Pienet jauhepetitulostuslaitteet – Sinterit Lisa Pro käyttöönotto

Savonialla meneillään olevassa investointihankkeessa Savilahden uudelle kampukselle valmistuu yksi suomen monipuolisimmista 3D-tulostuksen toimintaympäristöistä. 3D-tulostuksen investointi & kehityshankeparissa hankitaan useisiin eri menetelmiin perustuvia 3D-tulostuslaitteita. Yhtenä hankittavana laitteena on jauhepetitekniikkaan (Powder Bed Fusion) perustuva muovitulostin. Yleisin jauhepetitekniikkaan perustuva 3D-tulostusmenetelmä muovipuolella on lasersintraus (SLS, Selective Laser Sintering), jossa nimensä mukaisesti jauhekerros sulatetaan laserilla.

Savonialla on pitkät perinteet SLS-laitteiden käytöstä, sillä muotoiluyksikön käytössä on ollut teollisen tason EOS P350 3D-tulostuslaite jo vuodesta 2000. Laitteiston käytöstä luovutaan vihdoin tämän kesän aikana, sillä laitteen käyttöikä alkaa olla lopussaan. Sinänsä laitteen käyttämä materiaali sekä toimintaperiaate ovat vieläkin vastaavissa laitteissa sama. Suurimmat erot uusiin laitteisiin verrattuna tulee nopeudesta ja tarkkuudesta, sekä pitkän käyttöiän myötä luonnollisesti toimintavarmuudesta.

Teollisen tason jauhepetikoneet pysyivät patenteista johtuen pitkään muutaman markkinajohtajan tarjonnassa. Viimeisen kymmenen vuoden aikana monen muun 3D-tulostustekniikan tapaan myös jauhepetitekniikassa on vapautunut keskeisiä patentteja. Tämän myötä tarjonta on laajentunut huomattavasti ja markkinoilla on tullut myös hankintahinnaltaan edullisempia ja kooltaan pienempiä “pöytätason” jauhepetikoneita.

Näillä pienemmän kokoluokan laitteilla on mahdollista tuottaa lähes saman tasoisia kappaleita kuin teollisen mittakaavan laitteillakin. On kuitenkin hyvä pitää mielessä, että teollisuustason laitteiden korkeammalla hintatasolla on hyvät syynsä. Pienten laitteiden nopeus, tulostustilavuus ja toistotarkkuus on teollisen tason laitteita heikompi. Lisäksi teollisen tason laitteiden valmistajat tarjoavat koneiden käyttäjille varmuuden siitä, että koneet toimivat ja käyttämällä laitevalmistajan materiaalia myös valmistettujen kappaleiden laatu on varmasti sitä mitä halutaan.

Savonialla päädyttiin pienemmän kokoluokan SLS-laitteen hankintaan, sillä tavoitteena ei ole teollinen tuotanto. Markkinoilla on tarjolla tai tulossa tarjolle tällä hetkellä käytännössä kolmen valmistajan laitteita. Yksi lupaavimmista, Formlabs Fuse, on valitettavasti venyttänyt markkinoille tulemista useita vuosia eikä vieläkään ole varmaa tietoa, milloin se myyntiin tulee. Mikäli tämäntyyppistä laitetta haluaa tällä hetkellä Euroopassa ostaa, on valinta käytännössä kahden valmistajan väliltä – Sinterit tai Sintratec. Aasiassa on omat markkinansa ja laitteistonsa, joita ei tässä huomioida. Kummallakin tarjoajalla on muutamia eri versioita laitteistaan – suurin ero niiden välillä on yleisesti ottaen tulostusalueen koossa. Savonia päätyi hankinnassa Sinterit Lisa Pro –tulostimeen. Maahantuojana on helsinkiläinen Maker3D, joka edustaa suomessa myös sekä Formlabs, että Ultimaker –laitteita.

Kuva 1. Vasemalla Sinterit Lisa Pro, keskellä seula, oikealla tulostusmateriaaleja. Käytetty materiaali säilötään teräspöntöissä.

Hankintakriteereinä oli hinnan lisäksi useamman eri materiaalin tulostusmahdollisuus, kiinnostuksena “perus PA12” -materiaalin lisäksi erityisesti joustavat materiaalit. Sinterit Lisa Pro laitteella voi tulostaa PA12 lisäksi PA11-, TPU- ja TPE -materiaaleja. TPU:sta on useampia eri versioita (musta, harmaa, valkoinen, pehmeä).

Pienenä yllätyksenä voi tulla se, että muiden kuin perusmateriaalin tulostaminen vaatii erillisen “Sinterit Advanced” -ohjelmistolisenssin hankinnan. Hintaa lisenssillä on noin 1200 €.

Tulostusalueen koko vaihtelee tulostusmateriaaleittain, johtuen tulostusprosessissa syntyvästä lämpökuormasta. Perusmateriaalina käytettävä Polyamidi PA12 (eli kansanomaisemmin nylon), vaatii sulamiseen enemmän lämpöä kuin TPU, joten käytettävissä oleva tulostusalue on pienempi. Käyttämättömäksi jäävän alueen jauhe auttaa lämmön tasaisemmassa jäähtymisessä.

Sinteritin LISA -laitteesta on saatu edullinen paitsi pienemmän tulostusalueen, myös yksinkertaistetun toimintaperiaatteen avulla. Normaalisti SLS-tekniikkaan perustuvissa laitteissa laser kohdistetaan peilimekanismin avulla haluttuun kohtaan tulostuspetiä. LISAssa laseria kuljetetaan X ja Y -akseleita pitkin haluttuun kohtaan. Jauheen levitys on puolestaan toteutettu varmasti edullisella, mutta insinöörin silmin omituisella naruvirityksellä. Narun käytöstä johtuen levittäjän liikkuminen jauhepedillä ei ole aivan tasaista, vaan jauhepedin pinnassa on mahdollista havaita pieniä aaltoja. (Naru on muuten kulutusosa, joka pitää aika ajoin vaihtaa. Materiaalikustannuksiin verrattuna muutaman euron kulutusosalla ei kuitenkaan ole juurikaan merkitystä.)

LISAssa on ominaisuutena se, että materiaalisäiliöön syötetään ennen tulostusta tarvittava määrä materiaalia eli laitteessa on kerrallaan sisällä materiaalia vain tulostusajoon tarvittava määrä. Hyvänä puolena tässä on se, että jauhe ei pääse seisomaan pitkiä aikoja ennen tulostusta, ja huonona se, että materiaalin syöttö tulostuksen aluksi on toteutettu aika kömpelöllä tavalla. 

Kuva 2. Vasemmalla materiaalisäiliön täyttö jauheella, keskellä jauheen tiivistys/tamppaus, oikealla kone on levittänyt materiaalivarastosta pohjakerroksen oikealle tulostusalustan päälle.

Ohjelma laskee tarvittavan määrän materiaalia ja laskee materiaalivaraston pohjaa vastaavan määrän alaspäin. Tämän jälkeen käyttäjä lapioi tai kauhoo materiaalijauhetta varastopuolelle sopivan määrän, muistaen aina välissä ja myös lopuksi tampata materiaalin tasaiseksi mukana tulevalla työkalulla. Koska kyseessä on jauhe, pölyää se helposti, joten kovin ripeästi jauhetta ei syöttöpuolelle voi kauhoa. Tämä sen takia, että laitteessa ei ole edes minkäänlaista ohjainta materiaalin syöttämiseen, joten se leviää helposti koko kammion alueelle, josta se sitten pitää putsata pois. Tulostamisen jälkeen laite kertoo paljonko jauheen sekaan pitää lisätä tuoretta jauhetta.

Heti ensimmäisten käyttökertojen jälkeen “to-do” listallemme tulikin soveltuvan tratin/ohjaimen suunnittelu ja valmistus. Kyseessä ei ole kovin monimutkainen kappale ja onkin aika hämmentävää, että sellaista ei koneen mukana tullut.

Laite on todella yksinkertainen paitsi toiminnaltaan, myös käytöltään. Tätä kirjoitusta kirjoittaessa olemme ajaneet laitteella vasta muutamia ajoja, mutta jo tämän vähäisenkin kokemuksen perusteella näyttää siltä, että Sinterit LISA soveltuu hyvin ammattikorkeakoulun opetuskäyttöön. Kosketusnäytön ohjeita seuraamalla saadaan tulostus helposti käyntiin ja samalla ohjelma muistuttaa tekemään ne muutamat aloitustoimenpiteet, jotka on syytä tehdä joka kerta.

Kuva 3. Näyttö ohjeistaa askel askeleelta laitteen käytössä. Tulostusajon käynnistämisen jälkeen näytöstä näkee jäljellä olevan ajan.

On hyvä huomioida, että jauhepetitekniikan yleiset lainalaisuudet koskevat tätäkin tulostinlaitetta. Mikäli tulostuksessa on ohuita ja/tai pinta-alaltaan suuria kappaleita, on kakun hyvä antaa rauhassa jäähtyä osien vääntymisen välttämiseksi. Pienillä osilla tämä ei tule niin selvästi ongelmaksi.

Kuten edellä mainittiin, niin laitteisto on hankintahinnaltaan edullinen. Maker3D myy laitetta nettikaupassaan hintaan 12000 € (+ alv), mutta lisäksi laitteen käyttö vaatii seulan (1290€ + alv) sekä lasikuulapuhalluskaapin. Edullisen laitteistohinnan kääntöpuolena on yleensä halvat komponentit. Tämän laitteen osalta saamme komponenttien vikaantumisherkkyyden selville vasta ajan kuluessa mutta maahantuojan mukaan mitään erityisen vikaantumisherkkää osaa ei vielä ole tullut vastaan.

Sinterit on lähtenyt materiaalien osalta samalle linjalle kuin teollisten laitteiden valmistajat. Yritys edellyttää, että laitteissa käytetään Sinteritin toimittamia tulostusmateriaaleja laadun varmistamiseksi. Perusmateriaalin hinta on samaa luokkaa kuin teollisuuslaitteiden valmistajilla. Maahantuoja myy perusmateriaali (PA12 smooth) hintaan 60€/kg. Joustavissa (Flexa) materiaaleissa hinta nousee selvästi ja on 150-250 €/kg. Flexa-materiaalit ovat valmistajan mukaan 100% uudelleenkäytettävissä. Laitteiston ehkä negatiivisin puoli on tulostusprosessin hitaus. Käytännössä jokainen ajo kestää vähintään päivän, mikä on sinänsä samaa luokkaa kuin Savonian aiemmalla, teollisen tason EOS P350 laitteella, mutta aikaa verratessa täytyy huomioida se, että Sinteritin tulostuskammion koko on aika pieni. Teollisissa laitteissa tulostuskammio/tulostettu “kakku” saadaan yleensä poistettua tulostimesta ja jäähtymään, joten laitteilla voidaan ajaa uutta ajoa silloin kun edellinen vielä jäähtyy. Sinteritin osalta tämä on periaatteessa mahdollista, mutta kakun poistamiseen ei selvästi ole kiinnitetty huomiota, sillä sen olisi voinut järjestää helpommaksikin.

Kuva 4. Tulostuksen purkamisen jälkeen vuorossa on käytetyn materiaalin seulonta. Seulonnan yhteydessä lisätään tuoretta materiaalia käytetyn joukkoon tulostusominaisuuksien säilyttämiseksi.

Tulostuksen valmistelutyövaiheet, jotka tulee tehdä aina ennen tulostusta ovat seuraavat:

  1. Mallien nestaus ja siivutus (Sinterit Studio)
  2. Mallin avaus usb-tikulta (start print)
  3. Koneen luukun avaus (kone ei anna avata luukkua, mikäli tulostimen lämpötila on liian korkea)
  4. Jauheen täyttö (lapiointi ja tamppaus), riippuu tulostusajosta
    • Täyttämisen jälkeen tulostin levittää ohuen peruskerroksen jauhetta myös tulostusalustan puolelle
    • Samalla pitää huolehtia siitä, että materiaalisäiliön taso ei laske liikaa, eli lisätä hieman myös sille puolelle
  5. Seuraavaksi vuorossa on puhdistus- ja huoltotoimenpiteet
    • Laserin suojalasin irroitus ja puhdistus lasinpesuaineella
    • Pyrometrin lasin puhdistus salisyylialkoholilla (2%)
    • Johteen puhdistus ja rasvaus silikonipohjaisella voiteluaineella
  6. Kansi suljetaan ja tulostus voidaan käynnistää

Kuva 5. Ensimmäisessä stepissä valitaan tulostuksessa käytettävä materiaali, seuraavassa sijoitellaan kappaleet tulostusalueelle. Vihreä alue tarkoittaa tulostuksen kannalta ok, keltainen potentiaalisesti heikompaa laatua, ja punaiselle alueelle ei saisi sijoittaa kappaleita ollenkaan.
Kuva 6. Kolmas vaihe on siivutus, ja neljäs perinteinen esikatselu.

Tulostimen lisäksi sille hankittiin lisävarusteena liikuteltava tulostusalusta hintaan 290€. Kyseessä on erittäin huteran oloinen kapistus, johon ei kannata rahoja tuhlata. Mukana tulee lyhyet ja pitkät jalat, ajatuksena tarjota käyttäjälle mahdollisuus valita tulostimen käyttökorkeus kahden vaihtoehdon väliltä. Käytännössä vaihtoehtoa ei ole sillä pidemmät jalat ovat täysin käyttökelvottomat – pidemmillä jaloilla se saattaisi kelvata lapselle kiikuksi. Alustan heiveröinen rakenne johtuu huonosta suunnittelusta, sillä jalat keinuvat kiinnityspulttien varassa sen sijaan että olisivat levyjen välillä tasassa. Alustan osalta kyseessä on siis taattua vanhan ajan itä-Euroopan laatua. Itse tulostin on toistaiseksi toiminut lupausten mukaisesti, ja hinta/laatusuhde sen osalta vaikuttaa hyvältä. Laitteiston suhteellisen halpa hankintahinta mahdollistaa sille laajemman käyttäjäkunnan. On kuitenkin hyvä muistaa, että jauhepetitulostimen käyttö vaatii sille soveltuvat tilat. Jauhemaiset materiaalit imevät helposti kosteutta ilmasta aiheuttaen laatu- ja toimintaongelmia laitteessa.

Kuva 7. Kappaleiden purkaminen jauheen seasta hoituu perinteiseen arkeologin tapaan käsin kaivelemalla ja harjaamalla. Viimeinen käsittely on yleensä lasikuulapuhallus tai pesu. Silmämääräisesti katsottuna Sinterit Lisa Pro 3D-tulosteet vaikuttavat laadukkailta.

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

Digital Concrete 2020 ja betonin 3D-tulostus (2/2)

Heinäkuun alussa järjestettiin Digital Concrete 2020 webkonferenssi, joka toimi oivallisena tilannekatsauksena betonin 3D-tulostukseen liittyvässä tutkimuksessa. Seminaarin taustoja ja yleisiä huomioita avattiin aiemmassa blogikirjoituksessa, johon löytyy linkki tästä: https://blogi.savonia.fi/3dtulostus/2020/07/31/digital-concrete-2020-ja-betonin-3d-tulostus/

Tässä blogkirjoituksessa avataan hieman “Science meets industry” –osioiden sisältöä, sillä ne olivat mielestäni konferenssin parasta antia. Esityksissä tutustuttiin betonin 3D-tulostusta käyttävien yritysten toimintaan ja tulostusprojekteihin vuosien varrelta. Yritykset ja esitetyt projektit olivat eurooppalaisia joka tarkoittaa sitä, että kyseisiä yrityksiä ja toteutettuja projekteja koskevat samat eu-tason säännöt kuin suomeakin. On hyvä pitää mielessä että betonin 3D-tulostus on teollisuuden puolella vielä hyvin varhaisessa vaiheessa josta esitykset toimivat hyvänä esimerkkinä – olihan vanhin esitetty projekti niinkin kaukaa historiasta syövereistä kuin vuodelta 2016!

Science meets industry:  De Vergaderfabriek (“the Meeting Factory”)                   

Esitys löytyy päivän 1 youtube -koosteesta loppupuolelta (n. 1h 50min kohdalla)

Ensimmäisessä “Science meets industry” -segmentissä tutustuttiin “maailman ensimmäiseen” 3D-tulostettuun rakennukseen jossa myös kantavat rakenteet on valmistettu tulostamalla. Projekti toteutettiin vuonna 2016 ja sitä esitteli Witteveen en Bos. Yritys on sittemmin toteuttanut useita rakennusprojekteja, joissa on käytetty betonin 3D-tulostusmenetelmiä ja sillä on Singaporessa käytössään etelä-aasien suurin betonin 3D-tulostusrobotti.

“The meeting factory” on kokoushuone, jonka osalta asiakkaat haastoivat teollisuutta käyttämään uutta tekniikkaa ja rakentavan pyöreän kokoushuoneen joka soveltuu ympäristön arkkitehtuuriin. Rakennus sijaitsee lentokentän lähellä, joten arkkitehti suunnitteli kokoushuoneen siten, että ilmasta käsin se muistuttaa lentokoneen suihkumoottorin muodostamaa ilmapyörrettä. Tästä johtuen kaikki kokoushuoneen seinät ovat kaksoiskaarevia. Projektin aikana jouduttiin tekemään muutoksia alkuperäisiin muotoihin, jotta siitä saatiin rakenteellisesti kestävä.

Rakennuksen seinät muodostuvat neljästä kerroksen paksuisesta betonitulosteesta. Näistä kolme kerrosta muodostavat kantavan rakenteen ja neljäs kerros visuaalisen ulkorakenteen. Seinäelementtien sijoittamisen jälkeen niiden pohjalle valettiin noin 30 senttimetriä valubetonia jolla seinät kiinnittyvät pohjaan. Lämmöneristys toteutettiin täyttämällä seinäelementit biopohjaisella eristevaahdolla. Kuva seinäelementin rakenteesta näkyy kuvassa 3 oikealla.

Vuonna 2016 markkinoilla oli vain yksi, CyBen valmistama betonin 3D-tulostuslaitteisto, joka oli liikuteltavan alustan päälle asennettu käsivarsirobotti. Laitteella ei kuitenkaan voinut liikkua ja tulostaa samaan aikaan vaan sen käyttö vaati pysäyttämisen, asemoinnin ja kalibroinnin. Noin kolme metriä leveän yksittäisen seinäelementin tulostus kesti 2 tuntia, mutta tulostuslaitteen liikutus ja asemointi uudelle paikalle kesti 6 tuntia

Rakennus valmistettiin paikan päällä suojateltassa, ja viranomaishyväksyntää varten seinäelementit valmistettiin “design-by-testing” menetelmällä, joka tarkoitti niiden kuormitustestausta 1:1 kokoisina siihen saakka, kunnes rakenne saatiin hajoamaan. Viimeisimmän version kohdalla testausjärjestelmä ei enää kyennyt rasittamaan seinäelementtiä hajoamispisteeseen.

Kyseessä oli ensimmäinen 3D-tulostettu rakennus, joten rakentamisen aikana tuli vastaan lukuisia haasteita. Esimerkiksi tulostusmateriaalin pidempiaikaisesta käyttäytymisestä ei ollut tietoa, mutta näin muutaman vuoden jälkeen siinä on havaittu vain pieniä kutistumia uloimmassa visuaalisessa kerroksessa. Muita haasteita olivat mm.

  • 3D-tulostettu betonielementti ja paikallaan valettu betoni reagoivat hieman keskenään aiheuttaen tummemman kerroksen tulostettuun betoniin.
  • Nopeasti kuivuvan betonin 3D-tulostaminen ulko-olosuhteissa oli haastavaa, vaikkakin tulostus tapahtui suojateltassa. Osa tulostetuista elementeistä halkeili ja jouduttiin tekemään uudelleen.
  • Digitaalinen työnkulku ja sama digitaalinen malli tulisi olla kaikkien osapuolten käytössä: Projektissa suunnittelijat, arkkitehti ja suunnitteluinsinöörit työskentelivät parametrisen mallin kanssa, kun taas elementit valmistanut yritys työskenteli toisen mallin kautta – tämä oli aiheuttanut pieniä muutoksia rakennusvaiheessa suunnittelumalliin verrattuna.
Kuva 1. The meeting factory. Lähde: Digital Concrete 2020. Kuvassa oikealla näkyy läpileikkaus seinäelementistä. Lähde: Digital Concrete 2020

Science meets industry: “Project Milestone”

Project Milestonen esitys löytyy 2.päivän youtube -koosteesta loppupuolelta, mutta siitä löytyy myös erillinen video jonka linkki on seuraava: https://www.youtube.com/watch?v=HhQz83IFgqs

Projektissa rakennetaan yhteensä viisi asuintaloa, joista osassa on useampi kerros. Rakentaminen aloitetaan yksikerroksisesta rakennuksesta, jonka kattorakenne on puuta. Tulostettavassa seinärakenteessa ei käytetä teräsvaijeria betonitulostuksen aikana vaan se on suunniteltu siten että vaijeria ei tarvita. Myöhemmissä rakennuksissa kattorakenteet voivat olla myös vahvistetusta betonista tulostettuja elementtejä.

Betonielementit valmistetaan tehtaalla, ja toimitetaan paikan päälle. Logistiikan osalta kuljetusta pyritään helpottamaan valmistamalla tehtaalla betonilaattoja, jotka ovat osa rakennusten perustuksia. Laattoja käytetään hyväksi kuljetuksessa, eli tulostetut betonielementit kuljetetaan laattojen päällä rakennustyömaalle.

Kuten monissa muissakin betonin 3D-tulostusprojekteissa tällä hetkellä, betonin sideaineena käytetään normaalia portlandsementtiä, sillä se on materiaalina tuttu. Toisaalta sille on tyypillisenä haasteena 3D-tulostuksessa se, että kovettumisaika on noin 90 minuuttia. Elementin korkeuden ja kerrosmäärän kasvaessa alimmat kerrokset eivät ehdi kovettua riittäväksi kantaakseen rakennetta. Toisaalta hitaan kovettumisajan ansiosta betonilla on helpompi saavuttaa monoliittinen rakenne eli kerrosten välinen sidos on rakenteeltaan samanlaista kuin kerroksissakin.

Projekti valmistuu vuonna 2021. Yrityksen edustajan mukaan kyseessä ei ole enää proof-of-concept rakennus vaan tällä hetkellä ollaan teknisissä valmiuksissa tasolla 7 tai 8. Valmistusmenetelmän hyödyntämisessä ollaan kuitenkin vielä alkuvaiheessa, josta johtuen yritys mainitsi muutamia haasteita, joista osa on ilmeisesti ehditty jo ratkaisemaan.

  • Koska kyseessä on pysyvät asuinrakennukset, tulee rakennusluvat luonnollisesti olla kunnossa. Tämä on ratkaistu tiiviin viranomaisyhteistyön ja materiaalitestauksen avulla.
  • Ulkoseinän pinnanlaatu on 3D-tulostuksessa kerroksellista. Tämä ei kuitenkaan ole aina sitä mitä halutaan.
  • Elementtien tulostusajat ovat pitkiä, jopa 16 tuntia per elementti.

Tässäkin esityksessä yrityksen edustajat kertoivat, että haluaisivat vaihtaa portlandsementin ekologisempaan vaihtoehtoon. Toinen aiempia esityksiä myötäilevä asia oli kiinnostus tukirakenteiden automaattiseen lisäämiseen. Yritys haastaakin tutkimuslaitoksia kehittämään menetelmiä, joiden avulla tukirakenteet saadaan sijoitettua tulostuksen aikana automaattisesti.

Rakennusten pitäisi valmistua vielä tämän vuoden aikana. Lisätietoja projektista löytyy mm. osoitteista: https://3dprintedhouse.nl/en/ ja https://www.witteveenbos.com/projects/first-3d-printed-concrete-houses/

Kuva 2. Project Milestonessa valmistaan 5 kpl asuinrakennuksia vuoteen 2021 mennessä. Lähde: Digital Concrete 2020

Science meets industry: Bam & siltarakenteiden 3D-tulostus

Siltoihin ja portaisiin liittyvä “Science meets industry” -esitys löytyy myöskin 2.päivän youtube -koosteesta. BAM on yksi Alankomaiden suurimmista rakennusalan yrityksistä, joka on perehtynyt betonin 3D-tulostukseen jo useamman vuoden ajan.

Esitelty siltaprojekti on noin 8 metriä pitkä jalankulkusilta, joka otettiin käyttöön 2017. Silta tulostetiin Eindhovenin teknillisen yliopiston laitteilla ja tiloissa. Koska kyseessä oli yrityksen ensimmäinen tulostamalla valmistettu betonisilta, projektissa pidettiin taustalla myös valmiutta sijoittaa paikalle normaalitavalla valmistettu silta.

Sillan kantokyky ja kestävyys todistettiin valmistalla silta “design-by-testing” menetelmällä – tarkoittaen kuormitustestausta 1:1 kokoluokassa. Sillassa käytettiin teräsvaijeria vahvikkeena – vaijeri sijoitettiin tulostuksen aikana tulostuspään yhteydessä sijaitsevan lisälaitteen avulla. Lisäksi kokoamisvaiheessa siltaan lisättiin jälkijännitetyt tukiraudat. Kaiken varmistamiseksi yritys teki vielä toisen kantokykytestin sen jälkeen, kun silta oli sijoitettu paikalleen. Valmistamisessa noudatettiin rakentamisen eurocodeja, ja silta täyttää kaikki vaadittavat viranomaismääräykset.

Yritys oppi rakennusprojektista paljon – yksi selkeimmistä betonin 3D-tulostuksen hyödyistä on se, että materiaalia on mahdollista säästää huomattavia määriä, jopa 40% perinteiseen rakentamiseen verrattuna.

Kuva 3. Sillan kantokyky varmistettiin testaamalla rakenne 1:1 mallilla valmistusvaiheessa. Oikealla kuva erillisestä kuormitustestistä, jonka yritys teki sen jälkeen kun silta oli asennettu paikalleen. Lähde: Digital Concrete 2020

Science meets industry: Bruil prefab printing

Bruil on keskikokoinen rakennusalan yritys hollannissa, joka toimii 13 eri paikkakunnalla. Yrityksellä on 4 elementtitehdasta ja 2 kuivabetonitehdasta ja se toimittaa betonilaastia, kuivabetonia ja betonielementtejä rakennusalan tarpeisiin.  

Yritys lähti mukaan “digitaaliseen betoniin” vuonna 2014, kun hollannissa oli lama, joka pakotti perinteisiä betonielementtejä- ja valuja tekevän yrityksen etsimään uusia toimintamalleja. Tästä johtuen yritys lähti vuonna 2015 kehittämään omaa betonin 3D-tulostuksen kokonaisratkaisua joka pitää sisällään ohjelmiston, tulostuslaitteiston ja materiaalin. Ohjelmistoratkaisussa robottien liikeradat/tulostuspolut muodostetaan Rhinon ja Grasshopperin yhdistelmällä. Yrityksellä on menossa useita betonin 3D-tulostusprojekteja, joista tässä esitellään kaksi eniten julkisuutta saanutta.

Bruilin tehtaalla on käytössä tulostuslaitteiston uusin versio, jossa robottina on KUKA K120 R3900 K-ultra KRC4 kontrollerilla ja 34 metrin lineaariradalla. Pitkä rata mahdollistaa kahden erillisen tulostusalueen hyödyntämisen. Tämä on tarpeen, sillä käytetyllä betonilla voi olla pitkäkin kovettumisaika. Tuotantolinjalla onnistuu myös valmistettujen elementtien pinnoitus. Valmistuksen jälkeen tuotantolinjalla 3D-skannataan valmistetut elementit, jotta varmistutaan siitä että ne ovat mittatarkkoja.

Esitys löytyy neljännen päivän Digital Concrete 2020 –videotiivistelmästä, mutta yritys on lisännyt suoran linkin myös youtube kanavalleen osoitteessa: https://www.youtube.com/watch?v=2j2RXRLsL7Y

Waterstoptaxi

Visuaalisesti näyttävä taksipysäkki “Waterstoptaxi” perustuu kuuteen kaksoiskaarevaan erilliseen elementiin, jotka liitetään toisiinsa esijännitettyjen teräskaapelien avulla. Esijännitettyjen kaapelien liittäminen kaareviin elementteihin on luonnollisesti haastavaa. Kaapelit kulkevat elementtien sisällä perustuksista päätyihin, ja ne keskitetään elementtien sisällä metallilevyjen avulla. Jotta bussipysäkki sai viranomaishyväksynnän, täytyi se suunnitella “design-by-testing” periaatteella, eli se rakennettiin täysikokoisena, jonka jälkeen sille tehtiin kuormitustestit heikkojen kohtien löytämiseksi. Testien jälkeen rakenne sai viranomaishyväksynnän, ja lopullinen versio on nyt rakenteilla. Yritys painotti hyvän viranomaisyhteistyön merkitystä, kun otetaan käyttöön uusia valmistusmenetelmiä. Taksipysäkki rakennetaan Rotterdamiin.

Kuva 4. “Waterstoptaxi” on visuaalisesti näyttävä. Keskellä 1:1 kokoisen kuormitustestiin menevän kappaleen valmistus kesken. Lähde: Digital Concrete 2020

“Den Helder”

Yrityksen tämän hetken ykkösprojekti 3D-tulostukseen liittyen on ihan kohtalaisen kokoinen urakka ja yritys kutsuukin sitä yhdeksi maailman suurimmista betonin 3D-tulostusprojekteista. Kyseessä on kahden 1970 luvulla rakennetun asuinkerrostalon julkisivun ja parvekkeiden uudistaminen pohjois-hollannissa. Kerrostalossa on 154 asuntoa ja projektissa käytetään 125 erilaista 3D-tulostettua moduulia, joita on yhteensä 1200 kpl. 3D-tulostetut moduulit eivät ole kantavia rakenteita, vaan vanhan ulkoseinän ja uuden julkisivun väliin rakennettiin erillinen kantava rakenne, johon moduulit kiinnitetään. Tämä mahdollisti mm. yhden asiakkaan vaatimuksista joka oli suurempien parvekkeiden rakentamisen asuntoihin.

Projekti alkoi koko rakennuksen 3D-skannauksella, ja uuden rakenteen suunnittelu pohjautui skannattuun pistepilvimalliin. 3D-tulostuksen käyttäminen mahdollisti projektissa erilaisten moduulien käyttämisen ilman ylimääräistä vaivaa. Eri asuntojen välille tarvittavat muutokset olivat pieniä, mutta ne oli helppo ottaa huomioon suunnittelussa. Projektissa päädyttiin käyttämään 3D-tulostusta sen kustannustehokkuuden ja ympäristöystävällisyyden vuoksi. 3D-tulostusta hyödynnetään yleensä uusien kohteiden valmistuksessa, mutta tämä projekti osoittaa se soveltuu hyvin myös olemassa olevien rakennusten kunnostukseen ja päivittämiseen.

Projektista löytyy yrityksen yhteistyökumppanin sivuilta hieman lisätietoja: https://www.raptech.io/showcase-bruil

Kuva 5. Kuvassa visualisointi valmistuvasta julkisivusta, keskellä valmis elementti, oikealla 3D-tulostettu moduuli. Lähde: Digital Concrete 2020, Bruil

Savonialle hankitaan osana 3D-tulostuksen investointi- ja kehityshanketta betonin 3D-tulostuspää, jonka toimittaa suomalainen Hyperion Robotics (https://www.hyperionrobotics.com/). Toimitusaika on näillä näkymin marraskuun puoleen väliin mennessä. Mikäli aiheeseen liittyvä kehitystyö kiinnostaa, kannattaa olla yhteyksissä!

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

Digital Concrete 2020 ja betonin 3D-tulostus (1/2)

Vuosi 2020 on alkanut koronaviruksen rajoitusten merkeissä ja valtaosa alkuvuoden suuremmista tapahtumista on jouduttu perumaan mm. matkustusrajoitusten vuoksi. Digital Concrete 2020 –konferenssi oli siitä poikkeuksellinen, että kun koronan vuoksi rajat menivät kiinni, päättivät järjestäjät perumisen sijaan muuttaa koko tapahtuman web-konferenssiksi. Tapahtuma oli viralliselta nimeltään “Digital Concrete 2020: 2nd RILEM International Conference on Concrete and Digital Fabrication” ja se oli tarkoitus järjestää Eindhovenin teknillisessä yliopistossa (Eindhoven University of Technology), joka on yksi “digitaaliseen betoniin” liittyvän tutkimuksen edelläkävijöistä.

Konferenssi järjestettiin 6-9.7.2020 ja kyseessä on joka toinen vuosi järjestettävä tapahtuma. Seuraavan kerran tapahtuma järjestetään Englannissa vuonna 2022. Tapahtuman taustalla vaikuttaa kansainvälinen RILEM (“The International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures”) järjestö. Lisätietoja järjestöstä löytää osoitteesta http://www.rilem.net.

Konferenssissa esiteltiin 111 aiheeseen liittyvää, vertaisarvioitua julkaisua ja tapahtumaan siihen osallistui n. 350 osallistujaa ympäri maailmaa, joskin Yhdysvallat ja Eurooppa oli vahvasti edustettuna. Konferenssin julkaisut on koottu kirjaksi ja julkaistu Springerin kautta nimellä “Second RILEM International Conference on Concrete and Digital Fabrication”, kirjan tiedot löytyvät osoitteesta https://doi.org/10.1007/978-3-030-49916-7.

Webkonferenssi järjestettiin Hopin –sivuston kautta (https://hopin.to/). Hopin on virtuaalinen tapahtuma-alusta joka mahdollistaa suurienkin tapahtumien järjestämisen. Koska kyseessä on web-alusta, on nettiyhteyden pätkimätön toimiminen luonnollisesti hyvinkin tärkeää. Tämän varmistamiseksi valtaosa esityksistä oli nauhoitettu etukäteen, ja esitysten jälkeen oli mahdollista keskustella esityksen pitäjän kanssa livenä.

Konferenssin esityksiä pidettiin normaalien suurempien konferenssien tapaan samanaikaisesti eri esiintymistiloissa, jotka oli Hopinissa nimetty päälavaksi (Main Stage) sekä huoneiksi A, B, C ja D. Päivittäiset key-note ja loppupuheenvuorot pidettiin yhteisesti päälavalla, ja muut esitykset neljässä eri aihepiirien mukaan jaotellussa huoneessa. Yleistason otsikot olivat “Structural engineering & reinforcement”, “Rheology & fresh state behaviour”, “Applications & Case studies” ja “Digital design, Technologies & Industrialization” joista näkee suurinpiirtein minkä tyyppisten haasteiden parissa betonin 3D-tulostuksessa tällä hetkellä painitaan.

Keynote- ja kutsupuheenvuoroja lukuunottamatta esitysten pituus oli keskimäärin 15 minuuttia. Tämä tarkoitti sitä, että kysymyksille ei juurikaan jäänyt aikaa, joten päivän ohjelmaan oli lisätty muutaman tunnin välein tauko, jonka aikana esiintyjät liittyivät mukaan erillisiin “break-out” –huoneisiin vastaamaan kysymyksiin. Tämä mahdollisti sen, että esitykset eivät juurikaan venyneet tapahtuman aikataulusta ja oli muutenkin etäyhteyksien luotettavuutta ajatellen oikea ratkaisu siinä mielessä, että esiintyjiä oli kirjaimellisesti ympäri maailmaa. Aivan kaikkiin esiintyjiin ei yhteyttä onnistuttu saamaan.

Konferenssissa oli useita mielenkiintoisia esityksiä betonin 3D-tulostukseen liittyen ja tapahtuman keynote-puheenvuorot olivat erinomaisia. Näiden lisäksi esillä oli konkreettisia esimerkkejä teollisuudesta päivittäisissä “Science meets industry” –osioissa. Niissä betonin 3D-tulostuksen parissa toimivat yritykset esittelivat toimintaansa toteutettujen tai toteutuksessa olevien projektien kautta. Nämä olivat erityisen mielenkiintoisia, sillä yritykset kertoivat myös haasteista ja ongelmista joihin olivat em. caseissa törmänneet ja kertoivat mitkä ovat heidän mielestään ratkaisua vaativia tutkimushaasteita. Ajatuksena oli siis tuoda tutkimuslaitoksille näkyville paitsi onnistuneita esimerkkejä, myös niitä haasteita, joihin yritykset edelleen kaipaavat ratkaisuja. Mielenkiintoisimpien Science meets industry -osioiden sisällöistä löytyy lisää tietoa seuraavasta blogikirjoituksesta, linkki: https://blogi.savonia.fi/3dtulostus/2020/08/04/digital-concrete-2020-ja-betonin-3d-tulostus-2/

Esitysten perusteella betonin “digitalisoituminen” on hyvää vauhtia etenemässä oikeaan suuntaan. Digitaalisella betonilla tarkoitetaan paitsi betonin 3D-tulostusta mutta myös muuta betoniin ja rakennustekniikkaan liittyvää automaation lisääntymistä. 3D-tulostus ei suinkaan ole ainoa uusi valmistusmenetelmä – konferenssissa oli useita esitelmiä sveitsissä kehitetystä “Smart Dynamic Casting” menetelmästä. Vaikka Euroopassakin rakennetaan jo asuinrakennuksia tulostamalla sekä hyödynnetään betonista 3D-tulostettuja komponentteja rakentamisessa, on tekniikka vasta ottamassa ensimmäisiä kunnon kehitysaskelia. Jotta betonin 3D-tulostus olisi varteenotettava menetelmä rakennusteollisuudessa vaatii se vielä runsaasti kehitystyötä, sekä luonnollisesti testaus- ja hyväksymismenettelyjen vakioimista ja yleistämistä. Tällä hetkellä euroopassa rakennettavien rakennusten osalta kuormitustestauksia on tehty mm. 1:1 elementeillä, mikä ei rakennusteollisuuden mittakaavassa ole millään tavalla kustannustehokasta.

Lisäksi ratkaistavana on vielä useita konkreettisia ongelmia joista esille nousee usein raudoituksen tai muun tukirakenteen automaattinen lisääminen betoniin tulostusprosessin aikana. Seminaarissa olikin tähän liittyen muutamia hyviä oivalluksia, kuten esimerkiksi teräsvaijerin sijoittaminen pursotettuun massaan tulostuksen yhteydessä. Ratkaisu vaikutti suhteellisen toimivalta ja lupaavalta horisontaalisten tukirakenteiden osalta, mutta yhtä hyvää ratkaisua vertikaalisten tukirakenteiden sijoitukseen ei vielä näkynyt. Yksi seminaarin esityksistä (Omar Geneidy & al, “Simultaneous Reinforcement of Concrete While 3D Printing”) esitteli niittipyssymäisen ratkaisun tutkimista. Siinä massaan sijoitettaisiin niittejä tulostuskerrosten välissä (kuva 1, oikealla). Kyseessä oli kuitenkin vasta alustava testi jossa ongelmana oli mm. betonin tarttuminen niitteihin. Lisäksi yhdessä esityksessä oli alustavasti tutkittu lankasyöttöisen suorakerrostuksen (WAAM, wire-added additive manufacturing) käyttömahdollisuutta teräksisen tukirakenteen tulostamiseen, tosin vain jauhepetimenetelmään perustuvan betonitulostuksen yhteydessä.

Kuva 1. Vasemmalla Eindhovenin teknillisella yliopistolla käytössä oleva laite vaijerin sijoittamiseen tulostuksen yhteydessä. Oikealla niittiratkaisun testausta. Lähde: Digital Concrete 2020

Jokaisen päivän esitysten lopuksi oli vuorossa asiantuntijaraadin wrap-up, jossa RILEM:in asiantuntijat nostivat esille konferenssissa esiteltyjä julkaisuja ja mitä itse niistä kokivat mielenkiintoisiksi. Päivittäisissä wrap-upeissa nousi esille useita kertoja samantyyppisiäkin asioita – digitaalisten mallien ja datankäsittelyn tarpeista multimateriaalitulostuksen mahdollisuuksiin. Yhtenä koko konferenssia koskettavana huomiona oli se, että aiemmin julkaisuissa keskityttiin yksinkertaisiin perusmuotoisiin geometrioihin mutta suuntaus on muuttumassa entistä monimuotoisempiin geometrioihin, joilla pyritään hyödyntämään 3D-tulostuksen tarjoama geometrinen vapaus mahdollisimman hyvin. Toinen erittäin tärkeä huomio oli ohjelmistokehityksen tarve joka jo tälläkin hetkellä rajoittaa materiaalikehitystä. Ei ole järkeä kehittää entistä monimutkaisempia materiaaleja ellei myös suunnitteluohjelma ja rakennesuunnitelmat niitä pysty hyödyntämään. Tämä on ongelma joka aiheuttaa myös muiden materiaalien 3D-tulostuksessa päänvaivaa – esimerkiksi multimateriaalitulostus metallista tai muovista on aivan saman ongelman edessä.

Onneksi tutkimuslaitokset eivät ole aihepiirin kehityksessä yksin, sillä myös teollisuuden suuret yritykset ovat heränneet lisäävien valmistusmenetelmien potentiaaliseen hyötyyn. Esimerkiksi hollannissa BAM ja Weber Beamix avasivat viime vuonna yhdessä betonin 3D-tulostustehtaan Eindhoveniin jossa yritykset voivat testata ja kokeilla 3D-tulostettujen kappaleiden valmistusta. Tällä hetkellä yritykset ovat jo oppineet käyttämään erilaisia tukirakenteita ja betoniseoksia valmistusprosessin aikana. Yhtenä tärkeänä asiana yritykset nostavat esiin parametristen 3D-mallien käytön sillä ne mahdollistavat muutosten joustavan tekemisen sekä mm. elementtien helpon skaalauksen eri kokoluokkiin. Twente additive manufacturing -yrityksellä oli puolestaan konferenssissa live-esitys työmaalta, jossa kasattiin 3D-tulostettua taloa ja yrityksen insinöörit vastailivat kiinnostuneiden kysymyksiin. Kyseessä oli kanadassa rakennettava talo joka täyttää maan rakennusmääräykset kaikilta osin. Kyseinen monimuotoinen talo tulostettiin elementeissä tehtaalla ja sitä kasattiin elementeistä paikan päällä.

Kuva 2. Hollannista löytyy jo useampia yrityksiä, joilla on betonin 3D-tulostuslaitteita. Vasemmalla BAM & Weber yhteistehdas, oikealla Bruilin 3D-tulostusyksikkö. Lähde: Digital Concrete 2020

Konferenssista on saatavilla youtuben kautta päiväkohtaiset videot jotka pitävät sisällään keynote- & vieraspuheenvuorot, esityspuheenvuoroja sekä science meets industry –videot. Vieraspuheenvuorojen edessä näkyvä lyhenne CCR tulee luonnollisesti sanoista Cement & Concrete Research. Päiväkohtaiset tiivistelmät löytyvät seuraavien linkkien takaa. Tiivistelmissä kaikki päälavan esitykset ovat peräkkäin:

  • Päivä 1: https://www.youtube.com/watch?v=MWFa_9KtpsA     
    • Keynote lecture: Prof. Robert Flatt
    • CCR Special Issue, Invited Talks
      • Mohammad Khan et al. “3-D printing of concrete: Beyong Horizons”
      • Richard Buswell et al. “A process classification framework for defining and describing Digital Fabrication with Concrete”
      • Ena Lloret-Firtschi et al. “From Smart Dynamic Casting to a growing family of Digital Casting Systems”
      • Constantino Menna et al. “Opportunities and challenges for structural engineering of digitally fabricated concrete”
    • Science meets industry:
      • Witteveen en Bos: De Vergaderfabriek (“the Meeting Factory”)
  • Päivä 2: https://www.youtube.com/watch?v=lOS7cKndnA4
    • Keynote lecture: Prof. Dirk Lowke, “Particle bed 3D printing ‐ Future challenges on the way to application in structural concrete”
    • Keynote lecture: Prof. Maarten Steinbuch, “Robots are your friends!”
    • Science meets industry:
      • Vesteda, Saint-Gobain Weber Beamix, Witteveen + Bos, van Wijnen: Project Milestone
  • Päivä 3: https://www.youtube.com/watch?v=Y66Yfmk1dX8
    • CCR Special Issue, Invited Talks
      • Viktor Mechtcherine et al. “Extrusion‐based additive manufacturing with cement‐based materials – Production steps, processes, and their underlying physics: A review”
      • Nicolas Roussel et al. “Numerical simulations of concrete processing: From standard formative casting to additive manufacturing”
      • Akke Suiker et al. “Elastic buckling and plastic collapse during 3D concrete printing”
      • Harald Kloft et al. “Influence of process parameters on the interlayer bond strength of concrete elements additive manufactured by Shotcrete 3D Printing (SC3DP)”
      • Yu Chen et al. “Improving printability of limestone‐calcined clay‐based cementitious materials by using viscosity‐modifying admixture”
      • Victor Li et al. “On the emergence of 3D printable Engineered, Strain Hardening Cementitious Composites (ECC/SHCC)”
    • Science meets industry: Vertico, tehdasvierailu
  • Päivä 4: https://www.youtube.com/watch?v=PC8dBr2LxkI
    • Keynote lecture: Prof. Theo Salet, “3D Concrete printing in a construction industry 4.0”
    • Keynote lecture: Assoc. Prof. Virginia San Fratello, “Printing architecture”
    • Science meets industry:
      • Bruil prefab printing: projects Waterstoptaxi & “Den Helder”

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

Markforged Metal X 3D-tulostimen käyttöönotto- ja käyttökokemuksia

Savonialle hankittiin Markforged Metal X 3D-tulostin osana meneillään olevaa 3D-tulostusympäristön investointi- ja kehityshanketta. Investointihankkeesta on aiemmin kirjoitettu tässä blogikirjoituksessa: https://blogi.savonia.fi/3dtulostus/2018/09/19/savilahden-uudelle-kampukselle-tulee-monipuolinen-3d-tulostusymparisto/. Tässä blogikirjoituksessa kerrotaan laitteiston asennuksesta ja käyttöönotosta Savonialla alkuvuodesta 2020.

Markforgedilla on suomessa kaksi jälleenmyyjää, Vossi Group Oy ja PLM Group Oy. Kilpailutuksen jälkeen toimittajaksi valikoitui PLM. Toimitus tapahtui jo vuoden 2019 kesällä, mutta Savonian muutosta johtuen laitteiston asennus ja käyttöönotto onnistuivat vasta tammikuussa 2020 Savonian uudella kampuksella. Sintrausuunin vaatimat kaasut tilattiin AGAlta laitetoimittajan suosituksen mukaisesti.

Markforged Metal X 3D-tulostuslaitteisto muodostuu kolmen laitteen kokonaisuudesta: 3D-tulostimesta, pesurista ja uunista. Pursotus+sintrausmenetelmään perustuvien laitteiston toiminnasta ja markkinoille saapumisesta kirjoitettiin vuosi sitten blogikirjoituksessa: https://blogi.savonia.fi/3dtulostus/2019/02/27/metallin-pursotus/

Hankinnan aikana ainoa Markforgedin tarjolla oleva sintrausuuni oli Sinter-1, jossa uunin tilavuus on hyvin rajattu. Alkuvuodesta markkinoille tuli myös Sinter-2, joka on tilavuudeltaan tuplat suurempi. Yksittäisesti hankittuna hintaa pelkällä Sinter-2 uunilla on noin 100 000 €, mutta sen saisi huomattavasti edullisemmin konepaketin tilauksen yhteydessä. Hintaeroa konepaketeilla joissa on valittuna uuniksi sinter-1 tai sinter-2 on ilmeisesti vain noin 35000 €. Taas hyvä esimerkki siitä miten ensimmäisten laitteistoversioiden hankkijat kärsivät innokkuudestaan. Toisaalta jos jatkuvasti venyttää hankkimista, ei “oikeaa aikaa” välttämättä tule koskaan, sillä tekniikka kehittyy kovaa vauhtia.

Kuva 1. Ensimmäisiä testitulosteita, materiaalina ruostumaton teräs 17-4PH. Halkaistu pallo näyttää automaattisesti muodostuvan ristikkorakenteen kappaleen sisällä.

Asennus

Laitteiston asennus oli yllättävänkin suoraviivaista ja pääosin sen suoritti laitetoimittajan asentaja. Mukana oli tässä asennuksessa Markforgedin edustaja siitä syystä, että kyseessä oli samalla kertaa laitetoimittajan asentajan koulutukseen liittyvä asennussuoritus. Hankittu laite on ensimmäinen PLM:n suomeen myymä laite ja asentaja tuli PLM Groupin Tanskan yksiköstä.

Savonian vastuulle jäi huolehtia asennuksessa siitä, että toimintaympäristössä olivat riittävät rajapinnat (sähkö, ilmanpoisto, kaasukytkennät) saatavilla laitteisiin. Näihin sitten liittyikin ne pienet yllätykset, joita asennuksessa tuli ilmi. Hankinnan ja asennuksen välillä laitteistojen asennusohjeisiin ja dokumentteihin oli tullut muutoksia. Esimerkiksi pesupisteen poistoilmakytkennän osalta uutena vaatimuksena oli se, että poistoputki ei saa olla muovia. Lisäksi uunin poistoilman kytkennän osalta vanhat ohjeet olivat hieman epämääräiset, joten osa valmisteluista saatiin tehtyä loppuun vasta asennuksen alkuvaiheessa. Kuten kuvasta kaksi selviää, koneen poistoilmakytkentä on toteutettu ohuella putkella, joka työnnetään auki olevan ilmastointiputken pään sisään. Poistoilmakytkennässä sekoitetaan huoneilmasta imettävä ilma sekä koneesta tuleva poistoilma– tällä ilmeisesti saadaan laskettua uunin poistoilman lämpötila normaaliin ilmanvaihtoon sopivaksi.

Sintrausuunin ensimmäinen käyttökerta on esipolttoajo, jonka jälkeen sen siirto ei ole enää sallittua (= takuu menee, jos uunia siirtää), sillä uunin sisällä oleva keraamikomponentti muuttuu ilmeisesti hauraaksi. Kun uuni on päällä ja kaasukytkennät auki, päästää uuni jatkuvasti hyvin pienen määrän argon-kaasua läpi. Tämä on kuulemma tarkoituksellista, mutta jos uuni ei ole viikoittain käytössä, voi kaasun sulkea paneelista.

Kuva 2. Sinter-1 uunin kytkennät. Vasemmalla näkyy poistoilmakytkentä, joka on kapeista putkista oikeanpuolimmainen. Keskellä kaasupaneeli ja oikealla uunin esipolttoajo käynnissä. Esipolttovaiheen aikana syntyvät käryt imettiin pois uunin kummastakin päädystä.

Pesurin osalta tilanne on itseasiassa vähän samanlainen. Pesurissa käytetään Opteon rasvanpoistoainetta, joka haihtuu huoneilmassa nopeasti pois. Tämän estämistä varten pesurissa on kondensaatiojäähdytys, jolla periaatteessa estetään nesteen haihtuminen pesusäiliöstä. Jäähdytyksestä huolimatta muutaman viikon aikana nestettä haihtuu pesurista runsaasti, joten käyttäjä on senkin suhteen valinnan edessä: pitääkö jatkuvasti nestettä pesurissa ja täydentää sitä viikoittain, vai tyhjentääkö pesurin ja käynnistää sen, kun sitä seuraavan kerran tarvitaan. Mikäli prosessi on viikoittain käytössä, ei pesuria tietenkään kannata tyhjentää, mutta pitempien taukojen ajaksi kyllä. Vaikka pesuria ei viitsisi tyhjentääkään vaan antaisi sen haihtua tyhjiin, niin ainakin kannattaa ottaa pesurista hälytysääni pois, sillä laitteessa on sinnikäs ja ikuisesti jatkuva hälytysääni jonka pesuri antaa havaitessaan nestemäärän laskeneen hälytysrajan alle. Kokemuksemme perusteella ääni kuuluu seinien läpi ja voi aiheuttaa ohikulkijoissa hämmennystä ja kiristää naapureiden hermoja.

Uudempiin dokumentteihin suurin osa asennusohjeisiin liittyvistä epäselvyyksistä näyttäisikin olevan pääosin korjattu, tosin kuvat voisivat edelleen olla paremmat. Jotenkin sitä olettaisi, että laitteistoissa, joiden myyntihinta ylittää 100 000 euroa olisi kiinnitetty enemmän huomiota käyttöönoton dokumentteihin ja ohjeistukseen. Toisaalta dokumenttien päivitetyissä versioissa oli osa puutteista jo korjattu joten on mahdollista että lähivuosien aikana asia on korjattu kuntoon.

Kuva 3. Metal X -järjestelmän laitteet vasemmalta alkaen. 1. 3D-tulostin (Metal X), pesuri (Wash-1), uuni (Sinter-1). Oikeanpuolimmaisessa kuvassa näkyy uunin muuntaja.

Käyttöönotto

Laitteiston käyttöönotto aloitettiin ruostumattomalla teräksellä (17-4 PH), josta tehtiin ensi alkuun muutamia yksinkertaisia geometrioita (mm. kuva 1) sekä vetokoesauvat materiaaliominaisuuksien vertailua varten. Ensimmäisen kymmenen testikappaleen tulostuksen aikana suutin tukkeutui 3 kertaa ja pysähtyi kesken ajon. Yleensä tämä tapahtui silloin, kun kyseessä oli pitkät tulostusajot ja useita kappaleita valmistumassa kerralla. Oli ilahduttava huomata, että tämä ei varsinaisesti ole ongelma. Suuttimen tukkiutuessa ohjelma osaa pysäyttää ajon ja jäädä odottamaan käyttäjää paikalle.

Puhdistus tapahtuu yksinkertaisimmillaan siten, että suutin lämmitetään, ajetaan/vedetään lankaa taaksepäin ja poistetaan se suuttimesta. Yleisimmillään langan päähän on muodostunut möykky joka estää sen kulkemista suuttimen läpi, joten langan päästä katkaistaan pätkä pois, ja syötetään se takaisin suuttimeen. Perustukoksen tapahtuessa ohjelma osaa yleensä tukoksen poistamisen jälkeen jatkaa ajoa ilman että tulostus keskeytyy. Tämä on erinomainen asia, sillä pienet tukokset vaikuttavat olevan suhteellisen yleisiä. Vain harvinaisimmissa “pahemmissa” tukoksissa laite täytyy turvallisuussyistä sammuttaa suuttimen purkamista ja puhdistusta varten jolloin, tulostus keskeytyy eikä ohjelma enää osaa jatkaa sitä loppuun.

Kuva 4. Sekä tulostusmateriaali että keraaminen irrotusmateriaali syötetään suuttimeen yläpuolelta. Tukoksen tapahtuessa ohjelma pysäyttää toimintansa.

Ensimmäisten materiaalitestausten perusteella valmistajan ilmoittamat arvot pitävät aika hyvin paikkansa. Kovuusmittaus toteutettiin standardin SFS-EN ISO 6508-1 ja vetokoe standardin SFS-EN ISO 6892-1:2019:en mukaisesti. Kappaleille ei tehty mitään lämpökäsittelyä tai muutakaan jälkikäsittelyä.

Kuva 5. Materiaalitestien tuloksia, Keskellä vetosauvat, oikealla mikroskooppikuva 400x suurennoksella.

Markforgedin Metal X –tulostusprosessi hoidetaan Eiger –ohjelmalla joka on käytettävyydeltään vähän liiankin helppo. Mikäli Markforgedin muovitulostimet (esim. Mark Two) on ennestään tuttu, on kyseessä aivan sama ohjelma kuin mitä muutkin Markforgedin tulostimet käyttävät. Liiallisella helppoudella tarkoitetaan tässä sitä, että ohjelmasta on karsittu kaikki ylimääräinen ja huomattava määrä myös käyttäjälle tarpeellisia ominaisuuksia ja säätövaroja pois. Tällä valmistaja pyrkii pitämään tulosteiden onnistumisprosentin korkealla – siitä onko tämä oikea lähestymistapa voi olla myös eri mieltä. “Yksinkertainen on kaunista” –ajattelumallin omaaville ihmisille tämä on parhautta, joka vetää vertoja valmiiksi leikatuille paahtoleiville. Kääntöpuolena on se, että ohjelmasta puuttuu lukuisia “perusominaisuuksia”, joiden käyttöön lähes jokainen 3D-tulostaja on jo ehtinyt tottua. Onneksi valmistaja on tullut viime aikoina tässä hieman vastaan ja avannut muutamia tarpeellisia ominaisuuksia “alpha” –versioina joiden toimivuudesta se ei ota mitään vastuuta. Näitä ovat mm. ilman tukirakennetta tulostaminen. Toivon mukaan myös muutama muu “perusominaisuus” ohjelmaan vielä pääsisi mukaan, sillä tällä hetkellä esimerkiksi sisäisen tukirakenteen määrän (infill) säätäminen ei ole mahdollista!

Ohjelmisto on vielä siis kehitysvaiheessa ja tällä hetkellä ominaisuuksiltaan lievä pettymys, mutta toisaalta valmistaja tarjoaa apua asiaan, joka muilta valmistajilta on yleensä jäänyt puolitiehen – nimittäin 3D-tulostuksen suunnitteluohjeisiin. Markforged tarjoaa ohjelmiston käyttäjille muutaman hyvän suunnitteluohjeen (kuva 5):

  • “Design guide for 3D Printing with Metals” on nimensä mukaisesti suunnitteluohje metallin 3D-tulostusta varten, kun menetelmänä on pursotus+sintraus. Se antaa vinkkejä suunnittelulle 3D-tulostusta, pesua ja sintrausta ajatellen. Siinä on myös kuvattu eri lämpökäsittelyjen vaikutuksia tarjolla oleville materiaaleille.
  • “Alpha Support Structures Guide” puolestaan kertoo miten tukirakenteet tulisi ottaa huomioon suunnittelussa, mikäli ne halutaan helposti irrotettavaksi.

Kuva 6. Markforgedin julkaisemat suunnitteluohjeet ovat tutustumisen arvoisia

Lopuksi lyhyt lista “hyvä ottaa huomioon” asioita, kun käytössä on Markforged Metal X.

  • Pesuaika ja poisto
    • Kappaleesta pitää poistua pesussa tietty prosenttiosuus massasta – määrä vaihtelee materiaaleittain. Ruostumattomalla teräksellä (17-4PH) poistettava lukumäärä on 4,1% massasta. Pesun jälkeen kappale punnitaan ja sitä verrataan alkuperäiseen painoon. Mikäli paino ei ylittynyt, laitetaan kappale pesuun uudelleen. Koska pesutulokseen vaikuttaa useampikin seikka, ei ohjelman antama ohjeellinen pesuaika aina riitä. Mikäli käy niin, että pesussa ei lähtenyt kappaleesta riittävästi tukimateriaalia, tarkoittaa se vähintään 8 tunnin viivettä valmistusprosessiin. Kappale kun täytyy laittaa uudelleen pesuun, ja pesun jälkeen antaa kuivua vähintään 4 tuntia ennen seuraavaa pesua. Niinpä siis kannattaa mieluummin pestä kappaletta 4 tuntia enemmän kuin tarvitaan, kuin ottaa se liian aikaisin pois ja joutua uudelle pesukierrokselle.
  • Metallitulostuksen valmistumiseen tarvittava aika
    • Mistään pikavalmistuksesta ei tämän laitteen kohdalla ole kyse, sillä tulostusaika on isommilla kappaleilla päiviä, pesuaika useampia päiviä ja sintrausaika aina (17-4PH SS) n. 27 tuntia. Kappaleen valmistusaika, eli sen kulkeutuminen suunnittelusta sintraukseen kestää siis helposti viikon. Markforgedin Metal X valmistusprosessi sopii siis lähinnä testailuihin ja yksittäiskappaleiden tai pienten kappaleiden piensarjavalmistukseen.
    • Pesuri ja uuni mahdollistavat useampien kappalemäärien valmistamisen kerralla jota kannattaa hyödyntää jo kustannussyistäkin.
  • Tulostusalueen koosta
    • On tärkeä muistaa, että sintrattavan kappaleen on mahduttava sintrausalustalle ennen sintrausta, ja on “green” –tilassa 18-20% suurempi kuin lopullinen kappale. Uunin dimensiot ovat varsinkin Sinter-1 uunilla merkittävässä osassa, kun mietitään minkälaiset kappaleet soveltuvat valmistettavaksi. Ensimmäisissä testiajoissa tämä meinasi unohtua, mutta onneksi vielä ennen tulostukseen laittamista tuli mitattua kappaleen koko ja verrattua sitä sintrausalustan kokoon.
  • Valmistuskustannuksista
    • Valmistuskustannuksista suurimpaan osaan nousee sintrausuunin käyttö, sillä sen vaatima seoskaasu on kohtalaisen kallista ja sitä kuluu paljon. Kahdella seospullolla voi uunia käyttää 4-5 kertaa. Tähän liittyy myös valmistajan osalta melko erikoinen “tempaus” viime vuoden puolella. Markforged nimittäin määritteli yllättäen, että prosessissa käytettävä argon-vetyseoksessa vedyn osuus tulee olla korkeintaan 2,94%. Hyllytavarana löytyvä H2 Instarg 3 % ( 3 % H2 + Ar ) on puolet halvempaa mutta tämän käyttöä ei enää valmistajan puolelta julkisesti hyväksytty. Lopulta selvisi, että kyseessä on ns. “maailmanlaajuinen linjaus” liittyen ilmeisesti räjähdysherkkien kaasujen määritelmään. Jossain maapallon nurkassa 3% vetyseoskaasut luokitellaan räjähtäviksi kaasuiksi, josta syystä yritys määrittelikin koko maailmassa %-osuuden sen alapuolelle, jotta laitteelle ei tulisi tiukempia turvamääräyksiä. Itse uuni kyllä hyväksyy kaasut huomattavasti laajemmalla skaalalla ja tuo edellä mainittu hyllytavarana löytyvä 3% kaasu on täysin toimiva ratkaisu. Ainoa oikea vaatimus uunin toiminnalle on kuulemma se, että seoskaasu tulee olla valmistettu UHP (Ultra High Purity) luokan kaasuista.
    • Yhtenä kustannusyllättäjänä onkin pesuprosessi, sillä pesuainetta haihtuu yllättävänkin suuria määriä, ja kustannus sen osalta on n. 500€ / 20L. Koneen täyttämiseen tyhjästä tilasta menee n. 30 L.
  • Sähkönsyöttö uunille
    • On hyvä huomioida, että laitteet valmistetaan Yhdysvalloissa ja ne on suunniteltu sikäläisiä verkko-olosuhteita silmällä pitäen. Tämä tarkoittaa sitä, että niiden käyttö perinteisessä suomalaisessa sähköverkossa vaatii yleensä muuntajaa. Esimerkiksi Sinter-1 sähkönsyöttö vaatii 50A 1-vaiheessa kiinteästi kytkettynä, eikä muuntajaa tule mukana laitteessa! Onneksi tämä oli etukäteen tiedossa, joten osasimme sen sisällyttää kilpailutukseen. Pesurissa muuntaja tuli jo valmiiksi mukana valmistajan puolesta.
  • Tarkkuusvaakaa tarvitaan
    • Järjestelmän käyttö edellyttää tarkkuusvaa’an jatkuvaa käyttöä niin tulosteiden kuin materiaalienkin punnitsemisen osalta. Syystä tai toisesta johtuen vaakaa ei kuitenkaan toimituksessa tule mukana. Soveltuvan vaa’an tulee toimia 0,01g tarkkuudella 2 kg saakka, joten halvat perusvaa’at eivät oikein tähän sovellu.

Markforgedin Metal X –laitteiston käyttöönotto jatkuu 3D-tulostusympäristön investointi- ja kehityshankkeessa kevään mittaan uusilla materiaaleilla. Materiaalitestauksessa seuraavaksi vuorossa on työkaluteräs (H13) sekä Inconel 625 jonka osalta etsitään käyttökohteita mm. energiatekniikan saralta. Markforged on myös juuri julkaissut uutena materiaalina puhtaan kuparin.

 

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

Lauri Alonen
projekti-insinööri
Savonia-ammattikorkeakoulu

Betonin 3D-tulostusratkaisuja 2019

Taustaa

Betonin 3D-tulostamisen (3DCP, 3D Concrete Printing) uskotaan olevan ratkaisu nopeuttamaan rakennusalan tehokkuutta ja luovuutta. Arkkitehtonisesti hankalien rakenteiden toteuttaminen on ollut käsityönä suhteettoman kallista, ja usein näistä hankkeista onkin luovuttu kalliin toteutushinnan takia. Suunnitelmia on muutettu helpommin toteutettaviin ratkaisuihin. Betonin 3D-tulostaminen tulevaisuudessa pienentää toteutuskuluja, ja arkkitehdin villeimmätkin visiot ovat toteutettavissa – tietenkin huomioiden betonitulostamisen valmistustekniset vaatimukset.

Erilaisten 3DCP-ratkaisujen tarjonta alkaa nousta näkyville, mutta yleisiä standardeja betonin 3D tulostamiseen ei vielä ole. Toistaiseksi betonin 3D-tulostus ei yleisesti ottaen pärjää perinteisille toteutustavoille, mutta on hyvä muistaa, että kyseessä on vasta muutaman vuoden ajan esillä ollut, vielä vahvasti kehitysvaiheessa oleva tekniikka. Rakennusteollisuus on puolestaan tarkasti säänneltyä ja hitaasti uusia tekniikoita vastaanottava toimiala.

Muutama yliopisto on edellä betonin tulostamisessa sekä robottien hyödyntämisessä rakentamisessa. Näitä ovat Zurichin, Einhovenin sekä Barcelonan teknilliset yliopistot. Pisimmällä näistä lienee Zurich yliopisto, jonka sivuilta on saatavilla paljon betonin 3D tulostamiseen liittyvää tutkimusaineistoa. Yliopisto järjesti 2018 ensimmäisen Digital Concrete seminaarin, jossa kolmen päivän aikana pidettiin luentoja vain betonin 3D tulostamiseen liittyen.

Hyvä katsaus viime vuosien tutkimustilanteesta löytyy seuraavasta artikkelista “3D printing using concrete extrusion: A roadmap for research”: Ruswell, R.A., Cement and Concrete Research (2018) , https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.05.006

Tekniikan kehittyessä 3DCP tulee haastamaan rakennusalan toimijat. Rakennusalan osaajilla on oltava hallussa monialainen osaaminen ennen kuin tulostamista voi hyödyntää työssään tai vaaditaan usean henkilön osaamista, jotta prosessi toimii sujuvasti. Useilla laitetoimittajilla onkin mainittu, että laitteisto vaatii 2-3 henkilön läsnäoloa tulostuksen aikana. Betonin koostumus, tulostus laitteiden toimivuus sekä tulostuksen jatkuvuus on onnistuttava samaan aikaan. Pintakerrosperiaatteella tulostamisessa on useita riskitekijöitä, joita tavallisessa vaakatasossa tehtävässä elementtirakentamisessa ei ole. Pohdittavaksi jää löytyykö pintakerrostekniikalle parempaa tekniikkaa, joka syrjäyttää nykyisen toimintatavan.

Savonian 3D-tulostuksen investointi- ja kehityshankkeessa yhtenä hankinnan kohteena on betonin 3D-tulostukseen ratkaisu, joka soveltuu tutkimuskäyttöön. Hankinta tapahtuu vuoden 2020 aikana. Tarkoituksena on noin metrin kokoluokan kappaleen valmistukseen soveltuva laitteisto, jossa pystyttäisiin betonin lisäksi hyödyntämään myös esimerkiksi savea. Lyhyt kuvaus Savonian investointi & kehityshankkeesta löytyy seuraavasta kirjoituksesta: https://blogi.savonia.fi/3dtulostus/2018/09/19/savilahden-uudelle-kampukselle-tulee-monipuolinen-3d-tulostusymparisto/

Laitevalmistajia

Isojen 3D-tulostuslaitteiden toimittajia Euroopassa sekä yleisesti ympäri maailmaa on toistaiseksi aika vähän. Käytännössä markkinoilla on tarjolla muutamia erityyppisiä ratkaisuja: Käsivarsirobotteihin liitettäviä tulostuspäitä, joita myydään yleensä kokonaispakettina tai nosturimallisia järjestelmiä, joissa tulostuspäätä liikutetaan nosturin avulla. Nosturimallisia ratkaisuja on tällä hetkellä eniten tarjolla ja ne on kehitetty isojen rakennusten sekä elementtien tulostamiseen. Muut tarjolla olevat järjestelmät ovat yleensä pienikokoisempia ja suunnattu tutkimukseen tai taiteellisiin käyttökohteisiin

Tähän kirjoitukseen on kerätty joitakin markkinoilla esillä olevia betonin 3D-tulostusratkaisuja tarjoavia yrityksiä.

Total Kustom (http://www.totalkustom.com/)

TotalKustom on yksi alan pioneereista Yhdysvalloissa. Sen perustaja Andrey Rudenko rakensi ensimmäisen modulaarisen betonitulostimen autotallissaan 2014. Laitetta hyödyntäen hän valmisti samana vuonna noin 3 metriä korkean linnamaisen leikkimökin takapihalleen tulostamistaan betonielementeistä.

Tällä hetkellä yritys tarjoaa neljää erilaista laitteistoa jotka poikkeavat tulostusalueeltaan, myös runkomateriaaleiltaan. Lippulaivamalli StroyBot 7.1M täyttää Yhdysvaltojen armeijan vaatimukset laitteelle ja se voidaan koota/purkaa 60 minuutissa.

  • StroyBot 6.2S: 10 x 15 x 4 m, hinta 300 000 USD (teräsrunko)
  • StroyBot 6.2A: 10 x 20 x 6 m, hinta 400 000 USD (alumiinirunko)
  • StroyBot 6.2C: 10 x 20 x 6 m, hinta 500 000 USD (komposiittirunko)
  • StroyBot 7.1M: 10 x 20 x 4 m, hinta 950 000 USD (“military grade”)

Kuva 1. TotalKustomin betonin tulostuspää, oikealla vuonna 2014 valmistettu “leikkimökki” joka oli ensimmäisiä 3D-tulostettuja rakennuksia/rakennelmia. Lähde: TotalKustom

Apis Cor (https://www.apis-cor.com/)

Venäläinen Apis Cor tarjoaa nosturipohjaista järjestelmää betonirakenteiden valmistukseen paikan päällä. Yritykseltä löytyy runsaasti esimerkkejä ja videoita yrityksen 3D-tulostulostuslaitteesta toiminnassa erilaisissa ympäristöissä ja olosuhteissa. Yrityksen esimerkeistä löytyy mm. vuoden 2019 aikana valmistettu kaksikerroksinen hallintorakennus Dubaissa. Lisätietoja projektista: https://www.apis-cor.com/dubai-project

Tähän mennessä yritys on osallistunut kaikkiin rakennusprojekteihin itse, 3D-tulostimen myynti alkaa vuoden 2020 loppupuolella. Hintaa laitteistolle tulee yli 250 000 euroa.

Kuva 2. Apis Cor:in järjestelmä perustuu nosturitorniin. Oikealla kuva edellä mainitusta Dubain rakennusprojektista. Lähde: Apis Cor

MudBots (https://www.mudbots.com/)

Yhdysvaltalainen MudBots tarjoaa siltanostureihin perustuvia betonin 3D-tulostusratkaisuja. Tällä hetkellä mallistossa on kuusi erilaisilla varusteilla ja tulostusalueella varustettua laitetta, hintaluokka välillä 35000 – 550 000 USD. Laitteiden toimitusaika on noin 4 kk. Yrityksen laitteilla on valmistettu seinäelementtien lisäksi mm. aitoja, puutarhakalusteita, portaita, jne.

Kuva 3. MudBots 3D-tulostimia. Lähde: Mudbots

Constructions 3D (https://www.constructions-3d.com/copie-de-fiche-produit)

Construction 3D ranskalainen yritys, joka myy työmaakäyttöön betonin tulostinta. Varsinaisia 3D-tulostustettuja rakennuksia yrityksen laitteella ei ole vielä valmistettu, mutta tavoitteena yrityksellä oli valmistaa rakennus vuoden 2019 loppuun mennessä. Pienemmistä esimerkkikappaleista löytyy joitakin erimerkkejä yrityksen nettisivuilta. Näitä ovat mm. 3D-tulostettu paviljonki sekä erilaisia puutarhakalusteita. Hintaa yrityksen tulostimella on 495 000 € ja se on myynnissä Machines3D –yrityksen kautta. (https://www.machines-3d.com/en/)

Kuva 4. Constructions3D:n ratkaisu perustuu liikuteltavaan nostovarteen joka voidaan pakata konttiin kuljetusta varten. Lähde: Constructions3D & Machines3D

XTreeE (https://www.xtreee.eu/) ja Concreative (https://www.concreative.me/)

XTreeE:n betonin 3D-tulostusratkaisu perustuu käsivarsirobottiin kiinnitettävään tulostuspäähän. Yritys tarjoaa betonitulostukseen liittyvää konsultointiapua sekä vuokraa valmistamaansa laitteistoa. Concreave on puolestaan XTreeE:n yhteistyökumppani, joka tarjoaa suunnittelu- ja valmistuspalveluja betonin 3D-tulostukseen liittyen. Concreavella on käytössään XTreeE:n laitteisto ja valikoimassaan erilaisia valmiita 3D-tulostettuja betonituotteita, kuten puutarha/ulkokäyttöön soveltuvia penkkejä ja muita kalusteita. Yritysten sivuilta löytyy runsaasti esimerkkejä tuotteista ja tehdyistä asiakastöistä.

Kuva 5. Esimerkkejä yritysten valmistamista kappaleista. Vasemmalla pilari, keskellä seinäelementti, oikealla “betonikudotut” tuolit. Lähde: XtreeE

AMT 3D-Speciavia (https://specavia.pro/)

AMT Speciavia on venäläinen tulostinvalmistaja, joka valmistaa erikokoisia siltanosturityyppisiä betonin 3D-tulostimia. Yritys myy tulostimien lisäksi myös materiaalia 3D tulostimiin, mm. betonia, geopolymeeribetonia sekä kipsiä. Specavian pienimmän betonitulostinmallin hinta on 1290000 ruplaa, eli noin 18 000€. Eurooppaan toimitettaessa tulee toki omat lisäkulunsa. Tulostuspinta-ala tulostimella on 3,5 x 3,6 x 1,0 m.

Yhtenä yrityksen referensseistä on vuonna 2017 valmistettu asuinrakennus Yaroslavl:issa, Venäjällä. Rakennuksessa hyödynnettiin 3D-tulostusta monelta osin – yksi tulostetuista kohteista oli pyöreä ulkoseinä, alla olevan kuvan keskimmäisenä.

Kuva 6. AMT-Speciavia:n laitteet ovat siltanosturityyppisiä. Keskellä 3D-tulostettu pyöreä seinäelementti, oikealla betonitulostamista venäläiseen tapaan, Lähde: AMT-Speciavia

WASP (https://www.3dwasp.com/en/)

WASP on 3D-tulostinvalmistaja Italiasta, joka on erityisen tunnettu erilaisten maa-aineisten (mm. savi) tulostusprojekteistaan. Yrityksellä oli muutama vuosi takaperin kunnianhimoinen tavoite valmistaa kokonainen ekokylä hyödyntäen saven 3D-tulostusta. Viimeisimpänä versiona tästä sittemmin hiljaisuuteen vaipuneesta projektista on ”Tecla” –projekti. Kyseessä on 3D-tulostettava talo, jonka materiaalina käytetään paikallisia raaka-aineita, mm. savea. Yrityksen sivuilta löytyy runsaasti esimerkkejä eri kokoluokan rakennusprojekteista, mm. https://www.3dwasp.com/en/3d-printed-house-tecla/

Yritys valmistaa muovi- ja metallitulostinten lisäksi betonin/saven 3D-tulostinta sekä tarjoaa tarkoitukseen soveltuvaa erillistä 3D-tulostuspäätä. Aiemmin yritys tarjosi mahdollisuutta käyttää betonin tulostuspäätä muovin 3D-tulostinlaitteessaan, mutta tämän vuoden aikana tilanne hieman muuttui. Yritys julkaisi uuden, betonin ja saven 3D-tulostukseen tarkoitetun 3D-tulostinversion uudesta 3MT –tuoteperheestään. Hintaa tulostimelle tulee 35000 – 55 000 € riippuen varustelutasosta.

Kuva 7. Uusi Wasp 3MT betonitulostin, oikealla suuremmalla Crane Wasp -järjestelmällä valmistettu osa Tecla –talon seinää. Lähde: Formnext 2019, WASP

CyBe (https://cybe.eu/)

Cybe myy robottikäsivarrella toimivia betonitulostimia. Yritys tarjoaa kokonaisvaltaista palvelua: betonitulostinta, soveltuvaa materiaalia sekä tulostimen ohjelmointiin tarvittavaa (siivutus)ohjelmaa. Yrityksen kehittämä ohjelma on nimeltä CyBe Chysel, ja kyseessä on normaalia monipuolisempi siivutusohjelma – se ottaa huomioon jo tulostetut rakenteet ja osaa välttää törmäykset niihin. Yrityksen nettisivuilta löytyy muutamia referenssejä toteutetuista asiakasprojekteista.

Paikallaan toimiva robottikäsivarren hinta alkaen CyBe R 3Dp 150000€ ja mobiiliversio CyBe RC 3Dp 180000€. Näihin hintoihin kuuluu lisävarustus. Cybellä on vahvat referenssit rakennusten tulostamisesta.

Kuva 8. Vasemmalla mobiiliversio 3D-tulostimesta (CyBe RC 3DP), keskellä elementtien tulostusta, oikealla kuva siivutusohjelmasta

3D Potter (https://3dpotter.com/)

3D Potter valmistaa pieniä saven (ja betonin) 3D-tulostukseen soveltuvia laitteita. Yritys tarjoaa lukuisia vaihtoehtoja pienen tulostusalueen tulostukseen, kohderyhmänä selvästi taitelijat ja harrastajat. Valtaosa yrityksen tarjonnasta on pienemmän kokoluokan laitteita.

Yritykseltä löytyy myös muutama vaihtoehto suuremman mittakaavan tulostusta ajatellen. Scara V4 –laite voidaan yhdistää jatkuvamassakoneistoon ja massamyllyyn, jolloin tulostuskapasiteetti nousee ja sillä voidaan tulostaa myös betonia. Suurin tarjottu malli on Scara Heavy Duty (tulostusalue 3.6 x 2.7m) on hinnaltaan 57500 USD. Kyseiseen malliin tarvitaan lisäksi jatkuvamassakoneisto, hinnaltaan 16700–17500 USD.

Kuva 9. Vasemmalla 3D Potter Scara V4, keskellä jatkuvasyöttöpumppu, oikealla kumpikin yhdistettynä.

 

Jari Piirainen
projektityöntekijä
Savonia-ammattikorkeakoulu

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

ANSYS SpaceClaim 3D-tulostettavien tai 3D–skannattujen mallien käsittelyssä

ANSYS SpaceClaim on 3D-mallinnusohjelma, jota käytetään erityisesti ANSYS FEM-laskentamallien mallinnukseen ja esikäsittelyyn. SpaceClaim on kuitenkin saatavilla myös erillisenä ohjelmistona ja on varsin käyttökelpoinen 3D-mallinnusohjelma moneen muuhunkin tarpeeseen. SpaceClaim perustuu ”suoramallinnukseen”, jossa malliin ei sisälly perinteistä piirrehierarkiaa. Tästä johtuen SpaceClaim ei sovellu niinkään perinteiseen koneensuunnitteluun tai muuhun 3D-tuotesuunnitteluun, jossa piirteet ja piirteiden pohjalla olevat luonnokset (sketch) halutaan pitää tallessa, vaan ohjelma on tarkoitettu 3D-mallien nopeaan ja intuitiiviseen mallintamiseen ja muokkaamiseen. Hyviä käyttökohteita SpaceClaimille ovat mm. FEM-laskentamallin luominen olemassa olevan 3D-geometrian pohjalta, 3D-skannatun mallin takaisinmallinnus (reverse engineering) ja 3D-mallin (skannatun tai toisella ohjelmalla mallinnetun) muokkaus 3D-tulostusta varten. Tässä kirjoituksessa ei käsitellä FEM-laskentamallien luomiseen liittyviä ominaisuuksia ja toimintoja. Myös 3D-mallin luominen ”puhtaalta pöydältä” onnistuu, varsinkin jos tavoitteena ei ole tehdä parametrista mallia.  Kuvassa 1 on esitetty SpaceClaimilla mallinnettu kappale, joka 3D-tulostettiin muovin multimateriaalitulostimella.

Kuva 1. SpaceClaimilla ”puhtaalta pöydältä” mallinnettu kappale

3D-skannatun mallin takaisinmallinnuksen (reverse engineering) kannalta SpaceClaimin oleellisia työkaluja ja toimintoja ovat erilaiset valintatekniikat, mallin orientointi ja solid -mallin luonti skannatusta (STL-muotoisesta kolmiopinta-) mallista sketch-työkaluja käyttäen. Valintatekniikat eroavat kolmiopintamallia työstäessä jossain määrin tavanomaisten 3D-mallien käsittelystä. Erityisesti Pull (extrude/hole) ja Move -työkalujen kanssa täytyy olla tarkkana, käyttäytyykö ympäröivä malli halutulla tavalla tiettyä kohtaa käsiteltäessä. Mallin orientoinnilla tarkoitetaan mallin kääntöä ja/tai asettelua haluttuun koordinaatistoon ja asemaan. Orientointia varten SpaceClaimissa on useita vaihtoehtoisia toimintatapoja ja työkaluja. Orient Mesh –työkalu on käyttökelpoinen, jos skannatussa mallissa on ehjiä suoria tai sylinterimäisiä pintoja. Toinen yleisesti käytettävä tapa on tehdä orientointi manuaalisesti hyödyntäen aputasoja (Plane) tai sylinterimäisten kappaleiden kanssa apuakseleita. Skannatusta mallista voidaan luoda ”täydellinen” solid-geometria käyttäen SpaceClaimin sketch-työkaluja. Solid-mallia voidaan tämän jälkeen hyödyntää esimerkiksi uusien työkuvien tekemiseen (tilanteessa, jossa alkuperäisiä kuvia ei ole saatavilla syystä tai toisesta). Solid-malliin on helppo tehdä haluttuja muutoksia geometriaan, koska nyt mallin piirteiden muokkaaminen toimii kuten Solid-malleissa yleensä (toisin kuin kolmiopintamalleissa). Kuvassa 2 on esitetty yksi esimerkki sketch-työkaluja hyödyntäen tehdystä Solid-mallista.

Kuva 2. Vasemmalla 3D-skannattu malli SpaceClaimissa, oikealla skannatun mallin pohjalta luotu takaisinmallinnettu ”täydellinen” 3D-solid-geometria

Erityisen hyödyllinen työkalu 3D-skannattuja malleja käsiteltäessä on Skin surface. Tällä työkalulla voidaan luoda rajattuja NURBS-pintoja STL-mallin pohjalta. Näin saadaan luotua kevyitä ja helposti käsiteltäviä pintamalleja verrattuna raskaisiin kolmiopintamalleihin. Näitä pintamalleja pystyy käsittelemään mukavasti myös muilla mallinnusohjelmilla (esim. SolidWorks, Inventor). Toimenpiteessä mallin tarkkuus kärsii verrattuna skannattuun dataan, mutta säilyy kuitenkin käyttökelpoisena useisiin tarkoituksiin. Kolmiopintamallista voidaan luoda myös Solid-malli Skin surface-pintoja käyttäen, kun koko malli käydään läpi muodostaen Skin surface-pinnat jokaisesta alueesta. Solid-mallin tekeminen Skin surface-pintoja hyödyntäen edellyttää, että aihiona toimiva (3D-skannattu) kolmiopintamalli on yhtenäinen tai esikäsitelty yhtenäiseksi kolmiopintamallien korjaustyökaluilla. Kuvassa 3 on esimerkki pintageometrian luomisesta 3D-skannatusta mallista käyttäen Skin surface-työkalua.

Kuva 3. 3D-skannattu malli ja skin surface-pinnan luonti halutusta geometriasta

SpaceClaim on hyödyllinen ohjelma myös valmistellessa mallia 3D-tulostusta varten. 3D-tulostuksen kannalta olennaisia työkaluja ovat mm. mallin komponenttien erottaminen ja liittäminen (kolmiopintamalleissa), epätäydellisen kolmiopintamallin korjaaminen, kolmiopintojen käsittely: pursotus (pulling), siirto (move), piirteiden yhdistäminen, vähentäminen, leikkaaminen, Copy-Paste toiminnot, seinämänpaksuuden lisääminen kolmiopintamalliin, seinämänpaksuuksien tarkistus, kolmipintojen parantamistoiminnot (muoto, määrä, sijainti) ja Shrinkwrap-toiminto. Kuvassa 4 on esimerkki seinämänpaksuuden lisäämisestä kolmiopintamalliin.

Kuva 4. Seinämänpaksuuden lisääminen STL-pintamalliin

Shrinkwrap-työkalua käyttäen voidaan yhdistää useasta komponentista koostuva malli (STL tai solid) yhtenäiseksi kolmiopintamalliksi (STL-verkkomalliksi). Näin muodostettavan mallin tarkkuus on säädettävissä Shrinkwrap-työkalun parametreilla. Työkalu on käyttökelpoinen esimerkiksi, jos halutaan tehdä 3D-tulostamalla pienoismalli monimutkaisesta konstruktiosta, jonka osien ei kuitenkaan ole tarpeen olla liikkuvia (toiminnallisia) eikä täydellisen mittatarkkoja. Shrinkwrap-työkalua käyttäen voitaisiin tehdä vaikkapa 3D-tulostettava pienoismalli jostain useita osia ja mekanismeja sisältävästä koneesta tai arkkitehtonisesta kohteesta kuten muodoltaan monimutkaisesta rakennuksesta. Kuvassa 5 on esitetty esimerkki Shrinkwrap-työkalulla tehdystä mallista (kuvassa oikealla).

Kuva 5. Mallin komponenttien yhdistäminen yhtenäiseksi STL-verkkomalliksi käyttäen Shrinkwrap-työkalua

Sen lisäksi, että SpaceClaimilla voidaan tehdä pintamalleista onttoja tietyn seinämänpaksuuden omaavia malleja, kuten kuvassa 4 nähtiin, voidaan mallille antaa myös erilaisia infill-täyttöjä. Esimerkkejä erilaisista infill-täytöistä (kuten hilarakenne tai hunajakenno) on esitetty kuvassa 6.

Kuva 6. Erilaiset mallin infill täytöt, esim. hilarakenne tai hunajakenno

Kuvassa 7 on esitetty kappale, josta 3D-skannaamalla saatua verkkomallia on muokattu SpaceClaimissa 3D-tulostusta varten. Spaceclaimissa kappaleen tarkkuutta on pienennetty mallinnuskäsittelyn keventämiseksi, kappale on jaettu kahteen osaan, kappale on tehty ontoksi ja sille on annettu seinämänpaksuus ja kappaleeseen on lisätty ruuvinreiät ja jäykisteet. Kuvassa oikealla on kappale 3D-tulostettuna ja asennettuna lopullisessa käyttökohteessaan eli käteen istuvana keittiöveitsen kahvana.

Kuva 7. 3D-skannattu ja tulostettu keittiöveitsen kahva, jonka suunnittelussa on käytetty ANSYS SpaceClaimia

 

3D-skannatun datan pohjalta tehtäviin mittauksiin ANSYS SpaceClaim soveltuu huonosti. Tämän tyyppistä työtä varten on olemassa siihen suunniteltuja ohjelmistoja, kuten esimerkiksi Savonialla käytössä oleva InnovMetricin Polyworks Inspector. Lisää tietoa 3D-skannauksesta ja mittauksista löytyy aiemmista blogikirjoituksista: https://blogi.savonia.fi/3dtulostus/2018/08/28/3d-skannaus-osa-1-2-3d-skannaus-valmistavan-teollisuuden-tyokaluna/ ja https://blogi.savonia.fi/3dtulostus/2019/01/29/3d-skannauksesta-3d-skannaus-ja-3d-tulostus/ .

 

Simo Mäkinen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

Markforged Mark Two käyttöönotto

Kuva 1. Kuvassa vasemmalla Markforged Mark Two, keskellä materiaalin kuivaus/syöttölaatikko ja oikealla laitteen tulostuspää kahdella suuttimella joista toinen on varattu pitkää kuitumateriaalia varten

Savonia hankki kesällä 2019 Markforged Mark Two 3D-tulostimen osana 3D-tulostuksen investointi- ja kehityshanketta. Laitteen hankinta oli itseasiassa osa Markforged MetalX (pursotus+sintraus) metallin 3D-tulostinta, sillä valmistajalla oli vuoden 2019 alkupuolella voimassa kampanja, jossa tarjottiin metallitulostimen ostajalle Mark Two 3D-tulostin kaupan päälle. Laitteen toimittaja oli PLM Group Oy. Tässä kirjoituksessa kerrotaan alustavista käyttökokemuksista laitteen kanssa.

Markforged Mark Two on pursotukseen perustuva muovin/kompositiin 3D-tulostin, jossa pursotettavan materiaalin lisäksi kappaletta voidaan vahvistaa pitkällä kuidulla. Yritys tarjoaa pitkän kuidun vaihtoehdoiksi hiilikuitua, lasikuitua, kevlaria, ja lämmönkestävää lasikuitua. Perusmateriaalina laitteessa käytetään yrityksen ”Onyx” –materiaalia, joka on nylonin ja lyhyen hiilikuidun sekoitusta. Sekä 3D-tulostin että siinä käytettävät materiaalit ovat yrityskäyttöön suunnattuja ja hinnoiltaan perustulostimiin/-materiaaleihin verrattuna kalliita. Kalliimpi hinta näkyy toisaalta suoraan myös sekä tulostimen että materiaalien laadussa – laitteen kanssa on perusprinttereihin verrattuna vähemmän ”säätämistä” ja valmistettujen kappaleiden laatu on hyvä. Toki kappaleiden geometrialla on edelleen suuri merkitys tulostuksen onnistumiselle, eli laitteen käyttö vaatii samojen asioiden huomioimista kuin muillakin pursottavilla 3D-tulostimilla.

Kuva 2. 3D-tulostimessa on irroitettava tulostusalusta ja pitkiä kuituvaitoehtoja on 4 kpl. Oikealla pitkä hiilikuiturulla tulostimessa paikallaan

Pitkän kuidun sijoitus kappaleeseen tapahtuu toisen suuttimen kautta. Kuitusuutin lämmitetään ja sen kautta painetaan kappale juuri tulostettuun pintaan halutuilla kerroksilla. Pitkien kuitujen avulla kappaleiden ominaisuuksia saadaan vahvistettua halutuilla tavoilla. Esimerkiksi kevlaria käytetään usein vahvistamaan osia joihin voi kohdistua iskuja, kuten esimerkiksi robottien tarttujien osat.

Kuva 3. Onyx -materiaalin ominaisuuksia, Lähde: Markforged

Mark Two 3D-tulostin otettiin käyttöön elokuun ja syyskuun vaihteessa ja tulostimen käyttöönotto ja kalibrointi olivat hyvin suoraviivaista ohjeita noudattamalla. Kalibroinnissa säädetään etäisyys suuttimen ja tulostusalustan välillä kohdalleen metallisia säätölevyjä avuksi käyttäen.

Markforgedin tulostimet käyttävät kaikki samaa Pilvipohjaista Eiger-sovellusta 3D-mallien siivutukseen. Eiger sovelluksesta on saatavilla 3 erilaista versiota;

  1. Cloud Storage: Täysin pilvipohjainen selaimessa toimiva sovellus, jossa 3D-mallit ladataan pilveen, valitaan siivutusasetukset ja siivutetaan malli pilvipalvelussa. Tämän jälkeen siivutettu malli voidaan tallentaa tai lähettää nettiin kytketylle tulostimelle.
  2. Local Storage: Tietokoneelle asennettava versio, jossa 3D-mallit säilytetään paikallisesti tietokoneella ja pilvipalveluun ladataan vain 3D-mallista tehtyjä siivutustietoja. Paikallinen 3D-mallin siivutus takaa sen, että salassa pidettäviä 3D-malleja ei ladata pilvipalveluun.
  3. Fully On-Premise: Organisaation omaa pilvipalvelua käyttävä versio, joka varmistaa sen, että mitään tietoja ei lähde organisaation ulkopuolelle. Tämä vaatii Organisaatiolta oman serverin, joka hoitaa pilvipalvelun ja mallien siivutuksen. Tällä ohjelmaversiolla on noin 5 000 euron vuosilisenssimaksu.

Savonialla on käytössään näistä versiot 1 ja 2.

Verrattuna muihin pursottavilla laitteilla käytettäviin siivutusohjelmiin, Eiger-sovellus on siivutus-ominaisuuksiltaan hyvin yksinkertainen. Alkuun selainpohjaisen ohjelman käyttöliittymä vaikutti sekavalta, mutta käyttöliittymän pienen ihmettelyn jälkeen ohjelma oli lopulta hyvin yksinkertainen käyttää. Käyttöliittymä on myös päivittynyt jo ensimmäisestä kokeilusta, (mm. käyttöliittymän valikot ovat muuttuneet selkeämmiksi).

Kuva 4. Eiger, Moottoripyörän kahvaan sijoitetut hiilikuituvahvisteet 8+8 kerrosta, 3 hiilikuitukierrosta ulkoreunoilla.

Ohjelman päänäkymässä vasemmalla puolella ovat linkit mm. Aktiviteetti puolelle (tulostin- ja tulostustyölistat), sekä Työtilaan (mm. 3D-mallikirjasto (Library), hakemistot ja tulostusasetelmat). Mallikirjasto näyttää pilvipalveluun ladatut mallit ja sieltä voidaan lisätä ja poistaa malleja tai luoda hakemistoja. Kirjasto voi sisältää kopioita samasta osasta samalla nimellä ja erilaisilla siivutusasetuksilla, joten käyttäjän on syytä ottaa käyttöön jonkunlainen järkevä nimeämiskäytäntö.

Klikkaamalla yksittäistä mallia kirjastosta, ohjelma menee sisälle osanäkymään(”Part View”), jossa päästään muokkaamaan osan siivutusasetuksia. Osanäkymässä ohjelman oikeassa reunassa olevat osan asetukset on jaettu välilehtiin:

  • ”General” -välilehdellä voidaan valita perusasetukset, kuten käytettävä materiaali, kuitu, tulostintyyppi, osan orientaatio sekä tehdäänkö osan siivutus pilvessä vai ei.
  • ”Settings” -välilehdellä voidaan mm. valita osan mittayksikkö, muuttaa osan skaalausta, ottaa tukirakenteet käyttöön tai valita käytettävä kerroskorkeus.
  • ”Infill” -välilehdellä voidaan valita täyttöaste, täyttökuvio, ylä- ja alapinta- sekä seinämäkerrosten määrä.
  • ”Reinforcement”-välilehdellä voidaan määritellä käytettävien kuitukerrosten kokonaismäärä, täyttötyyppi (Isotrooppinen tai samankeskinen), samankeskeisten kuituseinämien määrä tai isotrooppisen kuitutäytön täyttökulmat.

Kuidut sijoittuvat automaattisesti kappaleen sisään ylä- ja alapinta- sekä seinämäkerrosten sisäpuolelle. Kuitujen sijoittelua päästään määrittelemään tarkemmin, siirtymällä asetusten tallennuksen jälkeen ”Internal View”-näkymään, jossa voidaan manuaalisesti valita, poistaa ja luoda ryhmä-asetuksia valituille kerroksille. Ryhmäasetuksissa voidaan määritellä samat kuituasetukset kuin osan ”Reinforcement”-asetuksissa, mutta asetukset voidaan määritellä kerros- tai kerrosryhmäkohtaisesti. Näin kappaleeseen voi luoda esimerkiksi isotrooppisia- ja samankeskeisiä kuituryhmittymiä kappaleen geometrian kannalta olennaisiin kerroksiin.

Kuidun sijoittelu yksittäisessä kerroksessa tapahtuu automaattisesti isotrooppisen tai samankeskeisen asettelun mukaisesti, eikä käyttäjä voi vaikuttaa kuidun sijoitteluun enempää. Tämä tarkoittaa esimerkiksi sitä, että poikkipinta-alaltaan kapeat kohdat jäävät ilman pitkää hiilikuitua.

Kuva 5. Hiilikuitutesti, kapenevakärkiset pinsetit.

Lisää tietoa hiilikuitu-komposiittikappaleiden valmistamisesta sekä huomioon otettavia asioita löytyy Markforgedin sivuilta: https://markforged.com/learn/3d-printing-composites-introduction/

Alkuun ohjelmasta ei meinaa löytyä millään tapaa lisätä tulostusalustalle useampia osia kerrallaan. Työtila-valikon alla on ”Builds”-välilehti, mutta sieltä ei voi luoda uusia tulostusprojekteja. Ominaisuus löytyykin vasta kun käyttäjä luovuttaa sen etsimisen ja lähtee tulostamaan yksittäistä osaa. Kun käyttäjä klikkaa avoimena olevalle osalle Print-nappia, ohjelma aukaisee ”Build”- näkymän.

Build-näkymässä voidaan antaa projektinimi ”Build Name”, valita käytettävä tulostin ja osan siivutus pilvipalvelussa, sekä lisätä osia Build-projektiin. Valinnoista riippuen Build-projekti voidaan joko tallentaa, lähettää tulostimelle, tai käynnistää tulostus heti. Jos Build-projekti tallennetaan, tai siihen lisätään osia ja lähetetään projekti tulostettavaksi, ohjelma automaattisesti lisää tulostusasetelman työtila-valikon Builds välilehden alle, josta projekti saadaan tarvittaessa auki uudelleen. Local-storage ohjelmaversiolla tehdyt build-projektit listautuvat myös Cloud-storage ohjelmaversion build-välilehdellä, mutta niitä ei saa aukaistua sieltä.

Ennen tulostusta tulostusalustalle levitetään tasainen liimakerros liimapuikolla. Kuten muissakin pursottavissa tulostimissa liimakerros varmistaa kappaleen tarttumisen ja kiinni pysymisen tulostuksen aikana, sekä kappaleen helpon irrotuksen alustasta tulostuksen jälkeen.

Tulostuksessa tulostin tulostaa ensin kerroksen perusmateriaalia ja jos kerrokseen on määritelty pitkä hiilikuituvahvistus, tulostin syöttää lämmitettyä hiilikuitua toisesta suuttimesta samalla painaen hiilikuidun aiemmin tulostetun kerroksen sisään. Hiilikuitu katkaistaan jokaisen kerroksen välillä, joten Hiilikuitu vahvistaa kappaletta käytännössä vain XY-tasolla. Tulostusta jatketaan kerroksittain, kunnes kappale on valmistunut. Yksi ratkaisu, jolla kappaleen kestävyyttä voidaan lisätä myös Z-suunnassa, on kappaleeseen tulostuksen jälkeen painettavat metalli-insertit.

Kuva 6. Ensimmäinen Savonialla tulostettu testikappale, Moottoripyörän jarrukahva (3D-Malli:Mark3D_GMBH, thingiverse.com)

Tulostuksen jälkeen tulostusalusta voidaan nostaa ulos tulostimesta, joka tekee kappaleen irroituksesta hieman helpompaa. Tähän mennessä kappaleet ovat irronneet hyvin pienen kopautuksen avulla, ja/tai metallilastan avulla. Myös ohjelman automaattiset tukirakenteet ovat lähteneet irti pääosin paljain käsin, ja pinnanlaatu on säilynyt hyvänä myös tukien irrotuskohdissa.

Lauri Alonen
Projekti-insinööri
Savonia-ammattikorkeakoulu

Kun pieni ei enää riitä – suurten muovitulostinten tarjonta lisääntyy

Tämän vuoden Formnext –messuilla (https://formnext.mesago.com) yksi huomiota kiinnittävistä asioista oli suurten, pursotustekniikkaan perustuvien muovitulostinten laaja valikoima. Aiempina vuosina tarjolla on ollut noin kourallinen varteenotettavia vaihtoehtoja, tällä kertaa määrä oli jo tuplaantunut. Suurella kokoluokalla tarkoitetaan tässä tapauksessa tulostimia, joiden tulostusalueen koko on jonkin akselin suuntaan 500 mm tai enemmän. Valtaosa tarjonnasta sijoittuu akseleiltaan 0,5 – 1,5 metrin väliin mutta markkinoilla löytyy myös toimijoita, joiden laitteilla tulostusalue on useita metrejä.

Asian taustalla on luonnollisesti tulostinvalmistajien erikoistuminen – perustulostinten markkinat alkaa olla melko lailla tukossa, joten valmistajat pyrkivät löytämään itselleen sopivan erikoistumisen jolla erottua markkinoilta. Parin viime vuoden aikana erikoistuminen on painottunut teknisiin erikoismuoveihin kuten PEEK ja PEKK, jotka vaativat n. 500 asteen lämpötilaa suuttimelta sekä lämmitettyä tulostuskammiota. Näihin ominaisuuksiin verrattuna suuren kokoluokan pursotuslaite voi yksinkertaisimmillaan olla jopa helpommin toteutettavissa. Laadukkaat, teollisuustason suuret laitteet toki vaativat samantapaisia ratkaisuja: parempia suuttimia/materiaalin syöttöä, lämmitettyä kammiota, seurantaa ja mahdollisesti myös automaattista jälkikäsittelyä.

Teollisen tason järjestelmä tosin vaatii laadukkaiden komponenttien lisäksi myös kokemusta. Kun tulostusajat ovat pitkiä, on entistä kriittisempää, että tulostus ei katkea kesken ajon.

Yleistä suuren kokoluokan pursotustekniikkaan perustuvista laitteista

  • Suutintekniikka: Yhtenä kompastuskivenä suuren kokoluokan (pursotustekniikkaan perustuvissa) tulostimissa on materiaalinsyöttö. Kun tulostusajat ovat pitkiä ja materiaalinsyötön välimatka pitenee, on perinteinen suutintekniikka aika herkkä materiaalimäärän vaihteluille ja virheille. Esimerkiksi filamenttia käyttävissä koneissa filamentin pitempi ja mutkikkaampi syöttömatka kelalta suuttimelle tarkoittaa usein suurempaa kitkaa syöttöletkuissa. Kitka puolestaan aiheuttaa suuremman vaatimuksen ruuveilla, jotka filamenttia vetävät. Tulostusajon nopeuden vaihdellessa pikaiset ”nykäisyt” ja kitka aiheuttavat yhdessä hetkellisiä syöttökatkoksia, kun lankansyöttö sutii. Pahimmillaan tämä voi jopa lopettaa tulostuksen, kun syöttörullat syövät filamenttiin kolon ja jäävät pyörimään tyhjää. Tämä on ollut mm. GermanRepRap X1000 –tulostimen vanhemmissa versioissa todellinen ongelma. Luonnollisesti granulaattisyöttöisissä järjestelmissä ei tätä vaaraa ole. Suuremmat suuttimen halkaisijat mahdollistavat suuremman tulostusnopeuden, mutta toisaalta kerroskorkeudet ovat silloin suurempia ja tulostusjälki karkeampaa.
  • Vaihdettavat suuttimet/tulostuspäät: Jotkut valmistajat ovat alkaneet räätälöidä tulostuspäitä käytettävän materiaalin mukaan koska eri materiaalit eivät välttämättä ole yhteensopivia keskenään (eivät sekoitu toisiinsa, sisältävät epäpuhtauksia, niillä on eri sulamislämpötila, jne.) Näissä tapauksissa tulostuspään nopea vaihto on tarpeellista, ja tähän liittyen valmistajilla on yleensä omia ratkaisujaan
  • Materiaali granulaattina/pelletteinä: Mitä suurempi tulostustilavuus 3D-tulostusjärjestelmässä, sitä todennäköisemmin materiaali syötetään granulaattia filamentin sijaan. Muita syitä ovat granulaattien halvempi materiaalikustannus sekä ruuvisyötön mahdollistama suurempi materiaalin sulatus/syöttönopeus.
  • Materiaalin kuivaus: Pitkissä tulostusajoissa materiaalin laatuun ja prosessin hallintaan on kiinnitettävä entistä enemmän huomiota. Yksi yleisimmistä ongelmista on se, tulostusprosessi on herkkä kosteudelle. Pursotustekniikkaan perustuvassa 3D-tulostuksessa muovi lämmitetään +200 C asteeseen jolloin siinä oleva kosteus höyrystyy ja voi aiheuttaa mm. höyrykuplia, jotka puolestaan heikentävät tulostuksen laatua. Tästä johtuen materiaalin kuivausjärjestelmiä alkaa olla jo pienemmän tulostusalan laitteissakin mutta suuremmissa se on suorastaan välttämätöntä.
  • Muovin pursotus + koneistus: Kun tulostuskoko ja –aika kasvaa, myös jälkikäsittelyn hoitaminen samalla kertaa alkaa kiinnostaa. Useat suurista valmistajista (mm. Cincinnati Inc sekä Thermwood) rakentavat järjestelmät siten että niissä on tulostuspään lisäksi koneistus. Näin saadaan tehtyä saman prosessin aikana suuria ja mittatarkkoja kappaleita. Luonnollisesti tämä näkyy ratkaisujen hinnassa.
  • Muovin tulostuspäät robotteihin: Markkinoilla on jo useampia valmistajia jotka tarjoavat käsivarsirobotteihin perustuvia robottisoluratkaisuja tulostuspäillä varustettuna. Muutama valmistaja tarjoaa myös pelkkiä tulostuspäitä (mm. ohessa listatut CEAD ja Herz). Käsivarsirobotilla on hyvät ja huonot puolensa – yleensä heikkoutena on tarkkuus, tosin suuren kokoluokan tulostuksessa materiaalikerrokset ovat niin suuria, että sillä on merkitystä vain jos samalla laitteella pitäisi tehdä myös koneistus.
  • Materiaalit: Suuren kokoluokan 3D-tulostimissa ja 3D-tulostusjärjestelmissä käytetään usein materiaaleja, joilla kutistuminen ei ole ongelma. Näitä ovat mm. kuitutäytteiset muovimateriaalit.

Kuva 1. Suurille muovitulosteille löytyy käyttökohteita lähes kaikilta teollisuudenaloilta, Formnext 2019 -messuilla yleisimmät esimerkit olivat vene-, ja ajoneuvoteollisuudesta.

Formnext 2019 messuilla esillä olleet suurten muovitulostinlaitteiden valmistajat

Stratasys: https://www.stratasys.com/3d-printers

Israelilainen Stratasys on alan pioneeri ja edelleen yksi maailman suurimmista 3D-tulostinten laitevalmistajista. Yritys on erikoistunut pursotustekniikkaan perustuviin laitteisiin, joista se käyttää nimitystä FDM (Fused Deposit Modeling). Yrityksellä on laaja valikoima teollisen tason laitteita, ja sillä on tarjota suuren mittakoon laitteita myös teknisten erikoismuovien (esim. ULTEM) valmistukseen.

Yrityksen laitteet on yleensä sidottu valmistajan tarjoamiin materiaaleihin, jolla pyritään varmistamaan tulosteiden laatu ja tulostusvarmuus. Tämä (ja Stratasysin brandi ylipäätään) näkyy laitteiden hinnoissa, jotka ovat lähes poikkeuksetta markkinoiden kalleimpia vaihtoehtoja hankintahinnaltaan.

On kuitenkin hyvä pitää mielessä, että yrityksen kohderyhmänä ovat teolliset valmistajat, jotka valmistavat osia mm. lentokoneteollisuuteen. Kun tulostusmateriaali on kallista, tulostusaika pitkä ja toimitusajat kriittisiä, on hintaero muihin laitteisiin verrattuna kuitenkin vähäisessä painoarvossa.

Tänä vuonna yritys julkaisi kaksi uutta materiaalia pursotuspuolelle, Antero™ 840CN03 joka on ESD –materiaali sekä Diran™ 410MF07 joka on nylon- pohjainen kestävä materiaali jossa on hyvälaatuinen pinta vähäisellä kitkalla. Lisätietoja materiaaleista mm.: http://blog.stratasys.com/2019/10/24/a-closer-look-at-3-new-fdm-materials-for-additive-manufacturing/

Stratasysilla on tarjolla runsaasti erilaisia laitemalleja mutta niistä suureen kokoluokkaan pääsee vain Stratasys F900. Tulostusalueen koko siinä on 914x610x914 mm.

Kuva 2. Stratasys F900 on tulostustilavuudeltaan yrityksen suurin FDM-tulostin. Oikealla Porsce 911 turbon sisääntulokanavan muotti, joka tulostetaan vesiliukoisesta materiaalista ja pinnoitetaan hiilikuidulla.

BigRep: https://bigrep.com/

Saksalainen BigRep on yksi vanhimmista pursotustekniikkaan perustuvista ”suuren mittakaavan” laitevalmistajista, joiden laitteisto on kehitetty avoimen RepRap –projektin pohjalta. Ensimmäinen versio, BigRep ”One” on avoimen mallinen laite mutta myöhemmät versiot on varustettu suljetulla kammiolla tulostusolosuhteiden parempaa hallintaa varten. BigRepin laitteita käyttävät lukuiset suuryritykset, mm. Ford ja Deutsche Bahn. Suomessa yrityksen valmistamia laitteita löytyy mm. Metsolta, Valtralta ja Aalto Yliopistolta. Suomessa jälleenmyyjänä on Vossi Group Oy (https://www.vossi.fi/teknologiat/3d-tulostus/3d-muovitulostimet/)

Tarjolla olevia 3D-tulostimia:

  • BigRep One: 1005x1005x1005 mm, hinta n. 55k€
  • BigRep Studio G2: 1000x500x500 mm, hinta n. 55k€
  • BigRep Pro: 1080x980x960 mm, hinta n. 165 k€
  • BigRep Edge: 1500x800x600 mm (tulossa)

Luonnollisesti ”vanhana” valmistajana yrityksellä on paljon kokemusta suurista tulosteista ja niihin liittyvistä ongelmista. Bigrep tarjoaa myös omaa ”blade” nimistä slaissausohjelmaansa, joka kuulemma soveltuu hyvin suurten kappaleiden valmisteluun. Kyseessä on Ultimakerin Cura –sovelluksesta muokattu/räätälöity oma versio.

BigRep on juuri julkaissut MXT –tulostuspään, joka löytyy uusimmista laitteista (tällä hetkellä mm. EDGE, myöhemmin myös PRO –versiosta). Tulostuspään avulla päästään suurempaan tulostusnopeuteen ja parempaan tulostusjälkeen. Kantavana ajatuksena on se, että tulostuspäässä on oma sulakammionsa, josta materiaalia saadaan syötettyä tasaisesti. Ainakin teoriassa tämä on tasaisempi ja varmempi ratkaisu kuin perinteinen tulostuspää ilman välikammiota. Toimintaperiaatteeseen voi tutustua oheisesta videosta: https://vimeo.com/302268863

Kuva 3. Vasemmalla BigRep Studio G2, Keskellä BigRep Pro, oikealla periaatekuva perinteinen pursottava tulostuspää vs MXT

Discovery: http://discovery3dprinter.com/en/home/

Espanjalainen Discovery on ollut esillä Formnext –messuilla aiemminkin, ja osastolta löytyi vaikuttavia esimerkkitulosteita niin teollisuudesta kuin muiltakin aloilta. Yrityksen laitteita käyttää mm. Airbus ja tarjolla on mm. ULTEM-pohjainen materiaali. Discoveryn laitteilla valmistetut kappaleet kestävät autoklaavauksen (180C, 140psi) ja laitetta käytetään mm. lentokoneteollisuuden varaosien valmistuksessa. Valitettavasti yritys ei suostunut kertomaan hintoja, mikä ilmeisesti tarkoittaa sitä, että hintoja kysyvät vain ne, joilla ei ole varaa laitteita ostaa. KU Leuvenin yliopistolla on Discoveryn järjestelmä käytössä.

Tarjolla olevia 3D-tulostimia:

  • Discovery 3D Printer: 1150 x 800×500 mm
  • Super Discovery 3D printer: 1300 x 2500 x 1000 mm, mutta koko on täysin räätälöitävissä asiakkaan tarpeen mukaan

Kuva 4. Discoveryn osastolla oli esillä tulostimen lisäksi runsaasti esimerkkikappaleita, joihin oli laitettu tulostusajat näkyviin. Oikealla olevan tuolin tulostusaika: 12 h, paino 18 kiloa

Modix: http://www.modix3d.com/

Israelilainen Modix myy tulostinlaitteitaan komponenttipaketteina, jotka asiakas kokoaa itse. Kilpailijoihin verrattuna hintataso on hyvinkin edullinen, vaikka päälle tulee reilun tuhannen euron kuljetuskustannukset ja tullit. Edullisesta hinnasta huolimatta laitteissa käytetyt komponentit vaikuttavat laadukkailta. Yritys esitteli Formnext -messuilla myös joitakin uusia tulostinmalleja, jotka tulevat virallisesti myyntiin vasta ensi vuoden puolella.

Tarjolla olevia laitteita vuodesta 2020 alkaen:

  • BIG-40: 400x400x600 mm, alkane 2900 USD
  • BIG-60 V3: 600x600x600 mm, alkaen 3500 USD
  • BIG-120X V3: 1200x600x600 mm, alkaen 6000 USD
  • BIG-METER: 1000x1000x1000 mm, alkaen 9500 USD
  • BIG-120Z: 600x600x1200 mm, alkaen 9000 USD
  • BIG-180x: 1800x600x600 mm, alkaen 12000 USD
  • MAMA: 1000x1000x1000 mm – 2000x5000x1000 mm. Koko räätälöidään asiakkaan tarpeen mukaan, hinta alkaen 30000 USD

Kuva 5. Modixin osastolla oli eri mallien hinnat selvästi esillä

Builder 3D Printers: https://builder3dprinters.com/

Hollantilaisen Builderin 3D-tulostimiin on saatavilla yrityksen itse kehittämä dual-ekstruuderi, joka mahdollistaa kahden värin/materiaalin valmistamisen samaan kappaleeseen. Toisaalta se myös mahdollistaa yhden värin käyttämisen kahdelta kelalta, jolloin tulostusmateriaali kestää tuplasti pitempään.

Tarjolla olevia laitteita:

  • Builder Extreme 1000 PRO: 700x700x820 mm, 20000 €
  • Builder Extreme 1500 PRO: 1100x500x820 mm, 22450 €
  • Builder Extreme 2000 PRO: 700x700x1700 mm, 25000 €

Kuva 6. Kaikki Builderin laitteet ovat suljetulla tulostuskammilla varustettuja ja niitä ohjataan kosketusnäytön kautta

Systec: https://www.systec.de/en/systec-gmbh/

Systec on saksalainen automaatiojärjestelmien toimittaja ja integraattori. Yrityksen tarjontaan kuuluvat myös mm. erilaiset lineaariset paikoitusjärjestelmät.

Se tarjoaa myös asiakaskohtaisesti räätälöityjä 3D-tulostinratkaisuja aina kokoluokkaan 3000 x 3000 x 1500 mm saakka. Laitteet voidaan varustaa yhdellä tai useammalla tulostuspäällä ja/tai työkalulla. Tarjolla olevat perusmallit:

  • inv3nt delta: 400x400x400 mm, hinta. n. 30 000€
  • inv3nt xtra L: 625x625x625 mm, hinta 40-50 000€

Kuva 7. Messuilla oli esillä systecin inv3nt delta tulostin. Oikealla yrityksen tarjoama paikoitusjärjestelmä

Wasp: https://www.3dwasp.com/en/

Italialainen Wasp on kohtalaisen tunnettu toimija 3D-tulostusalalla suurten rakennelmien tulostamisessa niin muovista kuin muistakin aineista. Muutama vuosi takaperin yritys nousi otsikoihin kokeilemalla ekokylän rakennusten rakentamista 3D-tulostamalla. Sama projekti on nyt saanut jatkoa uudella TECLA –projektilla, jossa valmistetaan asumisyksiköitä paikallisista kierrätettävistä materiaaleista, käytännössä pääosin savesta. Yritys julkaisi myös tämän vuoden puolella uuden, betonin ja saven 3D-tulostukseen suunnatun laitteen erillisen tulostuspään sijaan.

Yritykseltä on myös panostanut laitteistoihin ja ohjelmistoihin terveysalan sovelluksia silmällä pitäen. Juuri julkaistu ” Delta WASP Tech line” 3D-tulostinmallisto kykenee tulostamaan proteeseja PEEK –erikoismuovista, käyttäen raaka-aineena medikaaliluokiteltua granulaattia. PEEK on materiaalina kallista varsinkin filamenttina, ja yritys kertoo granulaatin käyttämisen tarjoavan merkittävää kustannussäästöä. Yritys tarjoaa myös ilmaista lisäosaa Blenderiin orteesien yms. valmistamiseen.

Yrityksen uusin suuremman kokoluokan muovin 3D-tulostin on 3MT, ja siinä voidaan käyttää raaka-aineena granulaattia.

Waspin laitetarjontaa suuremmalla tulostusalueella:

  • WASP 4070 Industrial: Ø 400 x 700mm, hinta alkaen 8200 €
  • WASP 4070 Industrial 4.0: Ø 400 x 700mm, hinta alkaen 10250 €
  • WASP 3MT Industrial 4.0: Ø1000 x 1000mm, hinta alkaen 26000 €

Kuva 8. Vasemalla WASP 3MT malli, keskellä 3MT mallin materiaalinsyöttöyksikkö koneen takana, oikealla betonin/saven 3D-tulostin

Robotfactory: http://lnx.robotfactory.it/en/

Italialainen robotfactory on pieni, edullisten 3D-tulostinlaitteiden valmistaja. Yritys on mukana suuren mittakaavan tulostuslaitteissa sillä tarjolla on liikkuvalla tulostusalustalla varustettu 3D-tulostin. Tämä mahdollistaa periaatteessa rajattoman X-suuntaisen tulostusalueen. Yritys julkaisi tämän vuoden aikana myös edullisen ”Silver Belt (kit)” mallistonsa, joka sisältää 3D-tulostimen komponentit. Lisäksi aiempaan Sliding 3D –mallistoon on nyt tarjolla koppi tulostusympäristön hallintaa varten. Kopin etureunassa on muovikaistaleet joiden läpi pidempi tulostettava kappale mahtuu tulemaan tarvittaessa läpi.

Tarjolla olevat 3D-tulostimet:

  • Silver Belt (Kit): 270x300x∞ mm, 2000 €
  • Sliding 3D: 410 x 380 x ∞ mm, 5000 € (?)

Kuva 9. Vasemmalla Robotfactory Silver Belt, keskellä saman yrityksen Sliding 3D ja suojakotelo, oikealla Blackbelt

Blackbelt: https://blackbelt-3d.com/

Hollantilainen Blackbelt on puolestaan hieman suuremmalla tulostusalueella varustettu, mutta toimintaperiaatteeltaan vastaava kuin Robotfactory. Viime vuonna Blackbeltillä oli hintaa 20 000€, tänä vuonna hinta oli jo puolittunut. Yritys tarjoaa 3D-tulostimeen myös siihen liitettävää kuljetinta mikäli tarkoituksena on tulostaa pitkiä kappaleita.

Yrityksellä on tarjolla vain yksi malli, Blackbelt, 340x340x∞mm, hinta 9500 €, pöydän ja kuljettimen kanssa 12500 €. Tulostin näkyy kuvassa 9 oikeassa reunassa.

Atmat: https://atmat.pl/

Puolalainen ATMAT tarjoaa useampia vaihtoehtoja suurten muovikappaleiden valmistamiseen pursotustekniikalla. Yrityksen tulostimissa on suljettu, lämmitettävä tulostuskammio ja tulostusalustana käytetään graniittia. Omien 3D-tulostinmallien lisäksi ATMAT toimittaa erilaisia automaatioratkaisuja ja robottisoluja tuotantolinjoille. Yritys tarjoaa myös 3D-tulostuspalveluja.

Tämän hetken mallistoa:

  • ATMAT Signal Pro: 300x300x500 mm
  • ATMAT Galaxy: 500x500x600 mm, hinta n. 10 000 € (kaksi tulostuspäätä)
  • ATMAT Saturn: 1200x1000x1000 mm, hinta 49-50 000 €
  • ATMAT Jupiter: 2000x1000x1000 mm, hinta n. 90 000 €

Kuva 10. Kuvassa Atmat Galaxy, Atmat Signal Pro. Oikealla ATMATin toteuttama Ford-projekti jossa tulostettiin 70 muoviosaa (painoltaan yht. 400 kg). Kuvassa oleva auto oli esillä alkuvuodesta 3DPrinting Days -messuilla.

Tractus3D: https://tractus3d.com/

Hollantilainen Tractus3D valmistaa suuria pursotusmenetelmään perustuvia delta-tulostimia. Yrityksellä on myös mallisto pienemmällä tulostusalueella varustettuja laitteita, mm. teknisten erikoismuovien (esim. PEEK, PEKK ja ULTEM) tulostukseen.

Tämän hetken suuren tulostusalueen malleja:

  • T1250: Ø350 x 600 mm, hintaluokka n. 5000 €
  • T3000 (XL): Ø1000 x 1450 mm, hintaluokka n. 45000 €
  • T3500: Ø1000 x 2100 mm, hintaluokka n. 55000 €

Kuva 11. Tractus3D:n osastolla oli esillä yrityksen uusi lippulaivamallia T3500, vanhempi T1250malli sekä kohtalaisen iso tulostettu propelli

GermanRepRap: https://www.germanreprap.com/

Saksalainen GermanRepRap oli yksi harvoista vaihtoehdoista suuren kokoluokan pursotuslaitteille, kun Savonialle hankittiin viitisen vuotta sitten suuremman kokoluokan tulostuksiin soveltuvaa 3D-tulostinta. Sittemmin yritys näyttää keskittyneen erikoistulostinten valmistamiseen, vaikka suuremman kokoluokan laitteita vieläkin tarjonnasta löytyy. Yhtenä esimerkkinä erikoistulostimista on yrityksen jo viime vuonna esittelemä, nestemäisen silikonin 3D-tulostin. L320 merkkinen silikonitulostin perustuu LAM (Liquid Additive Manufacturing) tekniikkaan ja käyttää raaka-aineena Liquid Silicone Rubber (LSR) materiaalia. Yritys käyttää pursotustekniikkaan perustuvissa tulostimissaan Simplify3D –ohjelmistoa.

GermanRepRapin suuren tulostusalueen laitteita:

  • x500PRO: 500 x 400 x 450 mm, hinta n. 45 000 €
  • X1000: 1000x800x600, hinta n. 50-60 000 €

Kuva 12. GermanRepRap X500pro pystyy myös PEKKin tulostukseen. Keskellä yrityksen kehittämä nestemäisen silikonin LS320 -tulostin, oikealla yrityksen 3D-tulostintarjonnassa suurimman tulostusalueen omaava x1000.

Multec: https://www.multec.de/

Saksalainen Multec on ilmaantunut suuremman kokoluokan markkinaalueella M800 3D-tulostimellaan. Kyseiseen laitteeseen on saatavilla joko 2- tai 4-suuttiminen tulostuspää joka mahdollistaa multimateriaalitulostuksen myös suuremmassa mittakaavassa.

Yritykseltä tuli juuri markkinoille myös täytteellisten (mm. metalli-, keraami-, ja kuitufilamentit) materiaalien tulostukseen tarkoitetta M4 Metal 3D-tulostin. Siinä on lämmitetty tulostuskammio, ja myös siinä on mukana 4Move tulostuspää joka mahdollistaa yksittäisten suuttimien hallinnan ja tarkan tulostusjäljen. Hintaa uudella tulostimella on 25000 €.

Multecin suuren tulostusalueen 3D-tulostimia:

  • Multirap M500: 480 x 380 x 350 mm
  • Multirap M800: 650 x 500 x 800 mm

Kuva 13. Multec M800 ja vieressä sillä tulostettu pöytä

MassPortal: https://massportal.com/

Latvialainen MassPortal on jo pidempään markkinoilla delta-tyyppisillä 3D-tulostimillaan. Viime vuosina valikoimiin on tullut mukaan muutamien muiden yritysten tapaan filamentin kuivausyksikkö, mutta MassPortal on vienyt tarjontaa vielä askeleen siitäkin pidemmälle. Yritys nimittäin tarjoaa täysautomaattista Dynasty tulostusjärjestelmää, joka muodostuu kolmesta kokonaisuudesta: materiaalin kuivatusyksiköstä, 3D-tulostusyksiköstä ja automaattivarastosta. Sekä kuivausyksikkö että 3D-tulostusyksikkö voivat sisältää maksimissaan 56 kpl 3D-tulostimia. Järjestelmä on täysautomaattinen, eli se osaa suorittaa 3D-tulostukset tulostusjonon mukaisesti täysin itsenäisesti. Ei siis ihme, että yritys käyttää järjestelmästä nimitystä farmi. Järjestelmän hinta riippuu luonnollisesti käytettävästä komponenttien (tulostimet, varastopaikat, jne.) määrästä.

Yritys tarjoaa myös tulostuspalvelua ja luonnollisesti hyödyntää palvelussaan Dynasty –järjestelmäänsä. MassPortalin laitteita Suomessa myy Maker3D (https://www.3d-tulostus.fi/). Suuremman tulostustilavuuden laitteita yrityksellä on myynnissä vain yksi:

  • MassPortal D600: Ø 400 x 580 mm, hinta 20 000 €

Kuva 14. Massportalin osastolla oli esillä yksittäisen tulostimen lisäksi yrityksen Dynasty 3D-tulostusautomaatti, johon 3D-tulostinyksikön lisäksi kuuluu materiaalin kuivausyksikkö ja automaattivarasto.

uBot: https://ubot3d.pl/en/

Puolalainen uBot on viitisen vuotta vanha toimija Euroopan 3D-tulostusmarkkinoilla ja yleisen trendin mukaan se julkaisi viime vuonna teknisten erikoismuovien valmistukseen kykenevän P440 mallin. Vaikka yritys ei sitä erityisen vahvasti enää markkinoinutkaan, niin sillä on edelleen tarjonnassa 3DTower –malli jossa tulostuskorkeus voi olla enintään 500mm.

Tämän hetken uBot -mallistoa:

  • uBot 3DTower S+: 250x250x500 mm, hinta n. 3000 €
  • uBot P440: 440 x 330 x 300 mm, hinta n. 13000 €

Kuva 15. Ubot P440 ja joitakin sillä tehtyjä esimerkkikappaleita.

Thermwood: http://www.thermwood.com/lsam_home.htm

Yhdysvaltalainen Thermwood käyttää 3D-tulostuslaitteidensa tekniikasta nimitystä LSAM, Large Scale Additive Manufacturing – ja aivan syystä. Yrityksen tarjoaa muutaman valmismallin lisäksi räätälöityjä 3D-tulostusratkaisuja asiakkaan tarpeiden mukaan. Järjestelmässä on integroituna myös koneistus joten kappaleen lopullinen pinnanlaatu on hyvä. Materiaalina on hiilikuituvahvisteinen termoplastinen polymeeri. Thermwood ei ole ainoa oikeasti järeän kokoluokan tulostusjärjestelmiä tarjoava yritys maailmassa, mutta se oli ainoa Formnext –messuilla esillä ollut. Muita toimijoita ovat mm. Cincinnati Inc ja Ingersoll Machine Tools, kummatkin niistä ovat myös Yhdysvaltalaisia yrityksiä.

Tyypillisessä LSAM järjestelmässä on kiinteä pöytä ja kaksi jalustatelinettä. Koneissa leveyttä voi olla 3 metriä ja pituutta 30 metriä. Tarjolla on myös liikkuvalla pöydällä varustettuja järjestelmiä, joissa tulostusrobotti on kiinteästi paikallaan ja pöytä liikkuu. Näissä tulostusalueen koko voi olla korkeintaan 3×3 metriä.

Thermwoodin järjestelmissä on tulostuspää, jonka sisäinen sulaydin on vaihdettavissa. Peruskokoonpanossa sulaydin on 40 mm, joka tarkoittaa 86-95 kg tulostusnopeutta tunnissa. Yrityksellä on tullut myös uusi 60mm sulaydin joka mahdollistaa jopa 217-258 kilon tulostusnopeuden tunnissa. Todellinen tulostusnopeus tosin riippuu kappaleen koosta. Seuraavaa kerrosta ei kannata tulostaa ennen kuin edellinen kerros on jäähtynyt oikeaan lämpötilaan. Kerroksen tulostamisen yhteydessä tulostuspäässä on servo-ohjattu rulla, joka painaa tulostettavan kerroksen alempaan kerrokseen kiinni tuottaen varmistaen hyvän tulostusjäljen.

Laitteiden suuresta koosta johtuen messuilla ei ollut esillä itse laitteistoa, mutta kylläkin sillä valmistettuja esimerkkikappaleita. Asiakkaita mainittiin mm. ajoneuvoteollisuus ja veneteollisuus. Toistaiseksi Euroopassa ei ole vielä yhtään näin suuren mittaluokan tulostinta, mutta kuulemma ensimmäisen myynnistä neuvotellaan nimeltä mainitsemattoman veneteollisuusyrityksen kanssa. Mikäli aihepiiri kiinnostaa, kannattaa katsoa tämä, jo muutama vuosi sitten julkaistu video: https://youtu.be/G1F4P9O_CO8

Mikäli ihmettelit miksi venemuotti tulostettiin osissa, vaikka laitteen pituus olisi riittänyt sen valmistamiseen kerralla, niin kyseessä on taloudellisuus. Isot kappaleet pilkotaan usein pienemmiksi, jotta tulostusorientaatio on sellainen, että tukimateriaalin määrä on mahdollisimman vähäinen.

Tämän hetken perusmalleja on kolme:

  • LSAM MT (liikkuva pöytä): tulostusalueen koko 3x3x1.5 metriä, hinta n. 1 200 000 €
  • LSAM: tulostusalueen koko 3×5.1×1.5 metriä, hinta n. 1 500 000 €
  • LSAM: tulostusalueen koko 3×12.2×1.5 metriä, hinta n. 2 500 000 €

Kuva 16. Thermwood tarjoaa 3D-tulostusjärjestelmiään muutamassa mittaluokassa mutta koko on myös asiakkaan räätälöitävissä.

Fraunhofer

Laitevalmistajien lisäksi Formnextillä oli tuttuun tapaan esillä lukuisia Fraunhoferin osastoja, joissa esiteltiin tutkimuslaitoksen terävintä kärkeä. Yksi niistä oli Fraunhoferin SEAM-HEX –robottisolu, jossa tulostuspää on kiinteästi paikallaan, mutta tulostuspöytä liikkuu. Järjestelmässä oli kyllä nopea tulostusnopeus ja ainakin periaatteessa tarpeen mukaan kääntyilevä ja liikkuva tulostusalusta mahdollistaa tulostuksen ilman tukirakenteita. Osastolla ajettiin demokappaletta ja ainakin demoajon perusteella tulostusprosessin laatu ja vakaus ei ollut aivan sitä mitä sen pitäisi, joten markkinoille tulossa kestänee vielä hetken. Järjestelmän toimintaperiaate käy ilmi seuraavasta videosta: https://youtu.be/qDdMOWXHCxg

Kuva 17. Fraunhoferin Seam-Hexin hyvänä puolena on mm. nopea tulostusnopeus. Osastolla oli esillä myös pyörä, jonka runko oli tulostettu PEEKistä.

Tulostuspäät robotteihin

Suurten kappaleiden valmistukseen tarkoitettujen 3D-tulostinten ja 3D-tulostusjärjestelmien lisäksi messuilla oli esillä kahdelta eri laitevalmistajalta robottiin kiinnitettävä tulostuspää, joka mahdollistaa suurempien muovikappaleiden valmistamisen. Usein suuremman kapasiteetin omaavat 3D-tulostuksen järjestelmät luokitellaan ”Near Net Shape” -kategoriaan, jolla tarkoitetaan sitä, että lopputuote valmistetaan lähelle lopullista muotoa, mutta se vaatii lähes aina vielä jälkikäsittelyä.

Herz: https://www.herz-gmbh.com/englisch.html

Saksalainen Hertz tarjoaa muutamia vaihtoehtoisia ratkaisuja robottien 3D-tulostuspääksi muoville. Filamenttia materiaalia käyttävissä ratkaisuissa tulostusnopeus/materiaalin tuottonopeus on huomattavasti granulaattipohjaisia ratkaisuja vähäisempää. Esimerkkinä alla olevassa kuvassa olevat tulostuspäät: Oikeanpuolimmaisen pään tulostusnopeus on alle 1 kg /h kun se vasemmanpuoleisessa, granulaatteja materiaalina käyttävässä ratkaisussa on maksimissaan 6 kg/h.

Valitettavasti tämän hetken tiedon mukaan yrityksellä ei ole tarjolla kokonaisvaltaista ratkaisua tulostuspääksi – esimerkiksi granulaattiratkaisuihin ei ole automaattista materiaalinsyöttöä vaan se pitäisi rakentaa itse tulostuspäässä olevan hopperin/materiaalisäiliön tilalle.

Hintaa ratkaisuilla on 5000 – 20 000 € riippuen kokoonpanosta.

Kuva 18. Herz ExOn10 Robot (granulaatti) ja Herz Robot DX156 (filamentti)

CEAD: https://robotextruder.com/

Siemensin osastolla oli esillä hollantilaisen CEADin ratkaisu robotin 3D-tulostuspääksi. Yritys tarjoaa tarvittaessa koko paketin robotteineen, tulostuspäineen ja ohjauksineen. Tulostuspää (ekstruuderi) on myös mahdollista hankkia erikseen sellaisella kokoonpanolla ja lisävarusteilla, kun asiakas tarvitsee. Messujen ajan osastolla ajettiin demoa ja prosessi näytti toimivan aika lailla sujuvasti. Järjestelmässä ei ole koneistusta mukana, joten lopputuotteen pinnanlaatu on riippuvainen käytetystä kerroskorkeudesta.

Järjestelmä vaikutti laadukkaasti toteutetulta ja siihen on mahdollista saada optiona mm. materiaalin kuivain materiaalin syöttöjärjestelmään. Useissa 3D-tulostusmateriaaleissa kosteus tulee helposti ongelmaksi ja vaikuttaa tulostuslaatuun – ongelma korostuu erityisesti silloin, kun materiaalimäärä kasvaa.

Tulostuspään (ekstruuderi) hallinta hoidetaan Siemensin logiikalla. Järjestelmällä on mahdollista päästä 12 kg/tunti tulostusnopeuksiin. Hintaa järjestelmällä on 20-40 000 euroa (ilman robottisolua), riippuen luonnollisesti kokoonpanosta ja valituista optioista.

Kuva 19. CEADIn hallintayksikkö, robotti taustalla. Keskellä tulostuspään rakenne ja oikealla järjestelmällä tehty esimerkkituloste.

 

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

Formnext 2019 messujen tilannekatsaus

Kuva 1. Vuosittain järjestettävät Formnext -messut houkuttelevat paikalle niin laitevalmistajat kuin käyttäjätkin

Formnext on Euroopan suurin ja yksi maailman merkittävimmistä lisäävään valmistukseen (3D-tulostus) painottuvista messu- ja konferenssitapahtumista. Se järjestetään vuosittain Frankfurtissa ja on tähän mennessä kasvanut jokainen kerta edellisvuoteen nähden – niin tälläkin kertaa. Konferenssitapahtuman lisäksi messuilla oli useita esittelyalueita, joissa esiteltiin tiiviiseen tahtiin alan kehitykseen liittyviä asioita, useimmiten näytteilleasettajien toimesta.

Kävijöitä oli tänä vuonna 34 532 (+28% edellisvuoteen verrattuna) ja esitteillä oli 852 näytteilleasettajaa (+35%), yhteensä neljässä messuhallissa, neljän päivän ajan. Messut olivat aiempien vuosien tapaan kansainväliset: noin puolet messuvieraista ja hieman yli puolet näytteilleasettajista tulivat Saksan rajojen ulkopuolelta.

Vuoden 2019 partnerimaana oli Yhdysvallat, mikä tarkoitti messuilla jenkkifirmojen aiempaa suurempaa näkyvyyttä. Tämä oli erinomainen asia, sillä USA on maana edelleen maailman ykkönen asennettujen teollisen tason 3D-tulostinten määrässä. Vaikka viime vuosina myös näillä messuilla on näkynyt myös joitakin jenkkifirmoja (mm. Carbon 3D ja Desktop Metal), huomasi tällä kertaa eron selvästi aiempiin vuosiin verrattuna, sillä esillä oli myös vähemmän tunnettuja laitevalmistajia sekä palveluntarjoajia.

Tänäkään vuonna emme päässeet osallistumaan konferenssiin johtuen paitsi kohonneista osallistumiskustannuksista, myös aikarajoitteesta. Viime vuonna konferenssin järjestäjä vaihtui, ja samassa yhteydessä poistettiin oppilaitoksen henkilökunnalle suunnattu 50% alennus. Konferenssin esitykset ja esittäjät ovat erinomaisia, mutta suhteellisen korkea osallistumismaksu (1200€ neljältä päivältä) kannustaa pysymään tiivisti esityksiä seuraamassa. Tämä puolestaan tarkoittaa sitä, että messuja ei ehdi kiertää yhtä tehokkaasti.

Aiempien vuosien Formnext –käyntien ansioista tiesimme jo ennalta, että matkaan varattu kolme päivää ei tule riittämään kahdelta hengeltä perusteelliseen läpikiertoon. Ennen reissua listasimme tärkeimmät vierailukohteet jokaisesta hallista. Tapahtumalle löytyi myös oma puhelinsovelluksensa, joka helpotti kohdelistan ylläpitoa ja navigointia.

Tänä vuonna messuilla ei ollut samaa määrää uusia tuotejulkaisuja kuin aiempina vuosina. Tämä ei kuitenkaan tarkoita sitä, että uusia laitteita ei olisi julkaistu. Yksi mielenkiintoisista uutuuksista oli EOSin julkaisema FDR (Fine Detail Resolution) SLS-tulostin. Laitteen toiminta perustuu siihen, että käytössä on 50 watin CO-laseri. Tämä mahdollistaa kapean lasersäteen ja sitä myötä ohuemmat seinämävahvuudet sekä tarkan pintaresoluution.

Nopeita nesteen fotopolymerisointiin perustuvia laitteita esillä oli kahdelta palveluntarjoajalta. Nexa3D ja Carbon3D. Nexa3D:n osastolla ajettiin livedemo –esityksiä muutaman tunnin välein. Oheisessa kuvassa näkyy yrityksen 3D-tulostin ja sillä valmistettuja kappaleita. Kuvassa näkyvien kappaleiden tulostusaika oli vain 7 minuuttia, joka on käsittämättömän lyhyt aika. Nexalle tosin löytyy suomesta jo jälleenmyyjäkin, Vossi Group Oy. Hinta on varsin kilpailukykyinen, n. 70k€ mutta lisäksi tarvitaan pesuri ja uv-kovetin, jos sellaisia ei ennestään jo ole.

Kuva 2. Nexa3D ja käsittämättömän nopea tulostus (7 min)

Carbon3D puolestaan esitteli messuilla uuden aiempaa suuremmalla tulostustilavuudella (n. 1000 cm2) varustetun L1 3D-tulostuslaitteensa. Kyseessä on noin viisi kertaa suurempi tulostusalue kuin yrityksen aiemmassa M2 –mallissa. Carbon ei suoraan myy laitteita, vaan liisaa niitä vuosisopimuksilla. L1 laitteen osalta 3v sopimus kustantaa kuulemma 250 000 € vuodessa. Carbonin osastolla oli esillä runsaasti sovelluskohteita ja tulosteita eri yritysten tuotteisiin liittyen niin urheilupuolelta kuin teollisuudestakin.

Kuva 3. Carbon M2, Carbon L1, lista tarjolla olevista materiaaleista ja joitakin valmiita esimerkkejä

Perinteisten pienten pursotuslaitteiden tarjonta ei ole enää juurikaan lisääntynyt. Niissä oli havaittavissa jo viime vuonna erikoistumista, mm. teknisempien muovien (esim. PEEK, PEKK) valmistukseen. Niiden tarjonta oli kasvanut tänä vuonna entisestään, mutta lisäksi vaikutti siltä, että suuremman kokoluokan pursotukseen perustuvat laitteet ovat yleistymässä. Aiemmin tarjolla oli lähinnä BigRep, mutta nyt tarjolla on jo lukuisia muitakin vaihtoehtoja. Niiden osalta kirjoitamme katsauksen seuraavaan blogikirjoitukseen.

Ohjelmistopuolen tarjonta alkaa parantua. Lisäävän valmistuksen yleistymistä seuranneet ovat varmasti huomanneet, että yksi kehitystä hidastavista tekijöistä on ohjelmistopuoli. 3D-tulostuksen hyödyntäminen parhaalla mahdollisella tavalla vaatii sen huomioimista suunnittelun alkuvaiheista tuotantoon saakka. Topologian optimointiohjelmia on ollut tarjolla jo muutamien vuosien ajan ja tällä hetkellä trendi tuntuu painottuvan entistä enemmän generatiivisen suunnittelun suuntaan.

Autodesk oli vahvasti esillä aiempien vuosien tapaan laajalla ohjelmistotarjonnallaan. Myös nTopology (https://ntopology.com/ ) vaikutti tutustumisen arvoiselta suunnitteluohjelmalta. Yrityksestä löytyy ilmeisesti mm. Spaceclaimia aikoinaan kehittämässä ollutta porukkaa.

Suunnittelupuolen tarjonnan lisäksi tarjolle oli useita tilaustenhallintaan ja tuotannonohjaukseen liittyviä ratkaisuja eri palveluntarjoajilta. Näitä olivat mm. AMFG (https://amfg.ai/), CADS Additive (https://www.cads.at/en/software-development/cads-additive/), 3YOURMIND https://www.3yourmind.com/) ja Imnoo (https://imnoo.com/). Näistä Imnoo on itseasiassa CNC –puolelle kehitetty tarjouslaskentaohjelma, mutta se toimii myös 3D-tulostinpuolen laitteisiin. Ohjelmasta on tulossa englanninkielinen versio ensi vuoden puolella.

Rakennusalan käyttökohteisiin ja laitteisiin erikoistuneita toimijoita messuilla ei juurikaan näkynyt, joten on oletettavaa, että he ovat esillä jossain muilla messuilla. Esillä oli kyllä mielenkiintoinen rakennustekniikan 3D-tulosteita esittelevä yhteisnäyttely useammalta toimijalta. Esillä oli paitsi betonin, myös muovin, teräksen ja saven 3D-tulosteita aiheeseen liittyen.

Ainoa havaitsemme valmistaja, joka tarjosi myös betonin 3D-tulostusratkaisua, oli italialainen WASP. Heillä tosin on tarjonnassa runsaasti muutakin laitteistoa, ja betonin/saven 3D-tulostusratkaisu on vain yksi laite muiden joukossa. Aiemmin yritys tarjosi betonin ja saven tulostuspäätä, joka oli mahdollista yhdistää yrityksen tarjoamaan 3MT –tulostimeen mutta nyt oli juuri julkaistu, oma dedikoitu laitteensa. Ilmeisesti betonin ja muovin 3D-tulostaminen samalla laitteella ei ole todettu toimivaksi ratkaisuksi.

Kuva 4. Vasemmalla rakennusalan 3D-tulosteisiin painottuva näyttelyosasto, oikealla WASPin betonitulostin

3DSystemsilla oli edellisvuosien tapaan laaja osasto, sillä tarjolla on niin muovi- ja metallitulostimia kuin ohjelmistojakin. Yrityksen osastolla oli esillä “replica dragon conservation project “-projektin tuotos. Kew’s Great Padoga on 250 vuotta vanha rakennus jonka katolla sijaitsevat puiset lohikäärmepatsaat ovat ajan saatossa kärsineet. 3DSystems oli toteuttajana projektissa, jossa patsaat 3D-skannattiin sekä valmistettiin uudelleen 3D-tulostamalla. Patsaita on 18 kpl erilaisia ja niitä tulostettiin yhteensä 72 kpl. 3D-tulostusmateriaalina oli PA 12 Nylon. Luonnollisesti patsaat on 3D-tulostuksen jälkeen maalattava lopulliseen väritykseensä, mutta lopputulos on joka tapauksessa upea. Tästä löytyy lisätietoa mm. seuraavalta sivulta: https://www.3dsystems.com/customer-stories/great-pagoda-kew-returns-18th-century-glory-help-3d-systems

Yhtenä osastona Formnext messuilla on Purmundus –kilpailun osallistujat. Kilpailun aihepiirinä on ”Products of the future in 3D and 4D printing” ja se järjestettiin jo seitsemättä kertaa. Voittaja julkaistiin viimeisenä messupäivänä, ja tällä kertaa voittajana oli 3D-tulostettu ”Stealth Key”. Lisätietoja kilpailusta ja voittajista löytyy osoitteesta: https://www.purmundus-challenge.com/

Yhtenä visuaalisesti hienona tuotoksena kilpailussa oli Sandheldenin valmistama tuoli/taideteos nimeltä “Dark Matter”, vaikka se ei palkintosijoille päässytkään.

Kuva 5. 3Dsystemsin osastolla oli näkyvillä lohikäärme, oikealla Purmundu -kilpailuun osallistunut taideteos/tuoli

Metallin 3D-tulostuksen puolella tarjonta on lisääntynyt paitsi laitteissa, myös mm. metallijauheissa sekä jälkikäsittelylaitteissa. Varsinkin jauhepuolen toimijoita tuntui olevan liikkeellä runsaasti.

Jauhepetitekniikkaan ja laseriin perustuvia laitetarjoajia on jo melko paljon, vaikkakin teollisesti varteenotettavimmat vaihtoehdot ovat pysyneet vuosikaudet aika lailla samoina. Joukkoon on tosin nousemassa myös kiinalaisia vaihtoehtoja, vaikka niitä ei vielä Eurooppaan ole juuri myyty. EOS esitteli osastollaan ”EOS Shared Modules” automaatioratkaisua jonka avulla voidaan yksinkertaistaa ja hallita 3D-tulostusprosessia valmistuksesta jauheenpoistoon. Luonnollisesti kaikki metallitulostukseen liittyvät automaatioratkaisut on suunnattu valmistavan teollisuuden suuremmille toimijoille.

DMG Mori esitteli osastollaan uutta suurempaa versiota metallin suorakerrostusmenetelmästä, johon on integroitu mukaan myös 5-akselinen jyrsintä. Lasertec 125 3D Hybrid –järjestelmä on luonnollisesti tulostustilavuudeltaan suurempi kuin edeltäjänsä. Hintaa järjestelmällä on 1,5 M€.

Kuva 6. Vasemmalla EOS Shared Modules ja tulostuspaletin siirto käynnissä, oikealla DMG Morin uusi hybridi

Sidosaineruiskutukseen ja sintraukseen perustuvia laitetarjoajia on tällä hetkellä Desktop Metal, ExOne ja Digital Metal. Desktop Metal esitteli osastollaan uutta myyntiin tulevaa ”Shop System” järjestelmäänsä joka tulee myyntiin neljässä eri kokoluokassa tulostustilavuuden mukaan. Vaihtoehdot ovat 4L, 8L, 12L ja 16L, halvimman version hinta lähtee 150 000 dollarista. Laitteistot ovat ostettavissa, mutta toimitukset alkavat vasta ensi vuoden syksyllä. Ensi vuoden syksyllä nähdään pitävätkö lupaukset laitetoimitusten alkamisesta paikkansa, 3D-tulostusalalla yrityksillä on tapana antaa ylioptimisia aikatauluja kerta toisensa jälkeen ja siihen on sortunut tämäkin valmistaja edellisten laitemallien osalta.

Tulossa olevia muita laitteita ovat HP Metal Jet sekä Stratasys LPM mutta niiden osalta ei ole vielä tarkkaa tietoa siitä, milloin laitteet ovat saatavilla. Kummastakin järjestelmästä oli kuitenkin esillä esimerkkitulosteita – HP:n osalta melko runsaastikin.

 

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

Kokemuksia Stratasys J735 multimateriaalitulostimesta

Savonian Stratasys J735 3D-tulostimen käyttöönotto kesäkuussa 2019 meni kaikin puolin kivuttomasti. Kyseessä on Stratasysin kehittämään Polyjet –tekniikkaan perustuva multimateriaalitulostin. Suomesta löytyy muutamia aiemman sukupolven multimateriaalitulostimia, jotka kykenevät kolmen materiaalin käyttämiseen samanaikaisesti. Stratasys J750/J735 on tällä hetkellä markkinoiden uusin malli kuudella materiaalilla. J750 ja J735 mallien välinen ero on tulostusalueessa – fyysisesti koneet ovat identtisiä, mutta J735 laitteessa on ohjelmallisesti rajoitettu tulostusaluetta pienemmäksi. Lisää tietoja muovin multimateriaalitulostuksesta löytää aiemmasta blogikirjoituksestamme: https://blogi.savonia.fi/3dtulostus/2019/05/23/muovin-multimateriaalitulostuksesta/

Kuva 1. Stratasys J735 3D-tulostimen materiaalit syötetään erillisestä materiaalikabinetista

Stratasys 735 3D-tulostimen toimintaperiaate on hyvin samankaltainen mustesuihkutulostimen kanssa, joskin tavallisten musteiden sijasta ruiskutettava materiaali on UV-valolla kovettuvaa resiiniä. Lisäksi tulostin ei vaihda välillä ”paperia”, vaan paperin sijasta tulostusalustana toimii tulostusalusta tai tulostusalustassa kiinni olevan kappaleen aiemmin tulostetut kerrokset.

Tulostin ruiskuttaa pisaroita toistensa viereen 600 x 300 DPI (XY) tarkkuudella ja tasoittaa kerroksen pyörivän rullan avulla, joka kerää pisaroiden huiput jätesäiliöön. Samalla kelkan molemmin puolin olevat UV-lamput kovettavat kerroksen paikalleen. Kun edellinen kerros on tulostettu, tulostusalusta laskee yhden kerroskorkeuden verran alaspäin ja toistaa samaa prosessia, kunnes koko kappale on tulostettu.

Tulostuksen kerroskorkeus voi olla 14 um ”High Quality” tai 27 um ”High Mix” riippuen käytettävästä tulostustarkkuudesta. Tulostustarkkuudella on vaikutusta vain korkeussuunnassa.

Tulostusprosessissa tulostin tulostaa kappaleen alle ensin noin 0,5 mm kovan kerroksen, joka tarttuu alustaan. Sen päälle tulostetaan noin 2 mm kerros tukimateriaalia, jonka avulla varmistutaan tulostusalustan tasaisuudesta ja kappaleen kiinni pysymisestä. Tulostustarkkuus 14 µm kerroksilla vaatii erittäin tasaisen tulostusalustan. Varsinainen kappale lähtee tulostumaan vasta tämän tukimateriaalikerroksen päälle.

Koska tulostettava materiaali on nestettä, tulostin ei kykene tulostamaan ollenkaan ”tyhjän päälle”. Tämä tarkoittaa sitä, että jos oletetaan, että kappaletta valaistaisiin kirkkaalla valolla kohtisuoraan kappaleen päältä alaspäin, kaikki varjoon jäävät alueet on täytettävä tukimateriaalilla, jotta ruiskutettavalla nesteellä on tasainen pinta johon neste voi tarttua.

Stratasysin 3D-tulostimet, mukaan lukien J735 käyttävät siivutusohjelmana GrabCAD Print -ohjelmaa. GrabCADin tarkoitus on toimia yksinkertaisena työkaluna 3D-mallien siivutuksessa tulostimille ja sitä se nimenomaan onkin. GrabCADissa voidaan ajaa automaattinen mallin korjaus, mikäli ohjelma havaitsee mallissa virheitä, mutta sen lisäksi kappaleelle voidaan valita ainoastaan tulostusasento, materiaali (mm. yli 500.000 väriyhdistelmää) sekä muuttaa muutamia tulostukseen liittyviä parametreja. Ohjelmaan tulee kuukausittain uusia päivityksiä ja usein myös uusia ominaisuuksia, viimeisimpien joukossa Pantonen validointi PMS-väreille (Pantone Matching System), joita käyttämällä käyttäjä voi olla varma siitä, että ohjelmassa valittu väri tulee tulostimesta ulos tietyn värisenä.

Kuva 2. Stratasys J735 mahdollistaa paitsi pehmeät, myös läpikuultavat sekä moniväriset kappaleet. Haastavammat väritykset onnistuvat tekstuureja käyttämällä.

Multimateriaalitulostuksesta voidaan puhua, jos valmistettava kappale koostuu useammasta materiaalista. GrabCAD Print ohjelmassa voidaan valita materiaali kappaleen muodostaville erillisille komponenteille. Materiaaliksi voidaan valita suoraan joku käytettävissä olevista materiaaleista, sekoitus materiaaleista tietyn värin aikaansaamiseksi, tai joku valmistajan räätälöimistä digitaalisista materiaaleista, joita varten ohjelmassa on valmiit asetukset.

Stratasys tarjoaa materiaalin räätälöinnin lisäksi myös hankalampia kappaleita varten Vokselitulostus ominaisuuden, jossa käyttäjä voi määritellä yksittäisten vokselien ominaisuuksia (esim. väri tai joustavuus). Kun vapaasti valittava vokselin ominaisuus yhdistetään viereisten vokselien väreihin ja ominaisuuksiin, saadaan koko kappaleen ominaisuudet määriteltyä halutulla tarkkuudella.

Savonialla Vokselitason tulostuksen lisenssi jätettiin vielä toistaiseksi pois, kunnes tulostimen perusominaisuudet tulevat tutuiksi. Tällä hetkellä Stratasysillä ei ole myöskään tarjota ohjelmaa vokselitason mallien luomiseen. Stratasysin voxelprint lisenssi tarjoaa kuitenkin mahdollisuuden kääntää sarja PNG kuvia tulostettavaan muotoon. Mahdollisen PNG-slice mallin luomisessa on huomioitava tulostimen resoluutio eri akselisuunnissa; noin XYZ: 42,33 * 84,66 * 14(tai 27) um.

Saksalaisella Fraunhoferilla löytyy ”CuttleFish”-sovellus, joka kykenee mm. käyttämään useita tekstuureita ja ottamaan huomioon valon tunkeutumista ja sirontaa eri materiaalien välillä vokselitasolla, esimerkiksi visuaalisesti realistisemman kappaleen valmistamiseksi. Itse tulostuksen CuttleFish ohjelma hoitaa käyttämällä streamaus arkkitehtuuria, joka siirtää tulostettavat kerrokset tulostimelle oikealla hetkellä. Lisätietoja Fraunhoferin CuttleFish ohjelmasta löytyy osoitteesta: https://www.cuttlefish.de/.

Realistisempien kappaleiden lisäksi Vokselitulostus mahdollistaa esimerkiksi rakenteita, jotka joustavat tiettyyn suuntaan, tai periaatteessa materiaaliominaisuuksien puitteissa myös 4D-tulostuksen, jossa kappaleen ominaisuudet muuttuvat ajan kuluessa esimerkiksi lämpötilan vaikutuksesta.

Tulostusprosessi aloitetaan GrabCAD Print ohjelman kautta tuomalla tulostettavat 3D-mallit ohjelman virtuaaliselle tulostusalueelle. Seuraavaksi mallien osille määritellään tulostusasento, materiaalit, värit ja se tulostetaanko kappale kirkkaalla- (”glossy”) vai matta- (”matte”) asetuksella. Kappaleen alapuoli tulee tulostettuna aina mattapintaisena. Jos kappaleen eksaktit mitat ovat tärkeitä, kappale kannattaa tulostaa aina mattapintaisena.

Tulostusasento voidaan määritellä manuaalisesti tai automaattisesti. Käyttäjä voi esimerkiksi kääntää jonkun haluamistaan malleista johonkin tiettyyn orientaatioon, lukita mallin rotaation ja sen jälkeen antaa ohjelman kääntää ja sijoitella mallit Lyhyimmän tulostusorientaation mukaan. Manuaalisen orientoinnin ja lukituksen syy voi olla esimerkiksi se, että kappaleessa käytetään kirkasta tulostusasetusta, eli kappaleen yläpuoli halutaan jättää mahdollisimman hyvälaatuiseksi suoraan tulostimesta. Esimerkiksi malli, jossa on yhdessä suunnassa todella monimuotoinen pinta, se voidaan haluta tulostaa kirkkaana, jotta sitä ei tarvitsisi hioa tulostuksen jälkeen.

Kuva 3. Grabcadissa voi käsitellä osaa yhtenä kokoonpanona tai tarvittaessa myös yksittäisinä osina.

Värien tai materiaalien valitsemiseksi käyttäjä valitsee ensin mallista osat, joiden väri halutaan muuttaa ja sen jälkeen valitsee joko halutun värin, materiaalin tai digitaalisen materiaali ohjelman materiaalivalintaikkunasta. Sama toistetaan kaikille mallissa oleville erillisille osille, kunnes kaikkien osien materiaalit on valittu. Kuten mallinnusohjelmissakin, jos mallissa on paljon erillisiä osia, tai samoja malleja on useita, ohjelma voi toimia todella hitaasti, riippuen käytettävän tietokoneen tehoista.

Kun Kappaleiden orientoitu ja materiaalit kohdallaan, tulostus voidaan siirtää tulostimen tulostusjonoon. Jos jonossa ei ole muita tulostuksia, ohjelma sijoittaa tulostuksen automaattisesti alkamaan siirtoajankohdasta. Jonoa voidaan muokata vetämällä tulostuksia eri kohtiin, tai poistamalla jonosta tulostustöitä.

3D-mallin tulostimelle lähettämisen jälkeen jonon ensimmäinen tulostus käynnistetään Stratasysin tulostimen hallintaohjelmasta. Tulostimen hallintaohjemalla tehdään myös paljon muita toimenpiteitä, kuten materiaalinvaihto, huolto-, kalibrointi-, putsaus- ja erilaisia testausajoja apuohjelmien(Wizard) kautta.

Erilaisia huolto- ja puhdistustoimenpiteitä onkin useita, tulostusajokohtaisia, päivittäisiä, viikoittaisia ja kuukausittaisia. Osassa puhdistustoimenpiteistä olisi hieman parannettavaa, mm. päivittäin ennen tulostusta puhdistettava rullan materiaalinkeräysallas, jossa ruuvaillaan 7 pientä kuusiokoloruuvia, joista puolet on vaarassa pudota koneen sisään. Osa ruuveista jää kiinni isompiin osiin ja osaa ei tarvitse aukaista täysin.

Materiaalin vaihto toiseen materiaaliin täytyy tehdä tulostimen ohjelmasta käynnistettävän apuohjelman avulla. Uusi samaa materiaalia sisältävä säiliö voidaan vaihtaa vanhan samaa materiaalia sisältävän säiliön tilalle myös tulostuksen ollessa käynnissä.

Materiaalinvaihdon ohjelma näyttää koneessa sisällä olevat materiaalit ja antaa käyttäjän vaihtaa materiaaleja haluamallaan tavalla. Seuraavassa vaiheessa ohjelma näyttää visuaalisen esityksen materiaalisäiliöiden sijainneista ja näyttää mihin paikkoihin uudet materiaalit tulisi laittaa. Ohjattu materiaalinvaihto ei anna käyttäjän laittaa materiaalia vääriin paikkoihin. Itse materiaalinvaihto vie noin tunnin per vaihdettava materiaali. Riippuen vaihdettavista materiaaleista laitteen voi joutua kalibroimaan uudelleen käyttämään uusia materiaaleja. Kun materiaalin vaihto käynnistetään, käyttäjä ei voi keskeyttää materiaalinvaihtoa kesken kaiken.

Materiaalin vaihto-ohjelmassa on myös vaihtoehto, jolla käyttäjä voi vaihtaa suoraan jonkun tietyn materiaalisäiliön tilalle jonkun toisen materiaalin. Koska tulostimessa on 4 suutinpäätä, jotka on sisäisesti jaettu kahteen altaaseen (jokainen suutinpää syöttää kahta eri materiaalia), käyttäjän on oltava perillä mitkä materiaalit voi vaihtaa keskenään sekä mitkä materiaalit sopivat toistensa kanssa samaan aikaan yksittäiseen suuttimeen.

Tulostuspäiden kalibrointi tapahtuu aloittamalla kalibrointiprosessi apuohjelmasta. Ohjelma tulostaa ensin alustalle muutaman kerroksen korkuisen vaa’an kohdistus suorakaiteen. Tämän jälkeen käyttäjä kytkee materiaalivaa’an koneeseen ja asettaa sen kohdistusmerkin osoittamaan kohtaan ja nollaa vaa’an mittalukeman. Tämän jälkeen tulostin syöttää suuttimista materiaalia vaa’alle ja kalibroi tulostuspäitä mitatun painon perusteella. Lopuksi käyttäjä kaataa vaa’an päällä olevaan astiaan syötetyt materiaalit jätekuiluun ja palauttaa astian vaa’an päälle kovetettavaksi. Tulostin kovettaa jäljelle jääneet nestemäiset materiaalit, jonka jälkeen käyttäjä voi poistaa vaa’an ja puhdistaa tulostuspäät sekä tulostusalustan.

Laitteella valmistuvat 3D-tulostetut osat ovat aina enemmän tai vähemmän tukimateriaalilla tuettuja. Minimissään jälkikäsittelytoimenpiteet pitävät sisällään tukimateriaalin poiston ja kappaleen pesun. Usein kappaleelle tehdään myös muita jälkikäsittelytoimenpiteitä kuten hiontaa, kiillotusta ja pinnoitusta. Tukimateriaaleista kannattaa poistaa aluksi kaikki mikä saadaan manuaalisesti poistettua tikuilla tai kaavintaveitsillä. Kun suurin osa tukimateriaaleista on poistettu, jos kappale ei ole heiveröinen, se voidaan pestä painepesurilla. Heiveröinen kappale on parempi pestä käsin esimerkiksi karhunkieltä käyttäen. Hankalista muodoista / koloista tukimateriaalia voidaan poistaa laittamalla kappale lipeäkiviliuospesuriin, joka pehmentää tukimateriaalin niin että se on helpommin poistettavissa. Heiveröisten kappaleiden kohdalla tukimateriaalin poisto voi olla silti hankalaa varsinkin kanavarakenteista.

Kuva 4. Teksturoitu lihanpala -tuloste tukimateriaalin peitossa, jotta kappale näyttää kokonaisuudessaan samanlaiselta. Oikealla näkyvissä testiliuskoissa osa alueesta tulostetaan kirkkaana joten niiden osalta tukimateriaalia on vain siellä, missä se on välttämätöntä.

3D-tulostimen käyttöönotto jatkuu ja seuraavissa blogikirjoituksissamme käsittelemme tarkemmin kappaleiden väritykseen, teksturointiin ja jälkikäsittelyyn liittyviä mahdollisuuksia.

 

Lauri Alonen
Projekti-insinööri
Savonia-ammattikorkeakoulu

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu