hinta, myös järjestelmän ja prosessin monimutkaisuus. Eri valmistajat ovat toteuttaneet useamman laserin järjestelmät eri tavoin: joissakin laitteissa tulostusalue on jaoteltu osiin ja jokaista osaa hallinnoi yksi laser. Toisissa laitteissa laserit voivat toimia koko tulostusalueella, mutta kuitenkin siten, että ne eivät häiritse tulostusprosessia. Yleisesti ottaen voidaan todeta, että laserien lukumäärän kasvaessa kasvaa myös tuotantonopeus – mutta se ei kuitenkaan tuplaannu.

Laadunseuranta

Jonkinlainen laadunseurantajärjestelmä olisi hyödyllinen, ellei peräti pakollinen ominaisuus koneessa. Tulostusajat metalliosilla ovat pitkiä – kymmenistä tunneista useisiin päiviin, joten manuaalinen seuranta ei ole järkevä vaihtoehto. Useissa markkinoilla olevissa laitteissa on jonkinlainen kerroskohtainen laadunseurantajärjestelmä, joka ottaa kuvan jokaisesta valmistuvasta kerroksesta ja tallentaa prosessista mittatietoa. Laserin tehonseurantajärjestelmällä voidaan varmistua prosessissa käytettävästä sulatustehosta ja sulanseurantajärjestelmällä puolestaan voitaisiin kerätä runsaasti yksityiskohtaista dataa niin laadunseurantaa kuin tulostusprosessin tutkimista silmällä pitäen.

Eri valmistajien laitteissa nämä järjestelmät on toteutettu eri tavoin. Esimerkiksi laseria voidaan seurata vain syötetyn lasertehon perusteella, tai se voidaan mitata juuri ennen kammioon menoa. MPM -järjestelmissä ero on myös suuri: osassa järjestelmiä sulaa seurataan lämpökameralla kammion reunalta. Esimerkiksi SLM MPM -järjestelmässä sulaa seurataan mittaamalla skannerin kautta takaisinheijastuvaa lämpösäteilyä.

Alustan pienennysmekanismi ja esilämmitys

Koska Savonian koneella tullaan käyttämään myös erikoismateriaaleja (mm. titaani, inconel) on tulostusalustaan oltava jonkinlainen pienennysmekanismi. Erikoismateriaalien jauheet ovat kalliita, ja jauhepetitekniikkaan perustuvissa laitteissa jauhetta täytyy olla koko tulostusalueen alueelta riippumatta siitä, mikä on valmistettavan kappaleen koko.

Yleensä pienennysmekanismi on toteutettu kiinteästi siten, että sen ollessa käytössä, pienenee tulostusalusta esim. 150 mm kokoiseksi alueeksi. Tämä yleensä riittää pienten kappaleiden valmistukseen ja materiaalitutkimuksen tarpeisiin.

Useiden valmistajien laitteissa tulostusalusta saadaan esilämmitettyä 200 asteeseen, mutta haastavien materiaalien osalla tämä ei välttämättä riitä. Erilliset korkeamman lämpötilan alustat ovat lisävarusteita. Mikäli koneessa käytetään nollapistekiinnitystä, voi sillä olla vaikutusta esilämmityksen lämpötilaan.

Jauheenkäsittely ja riittävyys

Koska tulostinvalmistajien laitteet on toteutettu eri tavoin, on niiden jauheensyötössä eroja. SLM:n koneissa jauhe tulee ylhäältä putkistoja pitkin, EOS:in laitteissa puolestaan alhaalta. Kaikissa laitteissa ei välttämättä ole riittävä jauhekapasiteetti, jotta sillä pystyisi tulostamaan keskeyttämättä kammion koko tilavuuden verran. Jauheen lisääminen kesken prosessin voi näkyä laadussa, mikäli inertti valmistusprosessi joudutaan keskeyttämään.

Automaattiset jauheenkäsittelyjärjestelmät helpottavat ja nopeuttavat prosessia, mutta käytännössä aina sitovat laitteiston käyttämään vain yhtä materiaalia, sillä järjestelmän puhdistaminen olisi liian työlästä. Lähes kaikki laitteet, joissa on tarkoitus vaihtaa usein käytettävää materiaalia, ovat enemmän tai vähemmän manuaalisia järjestelmiä. Jauheen vaihtamiseen kuluvaa aika vaihtelee konemerkeittäin muutamasta tunnista muutamaan päivään ja vaatii erityistä huolellisuutta, hieman riippuen siitä onko kyseessä reaktiiviset materiaalit.

Ohjelmistot

Kaikilla laitevalmistajilla on Materialisen Magics käytössä, ja jokainen laitevalmistaja on räätälöinyt ohjelmiston juuri omaan laitteeseensa sopivaksi. Tässä on hyviä ja huonoja puolia – Materialisen ohjelmistopaketti on maailman huippuluokkaa, mutta se on myös kallis ylläpitokustannuksiltaan. Ohjelmassa on runsaasti ominaisuuksia ja sen sujuva käyttö vaatii perehtymistä.

Osa laitteista on yhteensopiva myös muiden ohjelmistojen kanssa. Markkinoilla on Magicsin lisäksi nykyisin mm. 3DSystemsin 3DExpert ja Autodesk Netfabb, jotka ovat saaneet jalansijaa konemarkkinoilla. Lisäksi markkinoilta löytyy ohjelmistoja, joilla voidaan simuloida tulostusprosessin aikaisia lämpökuormia ja huomioida kappaleen geometrioissa/tukirakenteissa tähän liittyviä seikkoja.

Tulostusparametrit

Tulostukseen liittyviä parametreja on satoja erilaisia ja niiden avoimuus on ”kaksiteräinen miekka”. Materiaalitutkimuksen kannalta parametrien tulisi olla avoimia, jotta tulostimella voitaisiin testata erilaisia materiaaleja. Tuotannon laadunvarmistuksen kannalta avoimuus on taas ennemminkin rasite. Tässä tapauksessa parametreja voidaan lukita tarvittaessa (esim. lentokone- ja medikaalipuolen tuotantoon dedikoidut laitteet).

Parametrit voivat myös olla kustannustekijä: Jos parametrit luodaan itse, vaatii se osaamista ja runsaasti aikaa. Jotkut laitevalmistajista tarjoavat materiaalikohtaisesti testatut ja toimivat parametrit ilmaiseksi, toisilla niistä joutuu maksamaan. Valmistajalta saadut parametrit on sidottu valmistajan toimittamaan materiaaliin ja mikäli koneessa käytetään kolmannen osapuolen materiaaleja, vaatii se usein parametreihin muutoksia. Tulostusparametrit ovat luonnollisesti materiaali- ja kerroskohtaisia, eli parametrit muuttuvat eri materiaaleilla sekä kerrospaksuudella. Yleisesti ottaen koneen käyttäjät eivät lähde itse luomaan parametreja tyhjästä, vaan pohjana käytetään olemassa olevaa tietoa.

 

Kuva 4. Keskikokoluokan 3D-tulostimet kolmelta eri valmistajalta: EOS M290, Prima Sharp 250 ja SLM 280 2.0

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu
http://alvo.savonia.fi/

ROBODK ja robotisoidun suorakerrostusprosessin offline-ohjelmointi

Suorakerrostuksella tarkoitetaan yhtä metallien 3D-tulostusprosesseista, joka on myös lähes poikkeuksetta robotisoitu prosessi. Suorakerrostuksesta kirjoitettiin yleisellä tasolla aiemmassa blogikirjoituksessa, joka löytyy täältä: https://blogi.savonia.fi/3dtulostus/2018/11/29/suorakerrostus-ja-3d-tulostus-roboteilla/

Prosessin automatisointia varten tarvitaan väliin ohjelmointia, jotta käsittelylaitteet saadaan tekemään haluttu työ. Robottien tapauksessa puhutaan tyypillisesti etäohjelmoinnista (offline-programming, OLP). Käytössä olevasta robottiasemasta on yleensä myös käytössä aseman virtuaalimalli, jonka voi syöttää johonkin lukuisista etäohjelmointiohjelmista, kuten RoboDK, Delfoi Robotics, Octopuz, ABB Robotstudio, ja niin edelleen.

Tässä kirjoituksessa käsitellään lähinnä RoboDK nimeä kantavaa OLP:ia, sekä Yaskawa-robottien ohjelmointia. RoboDK on teollisuusrobottien etäohjelmointiin ja simulointiin luotu, hyvin yksinkertaisella käyttöliittymällä varustettu ohjelmisto. Sen saa Windowsin lisäksi myös Macille, Ubuntuun, sekä Android-laitteisiin.

RoboDK:n online-kirjasto kattaa yleisimmät robottibrändit, kuten ABB, Yaskawa, KUKA, Fanuc, ynnä muut. Tyypillisten teollisuusrobottien lisäksi kirjastosta löytyy myös Universal Robots -brändin yhteistyörobotit. Robottimallien lisäksi jokaiselle robotille löytyy vastaavat postprosessorit, joita voi tarpeen mukaan myös muokata itse Python-ohjelmointikielellä.

Kuva 1. RoboDK:n pääikkuna toivottaa tervetulleeksi selkeällä ulkoasullaan. Online-kirjasto vasemmalla.

Savonian laserhitsausasema on varustettu kahdella Yaskawa-robotilla, 1-akselisella gantrylla, sekä 1-akselisella pyörityspöydällä. Nykyisellään robotin työkaluvarustukseen kuuluvat kaksi laserhitsauspäätä, laserleikkauspää, sekä kaarihitsausvarustus, jota voi hyödyntää sekä erillisenä, että laserpäähän liitettynä laser-kaari -hybridihitsauksessa. Robotit ovat MH80, sekä UP350-D -malleja, käsittelykyvyt mainitussa järjestyksessä 80 kg, sekä 500 kg. Radan kanssa hitsausrobotilla (MH80) on ulottuvuutta (pyörityspöydällä) jopa 2,6 x 6,5 metriä.

Laserhitsausaseman kalustoa on tarkoitus hyödyntää meneillään olevassa 3D-tulostuksen investointi- ja kehityshankkeessa, jossa yhtenä tavoitteena on suuren metalli (ja muovi) -kappaleen 3D-tulostaminen. Suurella tässä tarkoitetaan vähintään metrin korkuista suorakerrostettua kappaletta.

PEMA toimitti aseman mukana myös etäohjelmoitavan 3D-mallin ja ohjelmiston (Visual Componentsin alustalle rakennettu “WeldControl 300”), joita voi hyvin hyödyntää hitsaus- ja leikkaussovelluksissa. Ohjelmisto toimii hyvin kaarihitsaussovelluksissa, mutta siitä puuttuu suorakerrostuksessa vaadittuja ominaisuuksia. WeldControl:in hyödyntäminen on kuitenkin tarpeellista, jotta RoboDK:lla luodulla ohjelmalla saadaan robotti myös liikkumaan.

Kuten monet muutkin 3D-tulostuksen 3D-mallit, myös suorakerrostusprosessia varten laadittu tiedosto täytyy siivuttaa (slice). Siivutuksella määritellään, millainen yksittäisestä kerroksesta syntyy. Metallien 3D-tulostuksen kohdalla siivutusohjelmiston valinta on hieman haasteellisempi kuin muoveilla, sillä suorakerrostusprosessin suuri lämmöntuonti (jopa >1 kJ/mm) ja metallien erilaiset fysikaaliset ominaisuudet aiheuttavat omia haasteita mm. kerroskorkeuksia määriteltäessä.

Slic3r -niminen ohjelmisto on ilmainen, sekä suhteellisen pätevä ja yksinkertainen softa, josta saatu G-koodi -tiedosto kelpaa sellaisenaan RoboDK:lle.

Kuva 2. Vasemmalta oikealle: Solidworksilla luotu 3D-malli, Slic3rilla siivutettu 3D-malli, lopullinen työstörata RoboDK:ssa.

Itse RoboDK:n käyttö on melko helppoa, varsinkin jos on yhtään käyttänyt OLP-ohjelmistoja aiemmin. Ohjelmiston avaruuteen tuodaan online-kirjastosta robotti (tai tuodaan oma .step / .iges / .stl -formaatissa oleva 3D-malli) ja luodaan referenssipiste, johon robotti paikoitetaan. Tämän jälkeen siivutettu tiedosto tuodaan samaan avaruuteen robotin kanssa ja asemoidaan sekin omaan referenssipisteeseensä. Yksinkertaisimmillaan näiden vaiheiden jälkeen ohjelmointi on vain robotin konfiguraation ja työkalupisteen hienosäätöä. Ohjelmiston käyttöliittymä on todella käyttäjäystävällinen ja ohjelmiston kotisivuilla on hyvin tietoa tarjolla foorumien ja opetusvideoiden muodossa. Kurkkaa linkin takaa nopeasti omaksuttavia vinkkejä, sekä hyvin alkuun saattava tutorial-video: https://robodk.com/help

Mutta kuten yleensä, asiat eivät aina mene kuten toivoa soisi. Allekirjoittaneen kohdalla ainakin muutama pieni seikka aiheutti hieman ylimääräistä työtä, ennen kuin ohjelman sai edes ladattua robotin muistiin. RoboDK:n online-kirjastosta ei suoraan löytynyt Savonian asemassa olevaa Motoman MH80-mallia, vaan tässä jouduttiin käyttämään ainoata vastaavaa, mutta pienemmän kapasiteetin omaavaa MH50-mallia.

Toinen seikka Motoman/Yaskawa -robottien kohdalla on pulssisuhteiden määrittely. Savonian PEMA-solussa Motomanit vaativat ohjelmalta koordinaatit pulsseina, joten ne täytyy määritellä manuaalisesti ohjelmistossa, että robotti suostuu vastaanottamaan valmiin ohjelman. Pulssisuhteet ovat aina robottikohtaisia, joten ne tulee selvittää robotin toimittajalta. Käytännössä homma toimii siten, että robotilla on jokaiselle nivelelle tietty määrä pulsseja per aste ja jakamalla vastaava pulssimäärä kyseisen nivelen asteilla (°) saadaan haluttu pulssisuhde. Tämä pulssitieto voidaan RoboDK:ssa syöttää robotin parametreille. Jos tieto syötetään väärin, tai oikeat luvut eivät ole tiedossa, sen tulee huomaamaan myöhemmin hyvin varmasti.

Kuva 3. Robotin parametrien määrittely. Kaikki säätimet ja tieto ovat mukavan selkeästi aseteltu. Lisää valikoita aukeaa ”Parameters” –painikkeen alta.

Tässä vaiheessa on siis löydetty soveltuva robottimalli, käännetty sen asteet pulsseiksi ja luotu ohjelma. Kaikki näyttää jopa simulaatiossa toimivalta, joten on aika ladata ohjelma robotille ja testata sitä käytännössä.

Ohjelma kyllä siirtyi robotille ilman virheilmoituksia ja rivit näyttivät pendantilla siltä kuin pitikin, mutta ensimmäistä liikekäskyä pyydettäessä alkaa valitus ulkoisista akseleista. Tässä ohjelmassa ulkoiset akselit eivät ole käytössä, mutta kun robotti roikkuu gantryn akselista, joudutaan sekin huomioimaan ohjelmassa ns. base koordinatteina. Tähän RoboDK:n mukana tullut postprosessori ei vakiokuntoisena kuitenkaan taivu, vaikka ulkoiset akselit saakin lisättyä projektiin. Postprosessorista puuttuu ne rivit, jolla tämän solun vaatimat koordinaatit tulisivat syötetyksi ohjelmaan. RoboDK:n mukana tulevat postat ovat kuitenkin salaamattomia, joten niitä voi vapaasti muokata itse, tai luoda halutessaan tyhjästä täysin oman postprosessorin. Koodit ovat kuitenkin selkeästi kirjoitettu ja hyvin kommentoitu, joten mitä suotta tekemään hyvää työtä alusta asti.

Tässä tapauksessa työhön oli tosin olemassa myös toinen tapa: jo aiemmin kirjoituksessa mainittu WeldControl. Savonian asemalle räätälöity etäohjelmointiohjelmisto toimii kahteen suuntaan, sillä saadaan luotua robottiohjelma, lähetettyä sen robotille ja sille voi myös noutaa esim. kalibrointiohjelman robotilta. Tässä projektissa WeldControl toimi hyvin ”mid prosessorina” RoboDK:n ja robotin välillä. Kun RoboDK ei suostunut ilman pythonin puukottamista kirjoittamaan Base koordinaatti –rivejä robottiohjelmaan, jätettiin se WeldControlin huoleksi. RoboDK:lla muuten valmis ohjelma lähetettiin WeldControlin kautta robotille. Näin robotin sai todellisuudessa liikkumaan ja toistamaan alun perin RoboDK:lla luotua ohjelmaa. Toki olisi yksinkertaisinta vain hyödyntää WeldControlin postprosessoria, mutta PEMA:n ohjelmiston mukana toimittamat postat ovat kryptattuja. Myöhemmässä vaiheessa on toki järkevintä luoda RoboDK:n avoimeen postaan itse skripti, joka lisää ohjelmaan nämä puutteet, mutta siitä lisää myöhemmin.

Ennen ohjelman lähettämistä WeldControlista robotille oli kuitenkin hyvä simuloida sille ladattu ohjelma, jotta varmistuttiin kaiken menneen RoboDK:n päässä suunnitelman mukaisesti. Näin ei kuitenkaan käynyt, vaan ensimmäisellä kerralla pulssisuhteet oli syötetty aavistuksen väärin, joten lopputulos olisi ollut robotilla silmät kiinni ajettuna aika kohtalokas.

Kuva 4. Hieman virheellisesti syötetyt pulssiarvot voivat aiheuttaa pieniä “oho”-elämyksiä.

Näiden lisäksi lisätyötä voi aiheuttaa myös TCP:n (tool center point) eli työkalupisteen säätö. Työkalupiste tulisi asemoida simulointimallissa siihen pisteeseen, jossa piste myös todellisessa asemassa sijaitsee, esim. hitsauspolttimen langan päässä. TCP:n asemointia helpottaa huomattavasti, jos simulointimalliin lisää varsinaista työkalupäätä vastaavan 3D-mallin ja asemoi sen, kuten se on myös todellisuudessa. TCP tulee siis asettaa sekä oikeaan kohtaan, että oikeaan asentoon suorakulmaisessa koordinaatistossa.

Tähän saakka saatujen kokemusten perusteella voisi olettaa, että ohjelmistolla on potentiaalia toimia osana suorakerrostusprosessia. Käytännön työstä vaaditaan kuitenkin reilusti enemmän käyttökokemusta, jotta asiasta voidaan luoda vakuuttavia johtopäätöksiä.

Haasteena toistaiseksi on muun muassa riippuvuus ulkopuolisista ohjelmista, kuten Slic3r ja WeldControl. Slic3r ei myöskään ole se paras mahdollinen ohjelmisto, sillä se on laadittu lähinnä muovien 3D-tulostusta varten. Myös itse suorakerrostus prosessina on vielä sen verran vähemmän tunnettu, että sitä varten ei varsinaisesti ole omaa ohjelmistoa, vaan kaikki ovat omanlaisiaan virityksiä tai prosessia soveltavia ratkaisuja. Monet suorakerrostuspalveluja tai laitteistoja tarjoavat yritykset ovatkin luoneet tätä varten kokonaan oman ohjelmistonsa työstöratojen laadintaan.

 

 

Joni Andersin
Projekti-insinööri
Savonia-ammattikorkeakoulu

Metallin 3D-tulostus: pursotus+sintrauslaitteet saapuvat markkinoille

Metallin 3D-tulostuslaitteiden myynti on kasvanut viime vuosina merkittävästi. Jauhepetitekniikan ja suorakerrostustekniikoiden rinnalle metallikappaleiden valmistukseen on nousemassa kaksi uutta menetelmää, joissa kummassakin hyödynnetään jauhemaista raaka-ainetta, sidosainetta ja sintrausta.

Pursotukseen ja sintraukseen perustuvassa menetelmässä metallijauhe on sidottuna pursotusmenetelmässä käytettävän materiaalin joukkoon. Sidosaineruiskutukseen ja sintraukseen perustuvia menetelmiä on tulossa useilta eri valmistajilta (mm. HP Metal Jet, Desktop Metal Production, Stratasys LPM), hieman erilaisina versioina. Niissä hyödynnetään jauhepetiä suuremman tuotantonopeuden saavuttamiseksi.

Tässä kirjoituksessa perehdytään pursotus+sintraus menetelmään käytännön esimerkin avulla. Pursotus+sintraus menetelmiä valmistaa tällä hetkellä kaksi laitevalmistajaa: Markforged sekä Desktop Metal. Yritykset ovat keränneet viime vuosina taakseen runsaasti suuren kokoluokan toimijoita – Markforgedin rahoittajia ovat mm. Next47 (Siemens), Porsche SE ja Microsoft. Desktop Metal on puolestaan houkutellut sellaisia yrityksiä kuin Koch, GE, GV, Panasonic, Ford ja BMW.

3D-tulostusyritysten tapaan kummatkin yritykset ovat keksineet menetelmilleen omat nimityksensä. Markforged käyttää menetelmästään nimeä ADAM (Atomic Diffusion Additive Manufacturing), eli atomidiffuusioon perustuva lisäävä valmistus. Desktop Metal puolestaan kutsuu menetelmäänsä nimellä Bound Metal Deposition, suoraan suomennettuna siis sidotun metallin sijoitusmenetelmä.

Kummatkin laitteet ovat päätoimintaperiaatteiltaan samanlaiset – laitteissa on toki pieniä eroja mutta suurimmat eroavaisuudet löytynevät ohjelmistopuolelta. Yritykset ehtivät amerikkalaiseen tapaan riidellä valmistusmenetelmien samankaltaisuuteen liittyen oikeudessakin (puolin ja toisin) ennen kuin päätyivät sovittelumenettelyyn vuonna 2018.

Käytännössä kyseessä on pursotukseen, sidosaineen pesuun ja sintraukseen perustuva valmistusmenetelmä. Raaka-aineena oleva metalli pursotetaan muotoonsa sidosaineen avulla samaan tapaan kuin muovin pursotuslaitteissa yleensäkin – pursotusmateriaalina on metallifilamentti (sidosaine, jossa on mukana metalli jauhemaisessa muodossa). Printattu kappale laitetaan pesuun, jossa osa sidosaineesta pestään pois sintraustuloksen parantamiseksi. Pesun jälkeen kappale sintrataan, jolloin siitä palaa loput sidosaineet pois jättäen jäljelle tiiviin (96-99%) metallikappaleen.

Koska tulostusvaiheessa kappale valmistetaan filamentista jossa metallijauhe on sekoitettuna poistettavaan sidosaineeseen, skaalataan kappale ohjelmassa automaattisesti n. 20% suuremmaksi ennen tulostusta. Sintrauksessa kappale tiivistyy lopulliseen kokoonsa.

Kuten kaikissa uusissa valmistusmenetelmissä, tämänkin osalta valmistajilla meni ennakoitua enemmän aikaa saada prosessi toimimaan halutulla tavalla. Muutaman vuoden odotuksen jälkeen markkinoille alkoi vihdoin saapua laitteita. Markforged aloitti viime vuoden loppupuolella toimitukset niin ripeässä tahdissa, että vuoden loppuun mennessä oli toimitettu jo 200 järjestelmää. Desktop Metal puolestaan ei ole vielä aloittanut toimituksia, mutta lupailee niiden alkavan vuoden 2019 aikana.

Suomessa Markforgedin laitteistoja jälleenmyyvät Vossi Group ja PLM Group, Desktop Metal:in laitteita Protech. Toinen suomalaisista Markforgedin jälleenmyyjistä, Vossi Group, on toimittanut Suomeen tähän mennessä kaksi järjestelmää, joista toinen on yrityksellä itsellään. Koska pursotus+sintraus menetelmään perustuva laitteisto on myös Savonian 3D-tulostusympäristön investointihankkeen hankintalistalla, kävimme tutustumassa järjestelmän toimintaan Vossin tiloissa.

Selvyyden vuoksi on painotettava sitä, että pursotus+sintrausmenetelmä ei tule syrjäyttämään jauhepetitekniikkaan perustuvia metallilaitteita vaan se täydentää 3D-tulostusmahdollisuuksia eri käyttötarkoituksiin. Menetelmät poikkeavat toisistaan niin perustoiminnaltaan kuin valmistettavien kappaleiden ominaisuuksiltaan. Kummallekin menetelmälle löytyy kysyntää, sillä valmistettavien osien käyttökohteet poikkeavat toisistaan.

Tässä vielä lyhyesti joitakin pursotus+sintraus menetelmien etuja ja rajoitteita:

Etuja

  • Materiaalit: Koska menetelmä perustuu pursotukseen ja sintraukseen, ei kappaleen valmistuksessa ole samanlaisia heijastumiin tai lämpökuormiin liittyviä haasteita kuin laseriin pohjautuvissa prosesseissa. Toistaiseksi tarjolla oleva materiaalivalikoima on rajattu (ruostumaton teräs ja työkaluteräs), mutta lisää materiaaleja on tulossa (mm. Inconel 625, kupari)
  • Hinta: edullinen investointikustannus jauhepetitekniikkaan verrattuna
  • Käyttöturvallisuus: raaka-aine käsitellään filamenttina tai tulostuskasettina, ei jauheena
  • sisäiset kennorakenteet mahdollisia
  • keraaminen irrotuskerros tukirakenteen ja valmistettavan kappaleen välillä mahdollistaa kappaleen nopean irrottamisen.

Rajoitteita

  • Nopeus: pursotusmenetelmän heikkoutena on yhden kappaleen valmistus kerrallaan, menetelmä ei siis sovellu nopeudeltaan sarjatuotannon työkaluksi
  • Tarkkuus: skaalauksesta ja kutistumasta johtuen kappaleiden geometrinen tarkkuus ei ole samaa luokkaa kuin jauhepetimenetelmissä

Kappaleiden valmistaminen Markforged Metal X 3D-tulostuslaitteella

Kuva 1. Metal X tulostin, WASH 1 -pesulaite, SINTER-1 uuni

Kappaleen valmistus Markforgedin Metal X -laitteistolla voidaan jakaa toiminnallisesti neljään eri osaan. Koska kummankin yrityksen laitteistot ovat tekniikaltaan samankaltaisia, on Desktop Metal -yrityksen Studio järjestelmän valmistusprosessi hyvin samankaltainen.

  1. Siivutus
  2. Tulostus
  3. Pesu
  4. Sintraus

 

  1. Siivutus

Siivutus tapahtuu Markforgedin Eiger -ohjelman kautta. Samaa ohjelmaa käytetään kaikkien valmistajan laitteiden kanssa. Ohjelma on saatavina täysin pilvipalveluna (normaali käyttötapa), osittaisena pilvipalveluna (STL-tiedostot säilytetään paikallisesti), tai lisämaksusta myös täysin paikallisesti asennettavana versiona. Pilvipalvelupohjaiset ohjelmistot 3D-tulostuslaitteiden hallintaan ovat viime vuosina yleistyneet ja mahdollistavat raskaiden geometrioiden siivutuksen ilman tehokonetta.

Kuva 2. Eiger -ohjelmassa määritellään tulostuksen parametrit ja ohjelma antaa arviot tulostus- ja pesuajoista, materiaalikulutuksesta ja kustannuksista

Siivutuksen yhteydessä valitaan käytetty materiaali sekä joitakin valmistuksen parametreja mutta toistaiseksi valinnat ovat hyvin rajattuja. Ohjelmistopäivitysten myötä jatkossa avautuu vaikutusmahdollisuuksia mm. Kappaleiden sisäisiin infill -rakenteisiin. Siivutusohjelma antaa arvion tulostusajasta sekä tarvittavasta pesuajasta. Pienenä yllätyksenä voi tulla pesuajan pituus joka on usein moninkertainen tulostusaikaan nähden. Tarvittavaan pesuaikaan vaikuttaa mm. kappaleen geometrian poikkipinta-ala.

  1. Tulostus

Tulostus on toimintaperiaatteeltaan sama kuin pursotustekniikkaan perustuvissa muovitulostimissakin. Tulostusalustan päällä on kertakäyttöinen tulostuspaperi, joka kiinnittyy alipaineella lämmitettävään tulostusalustaan. Tämä mahdollistaa kappaleen helpon irroittamisen tulostuksen jälkeen. Filamentit (sekä metallifilamentti että keraaminen irrotuskerroksen filamentti) sijaitsevat tulostimen yläpuolella kammiossa, jota lämmitetään hetki ennen tulostuksen aloittamista filamentin notkistamiseksi.

Kuva 3. Filamenttien sijainti, suuttimen puhdistusasema, ennen tulostuksen aloitusta tulostusalue tulee puhdistaa

Kappaleen pohjalle valmistetaan tulostettavasta materiaalista pohjalevy, jonka paksuus on 3 mm. Tämän päälle tulostetaan lisäksi vielä tarvittavat tukirakenteet, sillä pursotusmenetelmässä tyhjän päälle tulostaminen ei ole mahdollista. Sallittu overhang näytti olevan testikappaleessamme n. 45 asteen luokkaa.

Tukirakenteen ja kappaleen väliin tulostetaan keraaminen irrotuskerros, joka on yksi pursotus + sintrausmenetelmän menetelmän parhaista puolista. Tämä mahdollistaa (ainakin periaatteessa) kappaleen irrottamisen ilman sahausta tai muuta työläämpää jälkikäsittelyä.

Tulostuksen aikana tulostuspäätä käydään puhdistamassa puhdistusasemassa lukuisia kertoja – välillä useampia kertoja kesken kerroksen tulostamisen. Pikaisesti ajatellen tulostusaseman sijaitessa vasemmassa takanurkassa kappaleen sijoituksella lähelle sitä voi säästää tulostusajassa. Tulostusaika on toisaalta nopein osa prosessia, joten sillä ei ole todennäköisesti juurikaan merkitystä läpimenoajan kannalta.

Kuva 4. Ohjelma täyttää automaattisesti isommat massat kennorakenteeksi. Valmis tuloste. Kosketusnäyttö ilmoittaa, kun kappale on valmistunut, jäähtynyt ja sen voi poistaa tulostusalustalta.

Tulostuksesta valmistuu ns. “green part”, joka on skaalattu 18,5% suuremmaksi kun materiaalina on ruostumaton teräs. Koska osalle tehdään ennen sintrausta vielä pesuvaihe, kutsutaan pesun jälkeistä osaa puolestaan ruskeaksi, ”brown part”.

  1. Pesu

Tulostuksen jälkeen kappaleet punnitaan ja niiden paino kirjataan ylös. Tämän jälkeen on pesuvaiheen vuoro.

Pesuvaihe kestää helposti yli vuorokauden, joten tulostimella on mahdollista valmistaa useita kappaleita, joita voidaan lisätä pesuvaiheen sekaan. Jotta pysyttäisiin kärryillä siitä missä vaiheessa pesu on minkäkin osan osalta, Eiger -ohjelmistossa voidaan syöttää pestävät kappaleet ja niille pesujen aloitusaika. Tämä mahdollistaa pesurin tehokkaan hyödyntämisen.

Kun pesuaika on suoritettu, nostetaan kappaleet hetkeksi (n. 10 min) valumaan pesualtaan yläosaan. Valutuksen jälkeen vuorossa on kuivaus pesurin toisessa kammiossa. Kuivaus kestää 4 tuntia, jonka jälkeen kappaleet punnitaan uudelleen.

Kuva 5. Pesupiste jakaantuu pesualtaaseen ja kuivausaltaaseen. Pesuvaiheen jälkeen vuorossa on kappaleen punnitus.

Pesuvaiheen tavoitteena on pestä pois kappaleista sidosainetta vähintään 4.2% kokonaispainosta. Koska pesuvaiheen tehokkuuteen vaikuttaa mm. kappaleen tilavuus, geometriset muodot sekä sisäiset rakenteet, ei pesuaika ole kaikille kappaleille sama. Valmistaja myös suosittelee pesemään kuppimaiset osat ylösalaisin pesun tehostamiseksi. Mikäli punnituksessa todetaan poistuman olevan alle tämän, laitetaan kappaleet uudelleen pesuun.

  1. Sintraus

Sintrausvaiheessa kappale tiivistyy lopulliseen muotoonsa. Valmistelevat toimenpiteet ovat suoraviivaisen helppoja, ja uunin kosketusnäytön ohjeistusta seuraamalla ne on suoritettu muutamassa minuutissa. Kappaleet laitetaan uuniin keraamisen levyn päällä. Ja ne tulee sijoittaa uuniin samassa asennossa kuin ne on tulostettu. Luonnollisesti kappaleita ei saa laittaa päällekkäin tai sisäkkäin.

Sintraus tapahtuu suojakaasussa (argon). Markforged suosittelee laitteiden käyttöön nestemäistä argonia, mutta myös kaasu näyttää toimivan. Kaasun lisäksi uunissa on suodattimia, jotka tulee vaihtaa säännöllisin väliajoin (riippuen uunin käytöstä).

Sintrausta ei saa keskeyttää aloittamisen jälkeen, eikä uunia avata kesken työvaiheen, sillä sintrauksen aikana kappaleen materiaali voi olla jauhemaisessa muodossa, jolloin se on mm. terveydelle vaarallista. Työturvallisuussyistä uunin sulkeminen ja avaus tapahtuvat kolmen pultin avulla jotka luukun sulkuvaiheessa kiristetään momenttiavaimella määrätylle kireydelle. Luukkua ei siis pysty avaamaan vahingossa.

Kuva 6. Kappaleet laitetaan uuniin keraamilevyn päällä. Uuni lukitaan kolmella pultilla. Uunin kosketusnäyttö näyttää työvaiheen kestoajan.

Sitrausaika on materiaalikohtaisesti vakio. Ruostumattomalle teräkselle (17-4 PH Stainless Steel) aika on 26 tuntia, riippumatta siitä miten paljon kappaleita on uunissa sisällä.

Kokonaisuudessaan valmistusaika testikappaleellemme oli n. 61 tuntia:

  • Tulostusaika 4h 37 min (+ n. 1h jäähdytys, ennen kuin kappaleen sai ottaa tulostimesta pois)
  • Pesuaika 26 h + valutus 20 min + kuivaus 4h
  • Sintrausaika n. 26 h

Työvaiheita tarkastellessa on hyvä huomioida, että sekä pesu- että sintrausvaiheisiin mahtuu useita kappaleita samanaikaisesti.

Miten sitten on kappaleiden mittatarkkuuden kanssa?

3D-skannasimme kaksi valmistettavaa kappaletta tulostuksenjälkeisenä ”green part” -osana ja vertasimme niitä lähtötietoina olleisiin STL-tiedostoihin. Mittauksen perusteella green partit olivat 18,5% suurempia kuin STL-tiedostot, joille siivutus tehtiin. Tämä on hyvin linjassa valmistajien ilmoittaman n. 20% skaalauksen kanssa.

Sintrausajan pituudesta johtuen emme ehtineet saamaan käsiimme esimerkkikappaleena käytettyä siivekettä, joten valmiin kappaleen mittatarkkuuden arviointia varten skannasimme yhden jo aiemmin valmistuneen kappaleen, jota vertasimme tulostuksen pohjana olleeseen STL-tiedostoon.

Seuraavassa kuvassa näkyy skannatun kappaleen mittatarkkuus vain toiselta puolelta, mutta kuten lukuarvoista näkee, kappale tiivistyy hyvin mallin mukaisiin mittoihin:

  • Mittapisteiden lukumäärä: 36146
  • Kokonaispoikkeama: keskiarvo 0,002 mm, keskihajonta 0,069 mm sisältäen 70,9% mittapisteistä (2*keskihajonta 95,2% mittapisteistä).
Kuva 7. Vasemmalla sintrattu tuloste (valmis kappale, joka on jo irroitettu alustasta), oikealla mittakuva.

 

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

Lauri Alonen
Projekti-insinööri
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

 

3D-skannauksesta: 3D-skannaus ja 3D-tulostus

3D-skannaus on 3D-tulostuksen tapaan laaja käsite jonka sisään mahtuu useita erilaisia prosesseja ja sovelluksia. Yleisesti ottaen 3D-skannauksella tarkoitetaan menetelmää, jossa kappaleesta muodostetaan virtuaalinen 3D-malli. 3D-Skannauksen menetelmiä on useita (mm. fotogrammetria, laservaloon sekä strukturoituun valoon perustuvat menetelmät).

Tässä blogikirjoituksessa keskitytään pääasiassa laserpohjaiseen, piirteiden avulla tapahtuvaan 3D-skannaukseen ja sen hyödyntämiseen 3D-tulostuksen yhteydessä. Aiemmassa blogikirjoituksessa käsiteltiin 3D-skannauksen käyttöä teollisuuden työkaluna (linkki: https://blogi.savonia.fi/3dtulostus/2018/08/28/3d-skannaus-osa-1-2-3d-skannaus-valmistavan-teollisuuden-tyokaluna/).

3D-skanneri on siis tässä tapauksessa laite, jolla tuotetaan dataa reaalimaailman kohteesta, esimerkiksi sen muodosta ja/tai ulkonäöstä. Skanneri heijastaa kohteeseen jonkin määrätyn kuvion ja kuvaa heijastetun kuvion yhdellä tai useammalla kameralla. Muotodata tuotetaan analysoimalla heijastetun kuvion muodonmuutoksia. Useat peräkkäiset muotodatat yhdistetään toisiinsa käyttämällä niissä esiintyviä yhteisiä piirteitä, esimerkiksi kohdistustarroista muodostuvia ”tähtikuvioita”.

Lopullinen skannerista ulos saatava muotodata on yleisesti mittapistepilvi 3D-avaruudessa, tai siitä luotu polygoni-pintamalli. Jotkut skannerit tallentavat lisäksi väritiedon jokaiselle mittapisteelle, jolloin skannauksesta syntyvä malli on realistinen myös värien puolesta.

Aika usein 3D-tulostuksen yhteydessä puhutaan 3D-skannauksesta menetelmänä, jolla olemassaoleva kappale voidaan kopioida. Tämä pitää kuitenkin harvoin paikkansa, sillä vaikka 3D-skannaus on hyödyllinen ja nykyisin laajasti käytetty menetelmä, on sen käytössä tiettyjä rajoitteita. Skannattavan kappaleen ulkomuodot voidaan tallentaa digitaaliseen muotoon, mutta kappaleen toimintaa tai sisäisiä rakenteita ei saada suoraan kopioitua.

3D-skannausta voidaan hyödyntää 3D-mallin luomisessa sekä kohteen 3D-mittauksessa. Sen avulla voidaan saada mittatietoa suhteellisen nopeasti ja helposti ja menetelmän käyttö on suomessakin kasvanut viime vuosina nopeaa vauhtia. 3D-mittauksessa hyöty tulee esille erityisesti silloin, kun kyseessä on perinteisin menetelmin hankalasti mitattavat muodot. Menetelmän käyttö tuotannossa vaatii usein erillisen mittausohjelmiston, jonka avulla mittadataa voidaan tarkastella tai verrata referenssimittoihin nopeasti.

Seuraavaksi käydään läpi muutama esimerkki 3D-skannauksen käytöstä 3D-tulostukseen liittyen, kun valmistusmateriaalina on muovi.

Esimerkki 1: Kipsipatsaan 3D-skannaus 3D-malliksi ja siitä eteenpäin 3D-tulostetuksi pienoismalliksi, sekä osaksi betonivalumuottia.

Tässä esimerkkitapauksessa tarkastelun kohteena oli kipsistä valmistettu patsas, jota päätettiin hyödyntää osana betonivalumuotteihin liittyvää testausta. Kipsi on materiaalina helposti 3D-skannattavaa.

Kuva 1. Patsaan 3D-skannaus, tietokoneelle muodostuva 3D-malli. Kuva: Lauri Alonen, 2018.

Patsaan 3D-skannaus tehtiin Creaform Handyscan 700 3D-skannerilla 1 mm mittapistevälillä. Tarvittaessa skannattuun malliin jääviä virheitä voidaan korjata suoraan 3D-skannerin mukana tulleella VX-elements ohjelmistolla skannausvaiheessa tai sen jälkeen. Tässä tapauksessa muuten täydellisesti skannatusta mallista korjattiin ohjelmistolla vain mallin pohjaan jäänyt reikä, jonka jälkeen 3D-malli tallennettiin STL-muotoon.

3D-tulostettavat kappaleet on hyvä tarkastaa ennen 3D-tulostusta pintamallissa esiintyvien virheiden varalta. Varsinkin STL-formaattiin tallennetuissa 3D-malleissa on usein erinäisiä virheitä, jotka voivat aiheuttaa valmistettavaan kappaleeseen virheitä. 3D-mallia voidaan vielä tarvittaessa korjata siihen soveltuvalla muokkausohjelmalla ennen 3D-tulostimelle viemistä. Tässä tapauksessa tarkastukseen käytettiin Netfabb Professional –ohjelmaa.

Kuva 2. Patsaan 3D-malli STL-polygonimallina ja siivutettuna 2D-mallina Netfabb ohjelmassa. Kuva: Lauri Alonen, 2018.

3D-skannauksen pohjalta luotu 3D-malli tulostettiin jauhepetitekniikkaan perustuvalla 3D-tulostimella (EOS P350), jota varten 3D-malli täytyy lopuksi siivuttaa 2D-kerroksiksi. Tarvittaessa mallin 2D-reunaviivoja voidaan korjata vielä 2D-kerrostasollakin. Lopuksi malli tallennetaan 2D-kerroksista koostuvassa SLI (slice layer interface) -formaatissa.

3D-tulostetun kappaleen tarkastelun jälkeen 3D-mallista päätettiin hyödyntää betonivalutestauksessa vain kasvot. Kasvoja muokattiin hieman paremmin käyttökohteeseen soveltuviksi, jonka jälkeen niistä valmistettiin pursotustekniikkaan perustuvalla 3D-tulostimella muotti. Valmistettua muottia käytettiin betonipylvään valussa.

Kuva 3. Patsaasta EOS EOSINT P350 jauhepetitulostimella tulostettu pienoismalli, patsaan kasvoista valmistettu muotti, betonista muovimuotin avulla valettu kasvo osana betonipylvästä Kuva: Lauri Alonen, 2018.

Esimerkki 2: 3D-tulosteiden valmistuksen laadunvarmistus

Lisäävän valmistuksen tunnetuimpia hyötyjä on sen soveltuvuus massaräätälöintiin. Valmistettavan tuotantoerän jokainen kappale voi olla erilainen ilman merkittävää vaikutusta valmistusprosessin toimintaan. Jokainen valmistettava kappale valmistuu geometriastaan huolimatta menetelmän mukaisessa mittatoleranssissa.

Toisaalta sama kappale pitäisi pystyä valmistamaan yhä uudelleen käyttämällä samoja tulostusparametreja, niin että kappaleen mittatarkkuus valmistuskertojen välillä säilyy muuttumattomana. Tämän esimerkin tarkoitus on havainnollistaa eroja pursotusmenetelmällä valmistettujen kappaleiden välillä. Pursotusmenetelmä on yksi yleisimmistä lisäävän valmistuksen menetelmistä.

Vaikka kappaleiden valmistuksessa käytettävä lisäävän valmistuksen menetelmä olisi sama, on eri koneiden ja laitteiden välillä eroja. Lisäksi valmistusmenetelmien toimintaan vaikuttaa suuri määrä muuttujia, joilla voi olla vaikutusta lopputulokseen. Testikappaleissa havaittuja eroja syntyi mm. käytetystä materiaalista, valmistettavien kappaleiden tulostusmäärästä (pidempi jäähtymisaika ennen seuraavaa kerrosta), käytetystä tulostimesta (erilainen siivutus, ajoparametrit, suutin, …).

Teollisuudessa edellä mainitut erot pyritään yleensä minimoimaan hyväksyttämällä kappaleen valmistus tietylle 3D-tulostinlaitteelle, ajoparametreille, eräkoolle ja materiaalille. Lisäksi varsinkin metallin 3D-tulostuksessa varmistetaan materiaaliominaisuuksien säilyminen testauksen ja mittauksen avulla.

Esimerkkikappaleen geometria on muokattu ja pienemmäksi skaalattu versio todellisesta teollisuuden kappaleesta, ja sitä valmistettiin materiaalin pursotusmenetelmään perustuvalla 3D-tulostimella (German Reprap x1000) viisi kappaletta kahdesta eri materiaalista. Suuttimen koko oli 0,8 mm, kerroskorkeutena 0,2 mm. Tulostuksen jälkeen kappaleet 3D-skannattiin ja niitä verrattiin keskenään sekä tulostuksen pohjana olleeseen STL-tiedostoon mittavirheiden havaitsemiseksi. Vertailussa käytettiin mittavirheiden värikarttaa sekä erillisiä mittapisteitä, jotka olivat sijoitettu kappaleen reunoille.

Testissä 1 materiaalina oli PLA. Testin kappaleet 1 ja 5 valmistettiin yksittäistulostuksina, kappaleet 2-4 valmistettiin samassa ajossa. Alla kuva testikappaleista tulostettuina.

Kuva 4. Testin kappaleet tulostuksen jälkeen.

Testikappaleen geometriassa on joitakin haastavia piirteitä pursottavalle tulostukselle ja yksi selkeä ongelmakohta jonka osalta tulostusjälki oli heikompi kaikissa kappaleissa. Havaittu virhe olisi ollut mahdollista välttää oikeanlaisen tukirakenteen avulla, sillä kaareva piirre oli juuri sillä rajalla, että tukirakenne olisi tarpeen. 3D-skannaus tuo esille mittavirheinä myös materiaalin pursotusmenetelmälle tyypilliseen tapaan aiheutuvat purseet, sillä kappaleita ei jälkikäsitelty ennen skannausta.

Värikarttaa tarkastellessa on hyvä huomioida se, että värikartassa on verrattu kaikkien tulosteiden mittaeroja STL-tiedostoon sekä toisiinsa. Kun mittavirheitä yhdistetään samaan kuvaan, huomioidaan niissä vain suurimmat virheet. Mikäli samassa mittapisteessä eri kappaleiden välillä on ollut heittoja sekä plus- että miinussuuntaan, huomioidaan niistä vain toinen. Jos esimerkiksi samassa pisteessä on ollut jossain kappaleessa -1 mm heitto, ja toisessa kappaleessa +0.5 mm heitto, on se värikartassa huomioitu suuremman heiton eli -1 mm mukaan.

Polyworksissa voidaan esittää poikkeamat (mittavirheet) mm. värikarttana sekä siihen liittyvänä taulukkona, jossa kuvataan poikkeamien keskiarvo, keskihajonta sekä keskihajonnan kerrannaiset (1-6* keskihajonta). Kerrannaisilla tarkoitetaan tässä yhteydessä sitä, montako prosenttia mittauksista sijoittuu keskihajonnan alueelle. Esim. 87% mittauksista osuu 1*keskihajonta –alueelle, 96% mittauksista 2*keskihajonta -alueelle, 98% mittauksista 3*keskihajonta -alueelle, jne.

Seuraavassa kuvassa on esitetty värikartat kappaleiden väliltä sekä STL-tiedostoon verrattuna. Kuten kuvasta ilmenee, suurin osa kappaleen geometriasta toistui ongelmitta. Ensimmäisen testin kappaleiden poikkeamat referenssikappaleeseen nähden:

  • Mittapisteiden lukumäärä: 13121950
  • Kokonaispoikkeama: keskiarvo 0,032 mm, keskihajonta 0,096 mm (83,5% mittapisteistä, 2*keskihajonta 95,3% mittapisteistä).
  • Positiivinen poikkeama: keskiarvo 0,069 mm, keskihajonta 0,095 (89,8% mittapisteistä, 2*keskihajonta 95,5% mittapisteistä).
  • Negatiivinen poikkeama: keskiarvo -0,036 mm, keskihajonta 0,051 mm (87,9% mittapisteistä, 2*keskihajonta 96,2% mittapisteistä).
  • Lisäksi 0,016% mittapisteistä ei mahtunut asetettujen toleranssirajojen (+/- 1 mm) sisäpuolelle.
Kuva 5. Vasemmalla vertailukuva STL-tiedostoon, keskellä tulosteiden keskinäinen vertailukuva, oikealla kuva tulosteesta. Mitta-asteikot: Max (> 1 mm), UpTol (0,5 – 1 mm), UpWarn (0 – 0,5 mm), LoWarn (0 – -0,5 mm), LoTol (-0,5 – -1 mm), Min (< -1mm).

Testissä 2 materiaaliksi valittiin UPM Formi, joka on PLA –pohjainen puukuitufilamentti. UPM Formi on havaittu hyvin kantavaksi materiaaliksi joka mahdollistaa selvästi jyrkemmät tulostuskulmat kuin perusfilamentit. Puufilamentissa oleva kuitu estää materiaalin kutistumista, mutta tekee samalla materiaalista PLA-materiaalia pehmeämmän ja joustavamman. Testin kappaleet valmistettiin yksittäistulostuksina.

Testin 2 osat näyttivät silmämääräisesti tarkasteltuna hieman tulostuslaadultaan paremmilta kuin PLA –materiaalista valmistetut kappaleet, sillä selvästi näkyvien purseiden määrä oli pienempi. Toisaalta muutamat selvät virhekohdat puolestaan näyttivät hieman karkeammilta. Koska siivutus tehtiin samoilla asetuksilla, toistui kappaleissa yleisesti ottaen samat virhekohdat tälläkin materiaalilla.

Seuraavassa kuvassa on esitetty värikartat kappaleiden väliltä sekä STL-tiedostoon verrattuna. Ensimmäisessä testissä käytetyn PLA-materiaalin tapaan suurin osa kappaleen geometriasta toistui ongelmitta. Kappaleiden poikkeamat (mittavirheet) referenssikappaleeseen nähden:

  • Mittapisteiden lukumäärä: 1029480
  • Kokonaispoikkeama: keskiarvo -0,049 mm, keskihajonta 0,121 mm (77,7% mittapisteistä, 2*keskihajonta 97,2% mittapisteistä).
  • Positiivinen poikkeama: keskiarvo 0,055 mm, keskihajonta 0,062 mm (90,8% mittapisteistä, 2*keskihajonta 98,3% mittapisteistä).
  • Negatiivinen poikkeama: keskiarvo -0,108 mm, keskihajonta 0,106 mm (88.2% mittapisteistä, 2*keskihajonta 97,2% mittapisteistä). Tulosten perusteella näiden kahden materiaalien välillä ei siis ole suurta eroa lopputulokselle.
  • Lisäksi 0,722% mittapisteistä ei mahtunut asetettujen toleranssirajojen (+/- 1 mm) sisäpuolelle.

 

Kuva 7. Vasemmalla vertailukuva STL-tiedostoon, keskellä tulosteiden keskinäinen vertailukuva, oikealla kuva tulosteesta. Mitta-asteikot: Max (> 1 mm), UpTol (0,5 – 1 mm), UpWarn (0 – 0,5 mm), LoWarn (0 – -0,5 mm), LoTol (-0,5 – -1 mm), Min (< -1mm).

Pursotusmenetelmään liittyy ominaispiirteitä kuten purseita sekä siivutusvirheistä aiheutuvia pieniä koloja, jotka aiheuttavat helposti mittavirhepiikkejä. Näiden laatuvirheiden määrään ja laatuun pääsee vaikuttamaan tulostusparametrien kautta mutta tätä testiä varten tulostusparametreja ei lähdetty erityisemmin optimoimaan.

Mittausten perusteella voidaan todeta, että pursotusmenetelmälläkin voidaan päästä kohtuullisen tarkkaan toistojälkeen. Jauhepetimenetelmän laatutasoon ja toistotarkkuuteen ei pursotusmenetelmällä yleisesti ottaen päästä, mutta käyttökohteetkin ovat usein hieman erilaisia. Pursotusmenetelmän laaja materiaalivalikoima, pääosin edulliset laite- ja materiaalikustannukset sekä mahdollisuus suuriinkin tulostusalueisiin pitävät huolen siitä, että menetelmä säilyttää asemansa yhtenä yleisimmistä lisäävän valmistuksen menetelmistä lähitulevaisuudessakin.

 

Lauri Alonen
Projekti-insinööri
Savonia-ammattikorkeakoulu

Joni Andersin
Projekti-insinööri
Savonia-ammattikorkeakoulu

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

3D-tulostuksen integrointi konelan opetukseen

Tämä blogikirjoitus käsittelee 3D-tulostuksen sisäänajoa Savonia-ammattikorkeakoulun konealan opetuksen sisällöksi. Lisäävä valmistus ei varsinaisesti ole mikään uusi ilmiö tuotekehityksen saralla, sillä ensimmäisiä 3D-tulostettuja kappaleita tehtiin Savoniallakin jo 2000-luvun alussa, muotoilun koulutuksen hankittua ensimmäinen lasersintraukseen perustuvan 3D-tulostimen (EOS P350). Tuohon aikaan 3D-tulostus kulki pikavalmistuksen nimellä ja sen katsottiin soveltuvan tuotannon sijaan lähinnä prototyyppien valmistukseen. Niinpä alkuvuosina 3D-tulostus Savonian sisällä palvelikin enimmäkseen maksullista palvelutoimintaa sekä alan tutkimusta, eikä levinnyt vielä opetukseen muotoilun koulutusta laajemmin.

Nykyinen konealan opetussuunnitelma, jossa 3D-tulostus on mukana, tuli käyttöön noin nelisen vuotta sitten. Tämä neljän vuoden jakso on ollut täynnä erilaisia oppeja ja oivalluksia siitä, miten 3D-tulostus voisi integroitua osaksi perusopetusta. Ensimmäinen haaste on ollut saada konetekniikan opettajat ymmärtämään ja omaksumaan lisäävän valmistuksen merkitys uutena valmistusmenetelmänä. Perinteisempiä valmistusmenetelmiä (takominen, valaminen, lastuava työstö, levytyöt, hitsaus, jne.) on opetettu koneinsinöörikoulutuksessa jo reilut 60 vuotta, joten kaikki opettajat eivät oikein vieläkään tahdo uskoa että lisäävä valmistus on noussut näin nopeasti varteenotettavaksi valmistusmenetelmäksi perinteisten rinnalle. Opiskelijat tosin ovat olleet huomattavasti ennakkoluulottomampia ja erityisen kiinnostuneita 3D-tulostuksesta. Osalla opiskelijoista onkin jo omat 3D-tulostimet kotona ja siten aiheessa ei ole enää heille mitään ihmeellistä.

Savonian konealalle 3D-tulostus saapui ensimmäistä kertaa vuonna 2009 kipsitulostimen (ZCorp Zprinter 450) hankinnan myötä. Kipsitulosteiden käyttökohteet ovat kuitenkin rajalliset, jonka lisäksi laitteisto osoittautui toiminnaltaan kovin epäluotettavaksi joten sitä hyödynnettiin opetuksessa lähinnä projektitöissä ja opinnäytetöiden yhteydessä. Laitteen toiminnan aikana kipsitulosteita käytettiin pienoismallien lisäksi mm. alumiinivalujen ja hiilikuitumuottien valmistamisessa.

Muutama vuosi kipsitulostimen hankinnan jälkeen 3D-tulostinlaitteiden kehityksessä tapahtui suuri muutos materiaalin pursotustekniikkaan perustuvien keskeisimpien patenttien rauettua. Avoimen RepRap – projektin myötä markkinoille alkoi saapua suuri määrä yksinkertaisia materiaalin pursotukseen perustuvia 3D-tulostimia. Savonialle ensimmäiset pursotustekniikkaan perustuvat 3D-tulostimet hankittiin 2011 jolloin tavoitteeksi asetettiin tiedon ja kokemuksen kerääminen siitä, miten 3D-tulostaminen tulee vaikuttamaan mm. kappaleen suunnitteluvaatimuksiin. Hankitut laitteet olivat Solidoodle –laitevalmistajan heikkolaatuisia mutta edullisia tulostimia.

Konkreettisesti 3D-tulostus saapui konealalle kuitenkin vasta ALVO-projektin myötä 2015- vuoden alkupuolella, jolloin lähdettiin kartoittamaan ja suunnittelemaan 3D-tulostusympäristön luomista Savonialle. ALVO-hankkeen pienen investointiosuuden myötä laitekanta laajeni kolmella uudella tulostimella.

Kuva 1. Hankittuja 3D-tulostimia vuodelta 2015

Konetekniikan koulutuksessa opiskelijoiden ensimmäinen konkreettinen kosketus 3D-tulostamiseen tulee ensimmäisen vuoden syksyn aikana ”valmistustekniikka 1” -opintojaksolla. Tämän opintojakson myötä opiskelijat saavat melko hyvän perustietouden lisäävästä valmistuksesta, tulostusprosesseista, tulostusmateriaaleista, tarvittavista ohjelmistoista ja erilaisista sovelluksista, joissa 3d-tulostusta käytetään nykyisin. Tämän lisäksi opintojaksoon sisältyy laboratorioharjoitukset, joissa kaikki opiskelijat pääsevät tulostamaan itse suunnittelemiaan kappaleita.

Ensimmäisen syksyn aikana konetekniikan opetussuunnitelmaan sisältyy myös ”3D-mallinnus”, ”tekninen piirtäminen” ja ”materiaalitekniikka 1.” -opintojaksot, jotka ”valmistustekniikka 1”:sen myötä tukevat lisäävän valmistuksen osaamistavoitteita. Varsinkin 3D-mallinnuksen opintojakso linkittyy erittäin tiiviisti 3D-tulostamiseen, koska tulostettavat kappaleet täytyy luonnollisesti ensiksi mallintaa / luoda geometria, jota tulostetaan. Tekninen piirtäminen puolestaan lisää opiskelijoiden ymmärrystä mm. valmistusdokumentaatiosta, valmistustoleransseista, pinnanlaadusta ja valmistusteknisistä vaatimuksista. Materiaalitekniikan opintojakso puolestaan tuo tarvittavan materiaaliteknisen osaamisen. Tavoitteena on ensimmäisen syksyn aikana saada konetekniikan opiskelijoille perusvalmiudet ja –osaaminen 3D-mallinnukseen, tekniseen piirtämiseen, konealan valmistusmenetelmiin, materiaalitekniikkaan sekä etenkin 3D-tulostukseen. Tämä pyritään saamaan aikaiseksi yhdistämällä teoriaa ja käytännön harjoittelua sopivassa suhteessa.

Ensimmäisen opiskeluvuoden kevätlukukaudella 3D-tulostus aukeaa erittäin konkreettisesti konetekniikan opiskelijoille orientaatioprojektin myötä. Tässä opintojaksossa opiskelijat pääsevät ensimmäisen kerran kosketuksiin todellisen tuotekehitysprojektin prosessiin. Opintojakson tavoitteena on ideoida, suunnitella, valmistaa ja testata todellinen laite, jossa on mukana liikkuvia osia, elektroniikkaa ja joku mekanismi, johon laitteen toiminta perustuu. Osa laitteen komponenteista valmistetaan 3D-tulostamalla lisäävän valmistuksen laboratoriossa. Aiheina kyseisellä opintojaksolla on ollut mm. höyrykone, vesipumppu, kuumailmapallo, 3D-tulostin, drone sekä laite, jonka liikettä tuottavana mekanismina on maltan risti.

Orientaatioprojektin toteutus myötäilee kansainvälistä CDIO (Concieve, Design, Implement ja Operate) pedagogista mallia, joka on käytössä useissa teknisissä yliopistoissa ympäri maapallon. Savonian konetekniikka onkin leikkimielisesti nimennyt orientaatioprojektin CDIO mallin ns. AFTT (Ass Forward To Tree) menetelmäksi, koska siinä ei varsinaisesti opeta projektinhallintaa ensimmäisen vuoden aikana.

Näinollen opiskelijaryhmät joutuvat tutustumaan tuotekehitykseen hieman ”perse edellä puuhun” menetelmällä. Niin kuin kaikissa erilaisissa pedagogissa malleissa, orientaatioprojektin oppimistulokset vaihtelevat erityyppisillä opiskelijoilla. Jotkut opiskelijat innostuvat suuresti ja kokevat oppineensa valtavasti kun taas jotkut ovat ”pihalla kuin lumiukot” opintojakson aikana. Kyseinen opintojakso on hioutunut vuosien saatossa ja olemme todenneet, että projektin aiheella on suuri merkitys opiskelijoiden motivaatiossa viedä projekti läpi alusta loppuun. Tavoitteena on viedä konkreettinen tuotekehitysprojekti läpi ideasta protoyypiksi hyödyntäen CAD – CAM ohjelmistoja ja eri valmistusmenetelmiä, mukaanlukien 3D-tulostus.

CDIO:n pedagogiseen menetelmään voi tutustua paremmin seuraavan webbilinkin kautta: www.cdio.org.

Savonian konealan orientaatioprojektin CDIO mallia voidaan kuvailla seuraavasti:

C (concieve) vaiheessa opiskelijat ideoivat ja luonnostelevat n. 4 – 5 hlön ryhmissä annetun projektin teeman mukaisia konsepteja. Esimerkiksi keväällä 2018 orientaatioprojektin teemana oli drone -lennokki, jolle tuli keksiä joku hyödyllinen käyttötarkoitus. Opiskelijat keksivät useita eri variaatiota dronen käyttöön, esim. ambulanssidrone, lääkekuljetusdrone, tavaroiden kuljetusdrone ja hälytysdrone.

D (design) vaiheessa opiskelijaryhmien tehtävänä on suunnitella valitun konseptin mukainen tuote. Suunnitteluvaihe sisältää tuotteen komponenttien ja kokoonpanon 3D-mallinnuksen SolidWorks-ohjelmalla, valmistuspiirustusten laatimisen, osaluettelon materiaalivalintoineen sekä valmistustoleranssien määrittelyt. Suunnittelussa opiskelijoiden tulee ottaa huomioon eri valmistusmenetelmien mahdollisuudet, rajoitteet ja valmistustoleranssit siten, että kappaleet ovat valmistettavissa ja lopputuote kokoonpantavissa.

Kuva 2. Esimerkkejä droneprojektin vaiheiden tuloksista: luonnosteluvaihe, 3D-CAD mallinnettu versio (Solidworks)

I (implement) vaiheessa alkaa prototyyppien rakentaminen. Ensimmäisessä vaiheessa siirrytään valmistustekniikan laboratoriotiloihin valmistamaan suunniteltujen laitteiden komponentteja. Suuri osa valmistettavista kappaleista on mahdollista valmistaa 3D-tulostamalla, jolloin tiedostot tallennetaan SolidWorksistä STL-formaattiin tulostusta varten. Tulostuksessa opiskelijat käyttävät pääasiassa pursottavia filamenttitulostimia. Filamenttimateriaalina on yleisimmin käytössä PLA, sillä se on tulostettavuudeltaan helppoa eikä siitä aiheudu juurikaan hiukkaspäästöjä tai hajuhaittoja tulostuksen aikana.

Kuva 3. Esimerkki droneprojektin osien 3D-tulostuksesta

Osien valmistuksen jälkeen opiskelijat kasaavat prototyypit ja siirtyvät sen jälkeen projektin viimeiseen vaiheeseen (O).

(O) operate on orientaatioprojektin viimeinen vaihe, jossa opiskelijat pääsevät testaamaan ja esittelemään valmiita prototyyppejänsä. Keväällä 2018 kaikkien ryhmien dronet saatiin lentämään.

Kuva 4. Esimerkkejä valmiista tuotoksista

Ensimmäisen vuoden jälkeen konealan opiskelijat pääsevät hyödyntämään 3D-tulostuksen osaamistaan seuraavan kerran 2. vuoden kevään tki-projekti -opintojakson myötä. Tässä opintojaksossa toteutetaan yrityksiltä tulevia tuotekehitysaiheita viemällä valtaosa uusista ideoista pienoismalleiksi, prototyypeiksi, mock-up malleiksi, jne.

Tähän opintojaksoon tulevat mukaan myös Savonian liiketalouden ja muotoilun opiskelijat ja he pääsevät työskentelemään monialaisissa projektiryhmissä koko kevään ajan. Kahden viimeisen vuoden ajan olemme vieneet kaikki 2. vuosikurssin opiskelijat Tampereen alihankintamessuille, jossa opiskelijoilla on ensimmäinen tki-projektin tehtävä: etsiä kevään projektin aiheita ja käydä vähintään viidellä osastolla tutustumassa teknologiateollisuuden alihankintatoimintoihin. Alihankintamessuilla alkaa vuosi vuodelta näkyä myös konkreettisemmin lisäävän valmistuksen ympärillä toimivia yrityksiä.

Konetekniikan kolmannen ja viimeisen vuoden aikana lisäävän valmistuksen osaaminen syvenee vielä joidenkin opintojaksojen (materiaalitekniikka 2, valmistettavuus, valmistusmenetelmät ja valinnainen AM-opintojakso) myötä. Tämän lisäksi opiskelijoilla on mahdollisuus suorittaa osa työharjoittelusta 3D-tulostuslaboratoriossa ja tehdä opinnäytetyö, jossa käsitellään 3d-tulostukseen liittyvää aihetta.

Tässä vaiheessa voidaan todeta, että lisäävä valmistus / 3D-tulostus on tullut jäädäkseen Savonian konetekniikan opetukseen ja tki-toimintaan. Tavoitteena on myös saada aiheeseen liittyvä opetus laajenemaan muille aloille Savoniassa, sillä tällä hetkellä ainoat 3D-tulostusta laajemmin opetuksessa hyödyntävät koulutusalat ovat muotoilu ja koneala. Tähän liittyvää pohjatyötä on tehty LIVA (Lisäävä Valmistus Pohjois-Savossa) hankkeessa valmistelemalla mm. vapaasti valittavia 3D-tulostuksen ”non-stop” –opetuskokonaisuuksia, jotka tulevat kaikkien Savonian opiskelijoiden ja täydennyskoulutuksen hyödynnettäviksi. Non-stop –termillä tarkoitetaan tässä yhteydessä sitä, että kurssit tulevat olemaan auki jatkuvasti, joten niitä voi suorittaa milloin tahansa. Pääosa kurssien teoriapuolesta suoritetaan moodle- ympäristön kautta, ja niihin liittyviä harjoitustöitä voi käydä suorittamassa Savonian 3D-tulostuslaboratoriossa itselle parhaiten sopivana ajankohtana.

Savonian 3D-tulostuslaboratorion osalta edessä on suuri askel eteenpäin vastikään käynnistyneen investointi & kehityshankkeen sekä lähivuosina tapahtuvan Savilahden kampukseen siirtymisen myötä. Tämän hetken suunnitelmien mukaan 3D-tulostuslaboratorio tullaan jakamaan kahteen osaan: yleisesti avoimena olevaan laboratoriotilaan sekä suljetumpaan, ns. ”tki” –puoleen, jossa laitteita pääsee käyttämään vain henkilökunnan opastuksella ja valvonnassa. Avoimeen käyttöön tuleva laboratoriotila saatetaan jopa sijoittaa uuden kampuksen ”sydämeen”, jolloin laboratoriotila on helposti saavutettavissa ja tekeminen näkyvää.

Vaikka laitteet jaetaankin fyysisesti kahteen tilaan, sijaitsevat ne kuitenkin saman kampuksen sisällä vain joidenkin minuuttien kävelymatkan päässä toisistaan. Taustalla on paitsi laitteiden ja materiaalien hankinta- ja käyttökustannukset myös oppilaitosympäristössä korostuva käyttöturvallisuustarve. Esimerkiksi metallin 3D-tulostuslaitteiden ja niiden materiaalien turvallinen käyttö vaatii tiettyjä pakollisia suojatoimenpiteitä, joten niiden sijoittaminen avoimeen ympäristöön ei tule olemaan mahdollista. Toisaalta taas valtaosa 3D-tulostuslaitteista on riittävän turvallisia ja helppokäyttöisiä, joten ne voivat olla opiskelijoiden käytössä kunhan laitteiden käyttökoulutus on suoritettu.

 

Anssi Suhonen
Konetekniikan Lehtori
Savonia-ammattikorkeakoulu

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

3D-tulostuksen käyttökohteita terveysalalla: case aivoverisuonet

 3D-tulostuksen käyttö anatomisten mallien valmistamiseen sekä opetukselliseen että operatiiviseen käyttöön on yksi lisäävän valmistuksen vanhimmista käyttökohteista terveysalalla. Niissä yhdistyvät mm. seuraavat 3D-tulostuksen hyvät puolet:

  • yksilöllisyys: jokainen valmistettava malli on erilainen sillä jokainen potilas on erilainen
  • hinta-laatusuhde: 3D-tulosteen valmistuskustannus esimerkiksi operointikustannukseen verrattuna on pieni ja valmistetut kappaleet laadukkaita. Lisäksi 3D-tulostus saattaa olla ainoa mahdollinen tapa valmistaa kappale.
  • nopeus: 3D-tulostetut kappaleet ovat nopeasti saatavilla
Kuva 1. Esimerkkejä 3D-tulostetuista kappaleista. Valmistajat/Laitteistot vasemmalta oikealle: HP Multi Jet Fusion 580, Mimaki 3DUJ-553, LulzBot/Polymaker, Lähde: Formnext 2018

Kyseessä on yksi 3D-tulostuksen vanhimmista käyttökohteista joten sen käytön luulisi olevan maailmanlaajuista. Käyttö onkin melko yleistä, mutta ei kuitenkaan vielä arkipäivää – varsinkaan Suomessa. Esimerkkejä käyttökohteista löytyy kuitenkin maailmalta jo runsaasti, ja esimerkiksi Materialise –yrityksen kartoituksen mukaan Yhdysvaltojen TOP-20 sairaalasta kuudellatoista on käytössä 3D-tulostusstrategia (ja osana sitä käytössä Materialisen Mimics –ohjelmisto).

Savonian LIVA –hankkeessa (Lisäävä Valmistus Pohjois-Savossa, 1.9.2016 – 31.12.2018) tutkittiin 3D-tulostuksen hyödyntämistä lääketieteellisten mallien valmistuksessa. Tutkimus toteutettiin yhteistyössä Kuopion Yliopistollisen Sairaalan Itä-Suomen Mikrokirurgiakeskuksen kanssa ja erityisenä kiinnostuksen kohteena oli multimateriaalitulostuksen hyödyntäminen eri käyttökohteissa.

Multimateriaalitulostuksella tarkoitetaan usean eri materiaalin käyttämistä tulostusprosessin aikana kappaleen valmistamiseen. Valmistetun kappaleen materiaaliominaisuudet voivat siis vaihdella eri kohdissa. Jotkin 3D-tulostusteknologiat toteuttavat multimateriaalitulostuksen sekoittamalla tulostusmateriaalin useista eri raaka-aineista, toisissa teknologioissa puolestaan ohjataan tulostusprosessia käyttämään raaka-ainetta eri lähteistä.

Tyypillisimpiä multimateriaalitulostuksen käyttökohteita ovat erilaiset kovuuden ja värien muutokset, mutta kyseessä voi olla myös huomattavasti monipuolisemmat muutokset esimerkiksi materiaalin sähkönjohtavuudessa. Teollisella puolella tällä hetkellä laitevalmistajien kärjessä ovat Stratasys (Polyjet) ja 3Dsystems (Projet), joiden järjestelmät perustuvat materiaalin ruiskutukseen.

Kuva 2. Multimateriaalitulosteita: Stratasys J750, Stratasys J750 (vokselitason tulostuksella, Fraunhoferin Cuttlefish -sovelluksella), Keyence, Lähde: Formnext 2018

Tutkimuksen kohteena oli aivovaltimopullistuman (aneurysma) mallitulosteen valmistaminen. Valmista tulostetta olisi tarkoitus käyttää opetuskäytössä operaation harjoittelussa ja lisäinformaation tuottamisessa neurokirurgeille.

Anatomisesti korrektin mallin 3D-tulostaminen perustuu luonnollisesti potilaan mittadatan käyttämiseen mallin luomisessa. Terveydenhuollossa yleisesti käytettyjä kuvantamismenetelmiä kuten tietokonetomografia (CT) ja magneettikuvaus (MRI) on mahdollista käyttää 3D-tulostuksen lähtötietona. Terveydenhuollon kuvantamismenetelmien käyttämä tiedostoformaatti on yleensä DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine), joka on käytännössä suuri määrä ”kuvasiivuja”.

Ennen varsinaista tulostusprosessia lähtötieto täytyy muuttaa DICOM –muodosta mallinnusohjelmien yleisemmin tunnistamaan formaattiin. Toistaiseksi yleisin 3D-mallien tiedostoformaatti 3D-tulostuksen yhteydessä on pintamalli (STL).

DICOM –kuvan muuttaminen tulostuskelpoiseksi pintamalliksi ei ole vielä toistaiseksi automaattinen ”klik-klik” –toiminto vaan prosessissa on jonkin verran käsityötä mukana. Markkinoilla on kokonaisvaltaisia, kaupallisesti myynnissä olevia ohjelmistopaketteja kuten Materialise Mimics, mutta myös runsaasti vapaasti jaossa olevia ilmaisohjelmia kuten Invesalius ja 3D-Slicer. Yleistäen niiden välinen ero on käytettävyydessä – kaupallisissa ohjelmissa käytettävyyteen on kiinnitetty selvästi enemmän huomiota.

Käytännössä toimintaperiaate ohjelmilla on sama. Niillä saa eroteltua DICOM –kuvista eri tyyppiset massat (esim. luu, verisuonisto) enemmän tai vähemmän helposti, riippuen mm. DICOM –materiaalin laadusta. Ohjelmissa valitaan värikontrastien avulla haluttu massatyyppi, rajataan tarkastelu tietylle alueelle ja muodostetaan siivuista 3D-malli STL-muotoon. Muodostuvan kuvan tarkkuus riippuu käytetystä kuvaustarkkuudesta ja valintaan käytetyistä parametreistä. Kuvan hyödyntämisessä tulee huomioda se, mitä kuvattava massa itseasiassa on. Esimerkiksi aivoverisuonien osalta varjoainekuvassa näkyvä verisuonisto on itseasiassa verisuonen sisällä oleva veri. Mikäli kiinnostuksen kohteena on varsinaiset verisuonet, on niiden seinämät luotava ”verimallin” ympärille jälkikäteen.

Kuva 3. Varjoainekuva Invesaliuksessa, oikealla pintamalliksi muutettu verisuonisto Rhinoceros –ohjelmassa, jossa siitä rajattiin tulostettava alue lopullisen mallitiedoston luomista varten ja luotiin veren ympärille verisuonten seinämät.

Kun DICOM –kääntäjällä on luotu pintamalli, siirretään se soveltuvaan 3D-mallinnusohjelmistoon. Tekniikan alalla käytössä olevat suunnitteluohjelmat eivät yleisesti ottaen sovellu vapaamuotoisten, monimutkaisten pintamallien käsittelyyn. Pintamallien käsittelyyn soveltuvia mallinnusohjelmia ovat esimerkiksi vapaasti saatavilla oleva meshmixer (http://www.meshmixer.com/), edullisen hintainen Rhinoceros (https://www.rhino3d.com/), teknisempi ja kalliimpi Ansys Spaceclaim (https://www.ansys.com/products/3d-design/ansys-spaceclaim) tai Autodesk Netfabb (https://www.autodesk.com/products/netfabb/overview).

Mallinnusohjelmassa ensimmäinen tehtävä on mallin korjaus. STL-muotoisten pintamallien yleisin ongelma on se, että malliformaatti on aika herkkä ”hajoamaan”. Kun formaattiin tallennetaan dataa, tulee joukkoon usein runsaasti virheitä. STL-formaatissa pinta muodostuu eri kokoisista kolmioista, joten tallennusvaiheessa monimutkaisen tai kaarevan pinnan tallennus kolmioiksi voi tapahtua virheellisesti siten, että esimerkiksi kolmioiden pinta-alat menevät sisäkkäin tai päällekkäin. Mitä monimutkaisemmasta geometriasta on kyse, sitä todennäköisemmin virheitä esiintyy. Yleisimpiä virheitä ovat sisäkkäin menevät pinnat.

Kuva 4. Mallitiedosto siirrettynä meshmixer –ohjelmaan. Keskimmäisessä kuvassa näkyy pintamallin kolmioverkko, oikeanpuolimmaisessa kuvassa havaitut virheet.

Suurikokoisen, ”rikkinäisen” mallin avaaminen 3D-mallinnusohjelmalla voi helposti aiheuttaa ohjelmaan virhetilan, jonka seurauksena ohjelma kaatuu. Useimmissa ohjelmissa on automaattisia korjaustoimintoja, joiden avulla pystyy korjaamaan suurimman osan virheistä. Korjaustoiminnon käyttäminen on usein hidasta, mutta huomattavasti nopeampaa kuin virheiden korjaaminen käsin. Kaikkia virheitä ohjelma ei kuitenkaan osaa korjata automaattisesti, joten varsinkin monimutkaisisten mallien korjauksessa käsityötä jää vielä runsaasti.

Virheiden korjausten jälkeen vuorossa on mallin muokkaus. Esimerkiksi verisuonten tapauksessa verimallin ympärille luotiin verisuonten seinämät. Verisuonten seinämien paksuus vaihtelee välillä 0.25 – 0.5 mm joten kyseessä on työläs ja tarkkuutta vaativa työvaihe.

Verisuonten mallinnuksen osalta tutkimuksessa päädyttiin käyttämään kolmea eri ohjelmaa:

  1. Invesalius, jolla irroitettiin verisuonisto muusta sälästä ja tallennettiin STL-pintamalliksi.
  2. Rhinceros, jolla siivottiin mallia ja kasvatettiin verisuonille seinämä.
  3. Netfabb, jolla korjattiin mallin pinta ehjäksi ja virheettömäksi tulostusta varten.

3D-mallitiedoston valmistamisen jälkeen vuorossa oli varsinainen mallin valmistaminen 3D-tulostamalla. Ensimmäisenä oli tarkoitus kerätä tietoa multimateriaalitulosteiden ominaisuuksista, joten tehtiin testisarjoja eri kovuusasteilla. Tarkoituksena oli myös hankkia kokemusta Stratasysin uusimmasta laitteistosta, J750 –nimellä kulkevasta 3D-tulostimesta jossa lopputuotteen materiaali voidaan määritellä jopa kuutta eri materiaalia sekoittamalla.

Lähin Stratasys J750 laite löytyi tutkimuksen aikaan tanskalaiselta tulostuspalveluja tarjoavalta yritykseltä. Yrityksellä on ollut asiakkaina useita terveysalan toimijoita, mutta verisuoniin liittyen tulostus oli ensimmäinen. Ensimmäisessä kokeilussa valmistettiin 9 kpl sylinterimäisiä testikappaleita suurin piirtein verisuonten paksuuksilla sopivan kovuusasteen löytämiseksi. Testikappaleiden lisäksi tulostettiin myös ensimmäinen verisuonen mallikappale, joka valmistettiin laatikon sisään. Ajatuksena oli säilyttää laatikon avulla geometria oikeassa orientaatiossa, ja testausvaiheessa leikellä laatikosta verisuoni näkyville tarvittavilta osilta. Laatikko osoittautui kuitenkin liian sitkeäksi rakenteeksi, vaikka kovuudeksi määritettiin pehmein materiaali joka Stratasysin laitteella oli mahdollista (shore A27).

Kuva 5. Sopivan käsituntuman löytämiseksi valmistettiin eri kovuusasteilla (Shore A30 – Shore A60) lyhyitä testikappaleita, joita Mikrokirurgiakeskuksen neurokirurgit kokeilivat. Kuvassa oikealla neurokirurgian ylilääkäri Timo Koivisto (KYS Neurokeskus).

 

Kuva 6. Verisuonimallin ensimmäinen versio valmistettiin läpikuultavan laatikon sisälle, tarkoituksena säilyttää kappaleen geometria oikeassa asennossa testausten ajan. Vasemalla tuloste, oikealla 3D-malli.

Kokemuksista viisastuneena seuraava versio kokeiltiin ilman laatikkoa, ja pelkällä seinämärakenteella. Polyjet –menetelmällä ei voi tulostaa tyhjän päälle, joten verisuoni täytettiin tukimateriaalilla, joka Stratasysin tapauksessa on tärkkelyspohjaista. Tukiaineen poistaminen tapahtuu painepesulla, josta johtuen sen poistaminen ei näin ohuilla seinämillä onnistunut ilman, että kappaleen kestävyyttä riskerattiin. Se jäi siis paikoilleen verisuonen sisälle.

Kun verisuonen rakennetta kokeiltiin tarttujilla, se repesi. Syynä tähän on kova tukirakenne verisuoniston sisällä.

Kuva 7. Versiot 2 (ontto, tukirakenne sisällä) ja 3 (kiinteä, tukirakenteilla)

Kolmannessa versiossa verisuoni tehtiin joustavasta materiaalista täytettynä, ja suoniston kokoa hieman kasvatettiin. Samalla testattiin tolppamaisten tukirakenteiden toiminnallisuutta geometrian muodon säilyttämisessä.

Tulevaisuudessa tavoitteena on valmistaa verisuonet onttoina, ja suunnitelmissa on tutkia myös nestekierron lisäämistä todellisen tuntuman parantamiseksi. Tämä on periaatteessa mahdollista jo nyt, mutta vaatii hienosäätöä 3D-mallin suunnittelussa sillä tukirakenteet pitää suunnitella siten, että ne saadaan jälkikäteen poistettua.

Seuraavassa versiossa tutkitaan muun päärakenteen, ml. pääkallo mukaan ottamista, jotta verisuonten operointia voisi harjoitella oikeassa käyttöympäristössä.

Kuva 8. Potilaan pääkallo. Vasemmalla DICOM, keskellä pintamalli, oikealla jauhepetitekniikalla tulostettu malli

 

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

 

Formnext 2018- messujen tilannekatsaus, osa 2/2

Metallitulostuksen uusi aalto

Yhtenä Formnext –messujen kiinnostavimmista osa-alueista oli viime vuoden tapaan metallin 3D-tulostukseen liittyvät asiat. Metallin 3D-tulostusmarkkinat kasvoivat 2017 80% edelliseen vuoteen verrattuna. Tämän vuoden tilastoa ei luonnollisesti ole vielä saatavilla mutta messujen perusteella kasvuvauhti on edelleen kovaa.

Menossa on metallin 3D-tulostuksen “uusi aalto”, sillä itse valmistusmenetelmähän ei ole uusi asia. Jo 2000 luvun alkupuolella markkinoilla oli tarjolla laitteita useilta eri laitevalmistajilta mutta teollisuuden valmistusmenetelmänä se on kuitenkin yleistynyt ja arkipäiväistynyt vasta viime vuosien aikana. Taustalta löytyy mm. seuraavia syitä:

  • Laitteiden tekniset ominaisuudet ovat parantuneet ja materiaalikustannuksetkin ovat kääntyneet laskuun saatavuuden samanaikaisesti parantuessa.
  • Lopputuotekäyttöön tulevien osien sertifioinnit ja niihin liittyvät prosessit alkavat olla suurilla toimijoilla selvillä. Ilmailu- ja ajoneuvoteollisuuden toimijat sertifioivatkin kiihtyvällä tahdilla 3D-tulostettuja metalliosia yhä laajemmin käyttöön. Takana on nyt useiden vuosien kokemusta menetelmien soveltuvuudesta ja materiaalien käyttäytymisestä eli tehty tutkimus- ja tuotekehitystyö alkaa tuottaa hedelmää.
  • Keskeisiä patentteja on rauennut, mikä mahdollistaa ns. ”perustekniikan” hyödyntämisen entistä suuremmalle joukolle laitevalmistajia. Metallilaitteiden laitevalmistajia kun katsotaan niin markkinoille onkin tullut runsaasti uusia toimijoita aasian markkinoilta – kilpaillen samalla tekniikalla kuin perinteiset suuret länsimaalaiset toimijat. Myös näiden  ”halvempien” laitteiden laitevalmistajat tarjoavat entistä suurempia, perinteiseen jauhepetitekniikkaan perustuvia laitteita. Hinnat tosin ovat nousseet osittain jo hyvinkin lähelle länsimaisia toimijoita.
  • Uudet teknologiat: Metallin 3D-tulostusteknologiat ovat pitkään perustuneet pääosin joko jauhepetitekniikkaan tai suorakerrostukseen. Markkinoilla on nyt tullut (ja edelleen tulossa) ”uusia” teknologioita, jotka tosin useimmiten perustuvat vanhojen teknologioiden parantamiseen ja niiden yhdistelyyn. Näitä ovat esimerkiksi pursotus+sintraus –kombinaatioon perustuvat laitteet Markforgedilta ja Desktop Metallilta sekä HP:n & Stratasysin kehittämät järjestelmät joiden ennakoidaan tulevan myyntiin muutaman vuoden kuluessa.
  • Kappaleiden suunnitteluun käytettävät ohjelmistot ovat parantuneet ja niihin on alkanut ilmaantua ominaisuuksia, jotka helpottavat kappaleiden suunnittelua myös lisäävää valmistusta silmällä pitäen. Esimerkiksi topologian optimointiominaisuuksia on tarjolla useissa suunnitteluohjelmistoissa mahdollistaen paremmin 3D-tulostukseen soveltuvien kappaleiden tekemisen entistä helpommin.
Kuva 1.Esimerkkejä metallin jauhepetitekniikalla valmistettavista piensarjoista. Vasemmalla Bugatti Chiron cam cover (AlSi10Mg, 8 kpl/ajo, kerroskorkeus 60 µm, tulostusaika 4d 7h 42 min), Betatypen auton ajovalojen jäähdytysripoja (Alumiini, 384 kpl/ajo, kerroskorkeus 60 µm, tulostusaika 18 tuntia) ja oikealla Bionic productionin injektoreita (Inconel 718, 70 kpl/ajo, kerroskorkeus 45 µm, tulostusaika 22h 29 min)

Pursotukseen ja sintraukseen perustuvat menetelemät

Yksi tämän hetken hypetyksen kohteista on pursotukseen ja sintraukseen perustuvien 3D-tulostusmenetelmien saapuminen markkinoille. Niiden on mainostettu olevan edullisempia ja yksinkertaisempia kuin jauhepetitekniikkaan perustuvat laitteet, jotka ovat teknisesti kalliita ratkaisuja niin laitteistojen kuin materiaalienkin osalta. On kuitenkin hyvä pitää mielessä että  valmistusmenetelmät poikkeavat olennaisesti toisistaan joten ne eivät varsinaisesti kilpaile keskenään samoista käyttökohteista. Hieman yleistäen voidaan todeta että pursotusmenetelmä on edullisempi, mutta tulostusjäljeltään karkeampi. Jauhepetimenetelmä on puolestaan kalliimpi, mutta mahdollistaa tarkkojen ja vaativien kappaleiden valmistuksen.

Pursotus+sintraus –menetelmään perustuvien laitteiden ajatuksena on käyttää yleisemmin saatavilla olevaa MIM (Metal Injection Molding) –materiaalia ja sekoittaa se sideaineeseen. Tämä mahdollistaa pursotusmenetelmän käyttämisen kappaleen muodon luomisessa. Yksinkertaisesta toimintaperiaatteesta johtuen laitteiden valmistuskustannukset ovat jauhepetitekniikkaan verrattuna halvempia. Teknisesti prosessi menee seuraavasti:

  • 3D-tulostus (3D-printing): Valmistetaan pursotusmenetelmällä kappaleen muoto tukirakenteineen.
  • Sideaineen poisto (Debinding): Pesuvaiheessa 3D-tulosteesta pestään suurin osa sidosaine pois ennen sintrausta.
  • Sintraus (Sintering): Kappale sintrataan uunissa lopulliseen olomuotoonsa. Lopputuloksena on tiivis (96-99%) metalliosa.

Sintrauksen aikana kappale kutistuu noin 20% joka voi aiheuttaa tietyillä geometriamuodoilla haasteita, vaikka kutistuma otetaankin automaattisesti huomioon tulostusohjelmassa.

Tukirakenteita tarvitaan paitsi pursotusmenetelmän takia, myös myöhemman vaiheen tiivistymisen vuoksi muodon säilyttämiseen. Tukirakenne pitää huolen siitä, että kappale kutistuu oikeassa suhteessa koko geometrian osalta. Nerokkaana yksityiskohtana sekä Markforged että Desktop Metalin laitteissa tukirakenteen ja kappaleen väliin tulostetaan keraamista irroituskerros, joka mahdollistaa tukirakenteen helpon irroittamisen. Sintrauksen jälkeen tiiviistä osasta voidaan napsutella tukirakenteet keraamisen irroituskerroksen ansiosta helposti pois joka nopeuttaa jälkikäsittelyvaihetta huomattavasti.

Periaatteessa samaan toimintaperiaatteeseen perustuvia ratkaisuja tarjoavat useammatkin valmistajat. Muitakin toteutuksia ja laitevalmistajia on olemassa, mutta Markforged ja Desktop Metal ovat kaupallistamisessa pisimmällä tarjoten toimivaa pakettia tutkimus-ja tuotantokäyttöön. Markforged ilmoitti toimittaneensa asiakkaille jo 100 järjestelmää, ja että vuoden 2018 loppuun mennessä on toimitettu 200 kpl. Desktop metal puolestaan kertoi että toimitukset alkavat vuoden 2019 aikana.

Kuva 2. Vasemmalta oikealle: Markforged Metal X, Metal X –laitteen sintrausuuni, Desktop Metal Studio 3D-tulostin, DM Studion pesuri
Kuva 3. Vasemmalla Markforged Metal X -laitteella tulostettu levymäinen kappale kierteineen, oikealla Desktop Metal:in esimerkki. Myös pursotusmenetelmä mahdollistaa pienet piirteet, vaikka tarkkuus ei jauhepetitekniikan tasolle ylläkään.

Muita uutuuksia

HP on yksi viime vuosien seuratuimpia 3D-tulostinlaitteiden valmistajia niin muovin kuin metallin 3D-tulostukseen liittyen. Yritys toi muutama vuosi sitten markkinoille MultiJet Fusion –tekniikkaan perustuvat laitteet muovin 3D-tulostukseen ja seuraavaksi on vuorossa metallitulostinten vuoro. Metallilaitteet kulkevat nimellä Metal Jet,  ja niitä toimitetaan ensimmäisille asiakkaille 2020.  Tulevia käyttökohteita on julkisuudessa esitelty useammankin valmistajan toimesta ja Formnext –messuilla oli ensi kertaa esillä myös itse laite.

HP on markkinoinut laitteitaan nimenomaan sarjatuotantoon soveltuviksi ja ensimmäisten asiakkaiden joukosta löytyykin sellaisia yrityksiä kuin Volkswagen, joka on ilmoittanut valmistavansa jatkossa satojatuhansia osia metallin 3D-tulostuslaitteita. Metallin 3D-tulostuksessa ei siis ole enää prototyyppit ja piensarjat, vaan painotus on uusien teknisten ratkaisujen myötä siirtymässä entistä vahvemmin myös sarjatuotannon puolelle.

Kuva 4. Vasemmalla HP Metal Jet, Keskellä VW –konsernin vaihdekepin nuppi, oikealla esimerkki potentiaalisista tuotanto-osista.

Stratasys on yksi maailman suurimpia ja vanhimpia yrityksiä 3D-tulostuksen saralla, onhan yrityksen perustaja pursotusmenetelmän kehittänyt ja patentoinut Scott Crump. Stratasys on ollut pitkään markkinajohtaja pursottavaan tekniikkaan perustuvan teollisen valmistuksen puolella, tarjoten laitteita ja tulostuspalvelua varsinkin erityismateriaaleille kuten ULTEM ja PEEK.

Nyt yritys on tuomalla ratkaisuja myös metallipuolelle. Stratasys kutsuu menetelmää nimellä LPM (Layered Powder Metallurgy), ja se tulee myyntiin muutaman vuoden kuluttua. Itse laitetta ei vielä ollut näkyvillä, mutta muiden valmistajien tapaan esillä oli menetelmällä tehtyjä esimerkkikappaleita. Menetelmä poikkeaa muutamilta osin perinteisestä sidosaineruiskutusmenetelmästä – tarkempi kuvaus laitteen toiminnasta löytyy oheisen linkin takaa: https://www.youtube.com/watch?v=tqU0U6-sAM4

Kuva 5. Stratasys:in esimerkkikkappale LPM-metallitulosteesta ja menetelmän eduista verrattuna jauhepetitekniikkaan

3DSystems on maailman vanhin 3D-tulostusalan yritys (perustettu 1986) joka kehitti ja toi myyntiin ensimmäisen 3D-tulostimen, SLA-tekniikkaan perustuvan “SLA-1” -laitteen vuonna 1987. Yritys keskittyi pitkään muovitulostukseen kunnes vuonna 2013 osti metallin 3D-tulostukseen erikoistuneen Layerwisen ja lähti mukaan metallitulostinten kehitykseen. 3DSystems käyttää metallin tulostustekniikastaan termiä “Direct Metal Printing”. Viime vuosina yritys on panostanut entistä enemmän myös ohjelmistopuoleen ja tarjoaa tällä hetkellä monipuolista 3DExpert –ohjelmistoa, jolla tulostusprosessia voidaan hallita alusta loppuun saakka. Lisäksi siinä on laajat ja monipuoliset ominaisuudet geometrioiden muokkaamiseen. Ohjelma vaikuttaisikin olevan varteenotettava vaihtoehto Materialisen Magics –ohjelmistopaketille.

Kuva 6 .3Dsystemsin 3DExpert –ohjelman hienoja puolia on mm. helppo tapa mallintaa monipuolisesti erilaisia pinta- ja lattice-rakenteita.

Yritys järjesti Formnextin yhteydessä muutaman tunnin seminaaritilaisuuden, jossa kerrottiin tulevista muutoksista laitekantaan. Jatkossa 3D-systems tarjoaa teolliseen tuotantoon kahta eri kokoluokan laitetta: DMP Factory 350 ja DMP Factory 500 joissa on mm. automatisoitu jauheenhallintajärjestelmä.

DMP 350 koneesta on tarjolla myös ”Flex” –versio, joka nimensä mukaisesti soveltuu joustavammin tutkimus- ja tuotekehityskäyttöön. DMP –laitteissa tulostusalue on toteutettu irroitettavan kelkan avulla joka mahdollistaa nopeamman materiaalivaihdon.

SLM päivittää 280 konesarjansa jo kolmanteen sukupolveen vuoden 2019 aikana. Kakkosversiossa parannettiin mm. tulostuskammion kaasuvirtausta, ja kolmosversion suurimpiin parannuksiin kuuluu kestosuodatin, joka nopeuttaa ja helpottaa suodattimen vaihtoprosessia. Uutuutena oli myös koneeseen liitettävä automaattinen materiaalinkäsittelyasema joka nopeuttaa tulostuksen aloitusta huomattavasti.

Kuten kilpailijoidenkin vastaavissa järjestelmissä, automaattinen materiaalinkäsittely käytännössä kuitenkin pakottaa yhden valitun materiaalin käyttöön. Vaikka koneeseen tarvittaessa pystyykin vaihtamaan toisen materiaalin, on materiaalinvaihto huomattavasti hitaampaa ja työläämpää kuin ilman materiaalinkäsittelyasemaa.

SLM:n osastolla oli esillä Divergent Blade –urheiluauton korirakenne, joka on 3D-tulostettu alumiinista ja titaanista. Runkorakenne painaa vain 46 kg, kun valmiin auton kokonaismassa on 630 kg. Yksipaikkaisessa autossa on 760 hevosvoimaa ja se kiihtyy 0-100 km 2,2 sekunnissa eli todennäköisesti kohderyhmänä ei tälläkään autolla ole lapsiperheet.

Kuva 7. Divergent Blade ja 3D-tulostettu korirakenne.

Trumpf esitteli messuilla laajan laitevalikoiman lisäksi uutta vihreään laseriin perustuvaa järjestelmää, joka mahdollistaa mm. kuparin ja kullan 3D-tulostuksen. Kupari on materiaalina haastava tulostettava heijastavasta pinnanlaadusta johtuen mutta Trumpfin ratkaisi ongelman käyttämällä vihreän laserin aallonpituutta. Yritys oli myös päivittänyt suurinta teollisen mittakaavan jauhepetilaitteistoaan (TruPrint 5000) mm. lämmitettävällä (500 °C) tulostusalustalla.

Renishawin osastolla oli esillä RenAM 500Q, yrityksen uusin teolliseen käyttöön tarkoitettu 3D-tulostusjärjestelmä joka on varustettu neljällä 500W laserilla ja melt pool monitoring –järjestelmällä.

Additive industries esitteli Metalfab1 -järjestelmäänsä uuden jälkikäsittelymoduulin, joka hoitaa samassa työvaiheessa jauheenpoiston, kappaleiden sahauksen ja tulostusalustan suoristuksen koneistamalla. Yrityksen tulostusjärjestelmän voi tällä hetkellä muodostaa seuraavista moduuleista: 3D-tulostusmoduuli 1-4 laserilla varustettuna (max. 4 kpl järjestelmässä), lämpökäsittelymoduuli, edellä mainittu uusi jälkikäsittelymoduuli, varastointimoduuli (max. 12 kpl varastossa) ja purkumoduuli.

Kuva 8. Additive Industries –järjestelmällä alkaa olla jo pituutta. Oikealla EOS:in osastolla esillä ollut Siemensin uusi 3D-tulostamalla valmistettava SGT-800 polttimen kärki, materiaalina EOS NickelAlloy HX. Valmistaminen 3D-tulostamalla on mahdollistanut paremman geometrian (13 osaa -> 1 osa, kevyempi rakenne, parempi jäähdytys) sekä merkittävän toimitusajan nopeutumisen (26 viikkoa -> 3 viikkoa).

 

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu