DICOM-kuvasta 3D-tulosteeksi (Materialise Mimics Innovation Suite)

3D-tulostuksen käyttö lääketieteen ja terveydenhoidon sovelluksissa on yksi vanhimmista valmistusmenetelmän käyttökohteista. Syy tähän löytyy 3D-tulostuksen ominaispiirteistä jotka tukevat hyvin terveysalan tarpeita: 3D-tulostus mahdollistaa yksilöllisten/asiakasräätälöityjen kappaleiden valmistamisen ilman merkittäviä lisäkustannuksia valmistusvaiheessa. 3D-tulostus mahdollistaa geometrisesti monimuotoisten kappaleiden valmistuksen ilman lisäkustannuksia. Ihmiset ovat kaikki yksilöitä, joten tulostuksen yksilöllisyyden tarve on selvä. Lähes kaikki potilaisiin liittyvät “osat” ovat geometrisesti monimuotoisia, sillä tasaisia pintoja ja suoria rakenteita on ihmiskehosta hankala löytää.

Vaikka 3D-tulostuksen käyttö lääketieteessä onkin alkanut jo kymmeniä vuosia sitten, on menetelmän käyttöä rajoittanut monet seikat, mm. kustannukset, laitteiden harvinaisuus, tulostusmateriaaleihin ja suunnitteluohjelmiin liittyvät rajoitukset. Viime vuosien aikana nämä rajoitukset ovat alkaneet hälventyä ja nykyisin kaikissa maailman huippusairaaloissa on omat 3D-tulostusyksikkönsä ja niitä alkaa löytyä pienemmistäkin sairaaloista. Esimerkiksi Yhdysvalloissa oli vuonna 2010 vain kolmella sairaalalla 3D-tulostusyksikkö, mutta vuonna 2019 niitä löytyi jo yli 100 sairaalasta. Lisäksi on huomioitava että monet sairaalat hankkivat 3D-tulosteensa palveluntarjoajilta.

Tässä blogikirjoituksessa kuvataan prosessi, jossa anatominen malli valmistetaan 3D-tulostamalla potilaan kuvantamisdatan perusteella.

Sairaalassa potilaista otettavat lääketieteelliset kuvat tallennetaan digitaaliseen kuva-arkistoon, joka on nimeltään PACS (Picture Archiving and Communications Systems). PACS -arkistoon tallennetaan röntgenkuvat, radiologisten tutkimusten kuvat ja muut lääketieteelliset kuvat (valokuvat yms.).

Kun potilaskohtaisia 3D-malleja halutaan tehdä, täytyy haluttu kuva noutaa PACSista. Sairaalan sisällä tiedon noutaminen onnistuu ongelmitta, mutta mikäli materiaalia siirretään syystä tai toisesta sairaalan ulkopuolelle, data anonymisoidaan eli potilaaseen liittyvät henkilötiedot poistetaan. Esimerkiksi 3D-tulostuspalveluntarjoajien osalta he saavat käsiinsä anonymisoidyn kuvadatan ja valmistavat sen perustella tarvittavan tulosteen – oli se sitten anatominen malli, implantti, leikkausohjuri tai jotain muuta. Dataan luodaan yksilöllinen tunniste, joka säilytetään vain sairaalan päässä. Kun valmistettu kappale toimitetaan sairaalaan, voidaan sairaalassa tunnisteen avulla yhdistää kappale takaisin potilasdataan.

EU-alueella on myös tullut voimaan uusi MDR -direktii (Medical Device Regulation 2017/745) joka määrittää, että kaikki potilaan hoitoon liittyvät toimenpiteet tulee olla suoritettu medikaalihyväksyttyjen järjestelmien tai laitteiden kautta. Tämä koskee myös mallinnus/suunnitteluohjelmia sekä 3D-tulosteita. Perinteiseen EU-tapaan direktiivi ei ole selvä ja yksiselitteinen vaan siinä on toimijakohtaisia poikkeuksia. Aiheesta riittäisi kirjoitettavaa useampiinkin blogikirjoituksiin, joten tässä ei mennä siihen sen syvemmälle.

Muutaman vuoden takaisessa blogikirjoituksessa kerroimme yleisesti DICOM –kuvan kääntämisestä tulostettavaksi 3D-malliksi käyttäen esimerkkikappaleena aivoverisuonimallia. Linkki aiempaan blogikirjoitukseen: https://blogi.savonia.fi/3dtulostus/2018/12/19/3d-tulostuksen-kayttokohteita-terveysalalla-case-aivoverisuonet/

Aiemman kirjoituksen esimerkissä käytettiin ilmaisohjelmaa (InVesalius) sekä yleisiä pintakäsittelyohjelmia (mm. Rhinoceros, Netfabb) mallin viimeistelyyn. Tulostettavan mallin tekeminen onnistuu edellä mainitulla tavalla mutta nykyisin potilaaseen liittyvät tulosteet tulee valmistaa hyväksytyn prosessin kautta. Potilaaseen liittyvien tulosteiden tekemiseen sairaalaympäristöissä käytetään kaupallisia, medikaalihyväksyttyjä ohjelmia joista esimerkkinä Materialisen Mimics kirjoituksessa mainittiinkin.

Sairaalaympäristön 3D-tulostusasoita on kuvattu aiemmin myös toisessa blogikirjoituksessa, linkki kirjoitukseen: https://blogi.savonia.fi/3dtulostus/2019/06/27/3d-tulostus-sairaalaymparistossa/

Tässä blogikirjoituksessa esitetään prosessin kulku dicom –kuvasta tulosteeksi käyttäen kaupallisesti tarjolla olevaa, medikaalihyväksyttyä (=lääketieteelliseen käyttöön sertifioitua, CE-hyväksyttyä) Materialisen Mimics –ohjelmistoa. Savonian meneillään olevassa 3D-tulostuksen investointi- ja kehityshankeparissa yhtenä osa-alueena oli 3D-tulostukseen liittyvien ohjelmien hankinta ja vertailu. Kuopion Yliopistollinen Sairaala on mukana hankkeessa osatoteuttajana, ja yhtenä ohjelmistoselvityksen kohteena oli soveltuvan ohjelmiston löytäminen DICOM -kuvadatan kääntämiseen 3D-tulostettavaan muotoon. Koska ohjelmistoa haluttiin testata enemmän, kilpailutuksessa haettiin kolmen kuukauden lisenssiä.

Kilpailutuksessa ja siihen liittyvässä selvityksessä löytyi kaksi potentiaalista toimijaa, Materialise (https://www.materialise.com/en/medical) sekä Medviso (https://medviso.com/). Medviso ei kuitenkaan osallistunut kilpailutukseen, sillä yhtenä kriteerinä oli ohjelmiston FDA-hyväksyntä, jonka yritys saa ohjelmalleen vasta vuoden 2021 aikana. Medikaalihyväksyntä sekä Euroopassa (CE) että Yhdysvalloissa (FDA) katsottiin tärkeäksi, sillä sairaalat tekevät kansainvälistä tutkimusyhteistyötä, joten vertailtavien ohjelmistojen tulisi olla sellaiset jotka ovat kansainvälisestikin käytettävissä. Medviso lupasi kuitenkin tarjota hankkeelle ohjelmaan testilisenssin, joten hankkeen aikana tullaan testaamaan myös kyseisen ohjelmiston toiminta.

Kuva 1. Materialisen Mimics Innovation Suite tarjoaa työkalut dicom-kuvien avauksesta jälkikäsittelyyn ja 3D-tulostettavien mallien valmistukseen. Lähde: Materialise

Materialisen sairaalapuolen ohjelmistopaketti ei ole suomalaisissa sairaaloissa aivan vieras, sillä se on käytössä mm. Tampereen Yliopistollisessa Sairaalassa. TAYS onkin yksi suomalaisista edelläkävijöistä koskien 3D-tulostusta sairaalaympäristössä.

Käytössä ollut Materialisen ohjelmistopaketti muodostuu segmentointiohjelmasta (Materialise Mimics Medical 23.0) sekä jälkikäsittelyohjelmasta (3-Matic Medical 15.0). Ohjelmat tarjoavat yhdessä kokonaisuuden jonka avulla DICOM-data saadaan suhteellisen vaivattomasti käännettyä 3D-malliksi, käsiteltyä tarvittavissa määrin ja tallennettua 3D-tulostettavaan muotoon. Ohjelmien käytössä olevat toiminnallisuudet riippuvat siitä, minkälaisia ohjelmistomoduleita lisenssiin on ostettu mukaan. Testijakson ohjelmistopaketti muodostui seuraavista Mimicsin moduleista: Mimics Base, Analysis, C&V Segmentation ja Design.

Seuraavaksi käydään läpi työvaiheet DICOM –datasta 3D-malliksi ja sen jälkeen 3D-tulosteeksi materialisen ohjelmistopakettia hyödyntämällä. Esimerkkikappale on AAA-malli (abdominal aorta anyerysm model) eli vatsa-aortan aneurysma. 3D-tulosteen tavoitteena ja mallin rakenteen pohjana käytettiin julkaisussa “Simulation of Endovascular Aortic Repair Using 3D Printed Abdominal Aortic Aneurysm Model and Fluid Pump” (https://doi.org/10.1007/s00270-019-02257-y) vastaavanlaista mallia. Mallin DICOM –kuvadata saatiin Kuopion Yliopistolliselta Sairaalalta.  

Työvaiheet ovat pääpiirteissään seuraavat:

  1. DICOM –kuvien avaus ja rajaus kynnysarvojen määrittelyllä
  2. Halutun alueen valitseminen luomalla kuvamateriaalille maski
  3. 3D-mallin tekeminen maskin perusteella
  4. Verisuonen keskiviivan luoinen
  5. Siirto 3-matic:iin jälkikäsittelyä varten
  6. Verisuonten muuttaminen haluttuun kokoon liittimien osalta
  7. Kuorirakenteen valmistaminen
  8. Kääntäminen STL-malliksi
  9. 3D-tulostus ja puhdistus

Ensimmäinen työvaihe on DICOM –kuvadatan rajaus siten että käsittelyyn otetaan vain haluttu alue (verisuoni/aneurysma). DICOM –kuvadata on kuvasarja kolmesta eri kuvakulmasta (coronal, sagittal, axial). Kuvissa anatomian eri osat näkyvät eri väreillä joten kynnysarvot määrittämällä voidaan valita tietyn tyyppinen “materiaali”. Tämä ei kuitenkaan vielä riitä – kynnysarvo valitsee kaikki samanväriset alueet joten todennäköisesti mukaan tulee muutakin kuin haluttu alue. Ylimääräiset alueet poistetaan Split-työkalun avulla, jolla kynnysarvon määrittelemä rajaus voidaan jakaa eri ryhmiin (Masks). Tämä tapahtuu valitsemalla Split-työkalussa haluttu määrä ryhmiä ja rajaamalla niihin kohdistuvat alueet maalaamalla. Tämän jälkeen ohjelma käy kaikki sarjan kuvat läpi ja valitsee ne alueet jotka ovat yhteydessä maalattuihin tasoihin. Kuvassa 2 näkyy vasemmalla kynnysarvon rajaamat alueet jolloin mukaan olisi tulossa mm. selkärankaa ja oikealla tilanne splittauksen jälkeen, jolloin aneurysma on omana ryhmänään.

Kuva 2. DICOM –kuvista erotetaan haluttu alue määrittämällä kynnysarvo ja sen jälkeen erotetaan kynnysarvon valitsemista pikseleistä haluttu alue split –työkalun avulla.

Halutun alueen rajauksen jälkeen on hyvä ottaa mukaan valitun alueen visualisointi 3D-muodossa, jonka saa näkyviin neljänteen ikkunaan. Tällöin todennäköisesti havaitaan, että rajauksessa on vieläkin mukana sellaista tavaraa jota 3D-mallissa ei tarvita. Näistä pääsee eroon maskin muokkaustoiminnolla (Edit Mask) joka tarjoaa helpon lassotyökalun jota voi käyttää sekä 2D- että 3D-näkymässä. Helpoin tapa ylimääräisen roinan poistamiseen on katkaista lassotyökalulla poistettavien osien yhteys verisuoneen ja lopuksi määritellä grow region –komennolla ohjelma ottamaan mukaan vain ne geometriat, jotka ovat fyysisesti kiinni halutussa alueessa.

Kuva 3. 3D-visualisointi havainnollistaa tulevaa 3D-mallia ja helpottaa ylimääräisten piirteiden poistamista.

Tämä työvaihe on tärkeä ja kannattaa tehdä huolella, sillä se vähentää tarvittavaa työmäärää myöhemmissä vaiheissa. Lisäksi tässä vaiheessa on hyvä tarkastaa geometria ja katsoa onko maskissa mukana pieniä reikiä, virheitä jotka johtuvat kuvantamismenetelmästä. Sopivalla kynnysarvo –asetuksella niiden määrää voi vähentää mutta kaikista ei pääse maskausvaiheessa eroon, mutta reikien täyttö on helppoa “smart fill” –komennolla.

Seuraavaksi voidaankin luoda 3D-geometria maskin perusteella. Tähän asti ruudulla on ollut vain esitys 3D-mallista, joten varsinaisesti malli luodaan vasta tässä vaiheessa. Mallin luominen tapahtuu calculate part –komennon avulla.

3D-mallin tekemisen jälkeen malli voidaan “kääriä” eli wrapata, joka tarkoittaa nimensä mukaisesti sitä, että 3D-mllin ympärille luodaan pinta joka muodostaa jatkossa kappaleen ulkopinnan. Tällä varmistetaan se, että kappaleen sisään ei jää pieniä reikiä tai muita epämääräisiä pintarakenteita. Wrap –komennossa määritetään samalla pienin yksityiskohdan koko, joka halutaan säästää. Pienintä yksityiskohtaa rajoittaa DICOM –kuvadatan resoluutio, joten siihen ei kannata laittaa tarkempaa lukuarvoa. Wrapin jälkeen geometrian pintaa voi vielä tasoitella, sillä oikeasti verisuonen seinämä on sileä – mallissa näkyvä karkea vokselit (tilavuuspikselit) ovat kuvantamismenetelmästä johtuvia artifakteja. Yleensä lopullinen tasoitus tehdään jälkikäsittelyohjelmassa, sillä kappaleeseen saatetaan lisätä muotoja, joihin tasoitus voi vaikuttaa. Seuraavassa kuvasa näkyy 3D-mallin kolme käsittelyvaihetta mallin luomisesta tasoitukseen.

Kuva 4. Vasemmalta alkaen: 3D-malli luotu, wrapattu ja tasoitettu.

Nyt malli on ulkopintansa puolesta valmis jatkomuokkausta varten. Koska tämän AAA-mallin käyttökohde on opetuskäyttö ja siihen tullaan kiinnittämään letkuja, tulee verisuonten olla oikean kokoisia. Helpoin tapa tämän varmistamiseen on luoda sopivan paksuiset geometriat käyttäen verisuonten keskilinjaa. Mimicsissa on erinomaiset analysointityökalut jotka mahdollistavat kuvantamisdatan ja 3D-mallien analysoinnin ja mittauksen. Niiden avulla keskilinjan luominen on helppoa, sillä siihen löytyy suoraan oma “fit centerline” –komento. Komento luo valittuun rakenteeseen keskilinjan automaattisesti jonka jälkeen se on hyvä tarkastaa – riippuen mukana olevista verisuonista se voi olla hyvinkin monimutkainen rakenne, mutta koska aiemmissa vaiheissa poistettiin rönsyilevät pienet suonet on se tässä tapauksessa selkeä.

Seuraavaksi edessä on 3D-mallin siirto jatko/pintakäsittelyyn joka Materialisen ohjelmistoratkaisussa toteutetaan 3-maticilla. Malli voidaan siirtää suoraan export –valinnan kautta jolloin 3-matic käynnistyy automaattisesti ja valittu malli siirretään sinne. Jos tätä vaihtoehtoa käyttää, on hyvä huomata että keskilinja ei (syystä tai toisesta) siirry export –valintaa käyttämällä. Keskilinjan siirtämiseen on kaksi vaihtoehtoa – tallentaa koko projekti ja avata se 3-maticissa, tai se helpompi tapa: copy-paste. Jostain syystä kopiointia ei ole selvästi kerrottu ohjelman helppitiedostoissa, vaikka kyseessä on selvästi helpoin tapa siirtää tietoa kahden ohjelman välillä. Copy-paste –valikko antaa export –valikkoa laajemmat valinnat sille mitä tietoa halutaan kopioida.

Kuva 5. Vasemmalla verisuonen keskilinjan luominen, oikealla hyödyllinen copy-paste valikko joka mahdollistaa eri rakenteiden kopioimisen leikepöydän kautta.

Malli on nyt siirretty 3-Matic ohjelmaan ja vuorossa on jatkokäsittely. Siirretty malli on itseasiassa verisuonessa kuvantamisen aikana ollut veritilavuus, eli sen ympärille pitää rakentaa verisuonen seinämät. Tarvittavat muokkaukset tämän mallin osalta ovat seuraavat:

  • Varmistetaan ja muokataan ohuempien verisuonien paksuus haluttujen mittojen mukaisiksi.
  • Liitäntäpintoja varten tehdään tasaiset määrämittaiset päädyt verisuoniin
  • Pinnan lopputasoittelu
  • Rakennetaan verisuonen seinämä kolmesta kerroksesta:
    • Sisäkerros: 1mm
    • keskikerros 3 mm
    • ulkokerros 3mm

Verisuonet saadaan sopivan paksuiseksi käyttämällä circular sweep –komentoa ja keskilinjaa sitä ohjaavana polkuna. Tämän jälkeen luodaan jatko- ja leikkauspinnat polkujen päihin ja käytetään niitä leikkaamaan kappaleesta ylimääräiset pois. Käyttämällä tasopintoja (plane) jotka ovat sidottu verisuonen keskilinjaan varmistutaan siitä, että leikkauspinnoista tulee suorat keskilinjaan nähden. Lopuksi luodaan verisuonten päihin oikealla halkaisijalla olevat liitäntäpalat. Seuraavassa kuvassa näkyy kappale 3-matic ohjelmaan tuonnin jälkeen, ja liitäntäpintojen luomisen jälkeen.

Kuva 6. 3D-malli siirrettynä 3-matic ohjelmaan, verisuonten muokkaus ja liitäntäpintojen rakentaminen.

Seuraavaksi vuorossa on verisuonen seimien, eli kuorikerrosten luominen. Ensimmäisenä vuorossa on on 1 mm paksuisen sisäkuoren luominen. joka tapahtuu 3-maticissa hieman nurinkurisesti komennolla “Hollow”. Nimen ei kannata hämätä koska (loogisesti?) kaiverruksen voi tehdä myös negatiivisesti, eli ulkopinnalle. Koska kyseessä on verimassa jonka ympärille pitää rakentaa kuori, valitaan tässä tapauksessa “outside”. Tätä toistetaan keskimmäisen (3mm) ja uloimman (3mm) kuoren kanssa. Lopuksi leikataan liitäntäpintojen päät auki, sillä hollow –komento pursottaa ne umpeen luodessaan uudet kerrokset. Seuraavasa kuvassa näkyy kappaleen kolminkertainen rakenne.

Kuva 7. Vasemmalla oikealle: sisäkerros, välikerros ja ulkokerros.

Lopuksi korjaillaan yhdistely- ja leikkausoperaatiossa mahdollisesti hajonneet pintarakenteet, sillä Materialisen 3-matic on tämän osalta hyvin samankaltainen kuin muutkin pintamallinnusta tarjoavat ohjelmistot. Tietyt operaatiot kuten rakenteiden yhdistely (boolean union) ja leikkaukset saattavat “räjäyttää” mallin pinnan pieniksi sirpaleiksi mitä kummallisemmista paikoista. 3D-tulostusta varten on tärkeää, että pinnat ovat kunnossa, joten niiden yhtenäisyys (vedenpitävyys) on hyvä varmistaa mallin lopuksi. Lisäksi on hyvä huomioida, että ongelmia saattaa tapahtua myös tallennusvaiheessa, sillä STL –formaatti on tunnettu siitä että monimuotoisten pintojen kanssa pintarakenteisiin voi tulla virheitä.

Lopuksi malli tulostettiin Stratasys J735 3D-tulostimella multimateriaalitulosteena. Ensimmäinen versio tulostettiin kovista materiaaleista eri väreillä, lopullisen version uloin pinta valmistetaan joustavana agilus –materiaalina. Jos tätä lukiessa jäi mietityttämään miksi kappaleeseen rakennettiin kolme kerrosta, on syynä kaksi asiaa: pelkästään joustavasta materiaalista valmistettuna kappale ei ole kovin kestävä vaan se hajoaa helposti. Aiemmin mainitussa julkaisussa oli käytetty kerrosmaista rakennetta, josta johtuen vastaavaa ratkaisua kokeillaan tämän tulosteen osalta. Seuraavassa kuvassa näkyy valmis tuloste, jonka sisäkerroksen materiaali oli punainen läpinäkyvä, keskimmäinen sinertävä läpinäkyvä ja uloin kerros kirkas läpinäkyvä. Tulostus suoritettiin kiiltävänä (glossy), joten tukirakenteita tuli vain kappaleen alapuolelle.

Kuva 8. Kappale tulostettuna. Kerrosmainen rakenne ei näy valokuvissa kovin selvästi läpinäkyvien materiaalien käyttämisestä johtuen.

Käyttökokemuksen perusteella Materialisen Mimics ohjelmistoratkaisu on toimiva ja kätevä tapa valmistaa anatomisia mallikappaleita DICOM –datan perusteella. Ilmaisohjelmiin ja perinteisiin pintakäsittelyohjelmiin verrattuna ajansäästö tarkoitukseen räätälöidyllä ratkaisulla on huomattava.

Perustoimintojen osalta alkuun pääsee pienelläkin ajankäytöllä mutta monimutkaisempien operaatioiden toteuttaminen vaatii runsaasti perehtymistä ohjelmistojen ominaisuuksiin. Kuten monen muunkin monimutkaisemman ohjelman kanssa, vaikuttaa käyttötehokkuuteen olennaisesti paitsi käytetyn lähtötiedon (tässä tapauksessa kuvantamisdatan) laatu, myös käyttäjän kokemus/osaaminen ohjelman käyttöön. Tehokas käyttö edellyttää ohjelman säännöllistä ja jatkuvaa käyttämistä. Toisaalta ohjelman lisenssi on sen verran arvokas, että sitä on tuskin varaa hankkia jatkuvaan käyttöön, mikäli ohjelmaa ei käytetä aktiivisesti.

Ohjelmistojen osalta testausta jatketaan myöhemmin yhteistyössä Kuopion Yliopistollisen Sairaalan Mikrokirurgiakeskuksen kanssa. Samalla testataan ja vertaillaan Medvison ohjelmistoa.

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

3D-tulostuksen tilannekatsausta vuodelta 2020

Vuosi 2020 oli valmistavan teollisuuden kannalta synkkä vuosi, kun koronaviruksen rajoittamistoimenpiteet keskeyttivät niin tuotantoa kuin tavarantoimituksiakin kaikkialla maailmassa. Monissa yrityksissä myös kehittämisprojektit pistettiin jäihin ja keskityttiin lähinnä elossa pysymiseen. Tästä voisi vetää johtopäätöksen, että myös lisäävän valmistuksen / 3D-tulostuksen käyttöönotto ja leviäminen yrityksissä olisi hidastunut. Uusien laitteiden myyntiin tällä on varmasti ollut vaikutusta ja matkustusrajoitukset ovat hankaloittaneet laiteasennuksia, mutta korona on tuonut 3D-tulostukselle runsaasti uusia käyttäjiä ja käyttökohteita.

Viime vuoden tilastot saadaan vasta muutaman kuukauden kuluttua, mutta vuoden 2020 aikana järjestettyjen webinaarien sekä 3D-tulostustapahtumien perusteella 3D-tulostuksen käyttö lisääntyi erityisesti lopputuotteiden valmistamisessa. Lopputuotteiden osuus 3D-tulostuksen käyttökohteista oli vuoden 2020 alkupuolella julkaistussa Wohler’s Reportissa 31 % vuonna 2019. Lopputuotteiden osuus on kasvanut muutaman prosentin luokkaa viimeisen viiden vuoden ajan.

Kuva 1. 3D-tulosteiden käyttökohteet vuodelta 2019. Lähde: Wohler’s Report 2020.

Vielä toistaiseksi 3D-tulostuksen yhtenä heikkona puolena on ollut valmistuskustannus perinteisiin menetelmiin verrattuna, varsinkin silloin kun kyse ei ole erikoisosista tai -materiaaleista. Teollisuudessa on runsaasti osia, joiden valmistus 3D-tulostamalla on kalliimpaa kuin perinteisillä menetelmillä. Tällä ei kuitenkaan ole merkitystä tilanteessa, jossa muilla menetelmillä valmistettuja osia ei yksinkertaisesti ole saatavilla! 3D-tulostuksen avulla voidaan valmistaa “hätätapauksessa” tuotannon kannalta kriittisiä komponentteja nopeallakin varoitusajalla.

Miten vuosi 2020 sitten poikkesi ennakoidusta? Ennen koronaviruksen aiheuttamaa kaaosta viime vuoden alkupuolella ennustettiin 3D-tulostuksen kehittyvän mm. seuraavilla osa-alueilla:

  • Komposiittimateriaalien tulostus kehittyy ja lisääntyy
  • 3D-tulostukseen liittyvien ohjelmistojen kehittyminen ja 3D-tulostuksen huomiointi tuotannon hallintajärjestelmissä yleistyy
  • Jälkikäsittelyn automatisoituminen etenee
  • 3D-tulostuksen käyttö massatuotannossa on entistä lähempänä todellisuutta. Esimerkiksi metallipuolelle oli tulossa useammiltakin valmistajilta sintraukseen perustuvia järjestelmiä jotka tähtäävät teolliseen tuotantoon ja suuriin eräkokoihin.
  • 3D-tulostuksen hyödyntäminen dentaali- ja terveysalan käyttökohteissa yleistyy entisestään

Alkuvuoden aikana iskenyt koronavirus pisti moneltakin osalta ennusteet sekaisin, mutta kuten edellä mainittiin, toi se myös lisää vauhtia 3D-tulostuksen laajentumiseen. Erityisen selvästi tämä näkyi sairaalapuolen sovelluskohteissa, joista parhaimpana esimerkkinä on koronaviruksen testauksessa käytettävä koepuikot. Niiden valmistuksen osalta terveysalan toimijat ja viranomaiset saivat aikaiseksi nopealla aikataululla hyväksyntämenettelyt kuntoon ja tuotannon käyntiin.

Kuva 2. Koronaviruksen testauksessa käytettävien koepuikkojen valmistus nopeutti 3D-tulostuksen leviämistä sairaalaympäristöissä. Kuva: Formlabs User Summit 2020.

Ympäri maailmaa putkahteli pystyyn 3D-tulostusfarmeja niin sairaaloihin kuin palveluntarjoajillekin kysynnän täyttämiseksi. Myös useat kaupalliset toimijat alkoivat valmistaa terveydenhuollon käyttöön tarvikkeita. Esillä oli vuoden mittaan koepuikkojen lisäksi monia muitakin käyttökohteita, mm. hengityssuojien ja hengityskoneiden osat. 3D-tulostuksen leviämisen kannalta tässä on hyvänä puolena se, että kun koronavirus menee aikanaan ohi, on maailmassa suuri määrä tulostuskapasiteettia käytettävissä muihin käyttökohteisiin. Alan toimijoiden keskuudessa on noussut esille toiveita ja tarpeita siitä, että terveydenhuollon kriittisiä varaosia voitaisiin jatkossa valmistaa nopeallakin varoitusajalla jakamalla tarvittava tieto (3D-mallit, materiaali- ja laitevaatimukset) valmistaville tahoille. Yhtenä esimerkkinä tällaisesta on Yhdysvaltojen terveysministeriön kansallisten terveyslaitosten kokoelma NIH 3D (https://3dprint.nih.gov/), josta kuka vain pääsee lataaman 3D-malleja. Sivuilta löytyy mm. Yhdysvalloissa kliiniseen käyttöön hyväksyttyjen 3D-tulosteiden 3D-malleja.

Kuva 3. Tulostusfarmeilla tarkoitetaan useiden pienten tulostinten ryhmittämistä tuotantoyksiköihin. Kuvassa Savonian 3D-tulostuslaboratorion Ultimaker 3D-tulostimia.

Teollisuuden puolella puolestaan lukuisat yritykset ympäri maailmaa joutuivat pakon edessä 3D-tulostusmenetelmien käyttäjiksi, kun toimitusketjut eivät kyenneet toimittamaan osia normaaliin tapaan. Tämä onkin yksi vuoden 2020 tärkeimmistä huomioista – 3D-tulostus voi toimia ylimääräisenä puskurina hyvinkin monenlaisten osien valmistuksessa. Asia nousi vuoden mittaan esille lukuisissa 3D-tulostukseen liittyvissä tapahtumissa ja esityksissä.

3D-tulostus toimii erinomaisena varajärjestelynä koska valmistusprosessissa ei ole varsinaisesti merkitystä sillä, mitä osia siinä valmistetaan. Luonnollisesti osan tulostusprosessiin liittyvät asiat (orientaatio, lämpölaajenemiset, jälkikäsittelyt yms.) on huomioitava, joten osan valmistus ensimmäisiä kertoja voi olla varsinkin metalliosilla hitaampaa. Kun osa on kerran valmistettu ja testattu valmistettavaksi 3D-tulostamalla, on sitä helppo pitää “varastossa”. 3D-mallin säilyttäminen ja tarvittavien parametrien säilyttäminen tietokoneella ei kerrytä varastokustannuksia eikä hyllyyn vanhenevista osista ole pelkoa.

Lisäksi 3D-tulostus on moneen muuhun menetelmään verrattuna “vihreä” vaihtoehto – materiaalia käytetään vain siellä missä sitä tarvitaan, osa voidaan valmistaa vasta sitten kun se tarvitaan. Joissakin tapauksissa kappale voidaan jopa valmistaa lähellä lopullista käyttökohdetta missä päin maailmaa tahansa, sillä kyseessä ei ole paikkasidonnainen valmistusmenetelmä. Samalla 3D-mallilla ja tulostusparametreillä voidaan valmistaa samanlainen kappale missä päin maailmaa tahansa.

Teollisuuden olisikin syytä viimeistään tässä vaiheessa herätä 3D-tulostuksen potentiaaliin, sillä Suomi on ollut vuosia valmistusmenetelmän osalta muuta Eurooppaa jäljessä. Varsinkin metallitulostus on Suomessa ollut harvinaisempaa, mutta tilanne on viimeisen vuoden aikana parantunut huomattavasti. Tällä hetkellä metallin 3D-tulostuslaitteita löytyy sekä palveluntarjoajilta että oppilaitoksilta, joten tilanne on parantumaan päin.

Muutenkin Suomessa saatiin hyviä uutisia tähän liittyen, sillä teollisuuden innovaatioalusta DIMECC Oy käynnisti loppuvuodesta 3D-tulostukselle teollisen ekosysteemiin. FAMEn (Finnish Additive Manufacturing Ecosystem, https://fame3d.fi/ ) tavoitteena on yrityksille suunnattu ympäristö, joka tarjoaa mahdollisuuden kokeiluun, oppimiseen ja tiedon jakamiseen eri osapuolten kesken. Mukana FAMEssa on sekä 3D-tulostuspalveluja tarjoavia, että niitä hyödyntäviä yrityksiä ympäris Suomea. Nyt yrityksillä on mahdollista tutustua 3D-tulostuksen käyttöön niin oppilaitosten 3D-tulostusympäristöjen kuin FAMEn ympäristönkin kautta.

 

Antti Alonen
tki-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

Formnext 2020

Formnext on yksi maailman suurimmista ja merkittävimmistä 3D-tulostukseen painottuvista messu- ja konferenssitapahtumista. Se järjestetään normaalisti marraskuussa Frankfurtissa, ja tälläkin kertaa ajankohta osui marraskuulle, 10-12.11.2020. Globaalista koronatilanteesta johtuen tilaisuus järjestettiin virtuaalisena, josta johtuen tapahtuman luonne hieman muuttui – nimikin oli muokattu muotoon “Formnext connect”.

Kuva 1. Formnext connect –tapahtumassa osa puhujista osallistui studiosta, osa etänä. Kuva: Press photo, Mesago/Mathias Kutt

Koska kyseessä ei ollut perinteinen messutapahtuma, niin näytteilleasettajat kuin aktiiviset kävijämäärätkin jäivät aiempia vuosia pienemmiksi. Viime vuonna tapahtumassa oli 34 532 kävijää, tänä vuonna lukumääräksi jäi 8451. Näytteilleasettajina oli puolestaan 203 yritystä 2200 edustajan voimin.

Formnext on alusta saakka ollut hyvin kansainvälinen tapahtuma ja virtuaalinen muoto korosti tätä trendiä entisestään. Noin kolmasosa vierailijoista oli saksalaisia ja loput vierailijoista osallistuivat yli 100 eri maasta. Tapahtuman aikana järjestettiin 221 esitystä, tai puheenvuoroa joita seurasi noin yhteensä noin 45000 katsojaa. Esiintyjien osalta käytössä oli hybridimalli – osa esittelijöistä ja panelisteista osallistuivat tapahtumaan studiosta ja osa liittyivät mukaan lankojen yli.

Tapahtuman järjestäminen onnistui pääosin hyvin, vaikka joissakin esityksissä viiveitä ilmaantuikin. Virtuaalisen tapahtuman hyvänä puolena oli se, että valtaosa esityksistä tallennettiin ja rekisteröityneet vierailijat pääsevät katsomaan niitä vuoden loppuun saakka Formnext connect –verkkoalustan kautta. Lisäksi osa esityksistä on jaettu YouTubessa, jossa ne tavoittavat suuremmankin yleisön ja pysyvät katsottavissa pidempään.

Kuva 2. Tapahtuma järjestettiin Formnext connect –verkkoalustan kautta

Huonojakin puoli tapahtumasta toki löytyi. Virtuaaliympäristössä esitysten klikkailu jää helposti pintaliitelyksi eikä syvällisempää perehtymistä aiheisiin välttämättä tule tehtyä. Lisäksi alustan tekninen toteutus oli “saksalaisen tehokas”, sillä pelkkään Formnext- tapahtumaan rekisteröityminen ei vielä riittänyt. Useat eri toimijat järjestivät esityksiä omien osastojensa kautta, jotka puolestaan vaativat käyttäjältä erillistä rekisteröintiä. Tämä oli toki maksutonta, mutta jatkuvaan rekisteröintilomakkeiden uudelleen täyttämiseen turhautui aika nopeasti.

Kuten edellä mainittiin, esitysten määrä oli suuri – tähän blogikirjoitukseen on tiivistetty huomioita muutamista mielenkiintoisista esityksistä.

Kiina panostaa tulevaisuuteen

Kiina on maailman kolmanneksi suurin markkina-alue 3D-tulostuksessa. Maan johto on asettanut tavoitteeksi nostaa kiina 3D-tulostuksessa maailman ykköseksi vuoteen 2025 mennessä. Kyseessä on “made in china 2025” –strateginen kehitysohjelma, jossa valtio aktiivisesti kehittää ja tukee yrityksiä valmistavan teollisuuden laiteinvestoinneissa. Kiinalla on vahva halu nousta 3D-tulostuksen osalta teknologiajohtajaksi maailmassa ja se oli ilmeisesti viime vuonna jo toiseksi suurin valtio asennettujen 3D-tulostuslaitteiden määrässä. Kyseessä ei ole hetken mielijohde, vaan Kiinassa on jo useamman vuoden ajan panostettu 3D-tulostuksen kehitykseen ja leviämiseen. Tästä tulee mieleen esimerkkinä viiden vuoden takainen uutinen, jossa kerrottiin että Kiinassa asennetaan jokaiseen yli 400.000 peruskouluun 3D-tulostin kahden vuoden kuluessa.

Kiinalla on valtion tukemana proaktiivinen lähestymiskulma 3D-tulostuksen levittämiseen maan yrityksiin. Muualla maailmassa 3D-tulostukseen liittyvät investoinnit sekä niiden takaisinmaksuaika lasketaan huolellisesti ja investointeihin päädytään vasta siinä vaiheessa, kun käyttökohteet ovat tarkasti tiedossa.

Kiinassa toimitaan päinvastoin, eli valtion tukemana investoidaan siihen, että maahan saadaan laaja laitekanta käyttöön jo ennen kuin käyttökohteita on “riittävästi” tiedossa. Ilmeisesti vasta investointien jälkeen aletaan suunnittelemaan käyttökohteita ja että riittääkö asiakkaita ja tulostettavia tuotteita. Valtion tukemana tämä voi olla ihan toimivakin ratkaisu, sillä kiinassa on suuret sisäiset markkinat ja 3D-tulostuksen käyttökohteita tuntuu löytyvän sitä enemmän, mitä enemmän valmistusmenetelmän käyttö leviää.

Jos tässä vaiheessa kysyttäisiin, että miten Suomessa valtio on viimeisen 10 vuoden aikana panostanut 3D-tulostuksen leviämiseen niin vastaus voisi aiheuttaa näin kaamosaikaan masennusta, sillä Suomi on 3D-tulostuksen osalta ollut pitkään useita vuosia muun maailman kehitystä jäljessä. Yhtenä syynä tähän lienee se, ettei valmistusmenetelmän merkitystä ole vieläkään täysin ymmärretty ja toisaalta se, että ylipäätään koulutukseen suunnattujen määrärahojen määrää on pienennetty vuosi toisensa jälkeen. Onneksi Suomessakin on viimeisen parin vuoden aikana herätty tilanteeseen, ja 3D-tulostuslaitteiden määrä on kasvanut oppilaitoksissa. Tämä ei kuitenkaan vielä riitä, vaan 3D-tulostus täytyy saada osaksi perusopetusta muiden valmistusmenetelmien rinnalle.

3D-tulostus auto- ja ajoneuvoteollisuudessa

Yksi Formnextin mielenkiintoisimpia esityksiä liittyi 3D-tulostuksen hyödyntämiseen auto- ja ajoneuvoteollisuudessa, jossa 3D-tulostuksen käyttäminen yleistyy kiihtyvällä tahdilla. Esityksessä käytiin läpi alan tilannetta ja tulevaisuutta yhdessä Audin, Continentalin ja EDAG Groupin edustajan kanssa.

Volkswagen –konsernissa 3D-tulostusta käytetään jo suhteellisen laajasti mm. prototyyppien ja tuotannon työkalujen valmistuksessa ja lopputuotteiden piensarjatuotannossa. Yrityksen mukaan lopputuotteiden valmistus on jo mahdollista vaikkakaan 3D-tulostus ei ole vielä riittävän kypsä sarjatuotannon volyymitasolle – tosin tulevaisuudessa tämäkin on todennäköisesti mahdollista.

3D-tulostus alkaa siis olla valmis täydentämään muita, jo olemassa olevia valmistusmenetelmiä standardiosien valmistuksessa autoon. Autoteollisuuden näkökulmasta standardiosien sarjavalmistus on kuitenkin edelleen se tärkein ja merkittävin osa tuotantoa. Haasteena alalla on se, että markkinoiden segmentaatio ja asiakasräätälöityjen osien määrä kasvavat jatkuvasti

Tähän liittyy myös yksi 3D-tulostuksen mahdollisuuksista – tarpeeseen täyttää todellisia, käsin kosketeltavia asiakastoiveita ja valmistaa asiakasräätälöityjä tuotteita. Asiakasräätälöityjen osien kohdalla on kuitenkin aina kysyttävä, että ovatko ihmiset valmiit maksamaan siitä enemmän – tämä riippuu yleensä siitä mitä lisäarvoa tuotteeseen on sillä saatu.

Yleisesti ottaen ihmiset eivät ole valmiita maksamaan merkittävää ylihintaa siitä, että kappale on asiakasräätälöity tai että se on valmistettu 3D-tulostamalla. He voivat olla valmiita maksamaan siitä pientä lisähintaa, mutta tällä on rajansa. Jotta lopputuotteiden valmistuskustannus saadaan pidettyä kurissa, täytyy hallita koko valmistusprosessi, ei pelkkää 3D-tulostusta.

Esimerkkejä suuresta asiakasräätälöidystä hyödystä löytyy esimerkiksi medikaalipuolelta (mm. potilaskohtaiset implantit, jne.) joissa yksilöllisyydestä/asiakasräätälöidyistä ominaisuuksista saadaan merkittävä hyöty. Tämä ja ylipäätään asiakaskohtaiset, ergonomiaan keskittyvät räätälöinnit ovat todennäköisesti korkeinta mahdollista hyötyä, mitä asiakasräätälöinnissä on mahdollista saada aikaan. Kun palvelulla saavutetaan nopeampi parantumisaika, lyhyempi sairaala-aika tai vaikkapa implantin pidempi elinikä, on suurempi hinta helposti perusteltua.

Valmistavan teollisuuden puolella on olemassa runsaasti esimerkkejä 3D-tulostetuista asioista, jotka ovat upeita ja näyttäviä luomuksia mutta kuitenkin valmistuskustannuksiltaan aivan liian kalliita, jotta niille olisi markkinoita. Siemens on esimerkiksi tutkinut 3D-tulostettujen kypärien osalta asiakasräätälöintiä ja havainnut miten hankalaa ja työlästä on saada koko prosessi kustannustehokkaaseen kuntoon. Ihmiset eivät ole valmiita maksamaan asiakasräätälöidystä kypärästä 2-3 kertaa normaalia enempää.

Muita esille nousseita esimerkkejä mahdollisista räätälöintikohteista olisi esimerkiksi kenkien/kengänpohjien valmistuksessa räätälöinti ja kohdennus jonkun tietyn urheilulajin tarpeisiin. Autojen osalla tätä olisi esimerkiksi erilaisiin ilmasto-olosuhteisiin räätälöinti (tropiikki, arktiset olosuhteet yms.) – sitä kautta asiakas saisi todellista hyötyä räätälöinnistä ja olisi siten todennäköisesti valmis myös maksamaan siitä enemmän, kuin jos kyseessä olisi vain “hieno” juttu ilman todellista hyötyä.

Sähköautojen yleistyessä yksi potentiaalisista suurimmista käyttökohteista 3D-tulostukselle on sähkömoottorien osien 3D-tulostus. Tästä on jo ilmeisesti lupaavia tuloksia, ja seuraava askel vie käyttökohteen jo volyymituotannon puolelle.

Tuoteuutuksia

Yrityksillä oli näilläkin Formnext –messuilla esillä tuoteuutuuksia, joskin osa niistä oli julkaistu jo vuoden aikana muuallakin. Tässsä on esitelty niistä kaksi.

SLM julkaisi messuilla uuden sukupolven metallitulostimen. Laite on merkiltään SLM NXG XII ja nimensä mukaisesti siinä on 12 kpl 1000W laseria. Tulostustilavuus laitteessa on 600x600x600 mm, joten sen suhteen ei merkittävää kasvua tapahtunut. Ominaisuuksien perusteella laite on ainakin teoriassa tällä hetkellä markkinoiden nopein metallitulostin. Laitteeseen on lisätty myös muuta tuotantotehokkuutta parantavaa automaatiota, mm. jauheenpoistoasema, tulostusalustan vaihto ja esilämmitys.

Linkki laitteen lisätietoihin: SLM NXG XII 600 (slm-pushing-the-limits.com)

Kuva 3. SLM NGX XII 600 on SLM Solutionsin uusi lippulaivamalli. Lähde: SLM Solutions

Stratasys toi markkinoille alkuvuoden aikana uuden J-sarjan polyjet –tulostimen. Laite on merkiltään Stratasys J55 ja kyseessä on pienempi ja edullisempi versio J735/J750/J850 3D-tulostimista. Tulostusalueen koko on 140 x 200 x 190 mm. Pienemmästä koosta huolimatta kyseessä on moniväri- ja multimateriaalitulostin, jolla pystyy tulostamaan 5 eri materiaalia ja yli 500.000 väriä. Vaikka tekniikka perustuu edelleen materiaalin ruiskutukseen, poikkeaa laite selvästi muista J-sarjan laitteista. Suurimpana teknisenä erona on se, että laitteessa tulostus tapahtuu pyörivän tulostusalustan päälle.

Kuva 4. Stratasys puolestaan esitteli uutta J55 3D-tulostintaan. Lähde: Stratasys

Muutamia eri esityksistä poimittuja huomioita:

  • Euroopan patenttiviraston tutkimuksen mukaan valtaosa 3D-tulostukseen liittyvistä patenteista haetaan Yhdysvalloissa jonka jälkeen perässä seuraa Saksa. Muut osallistujamaat ovat tilastoissa kaukana näiden takana.
  • Siemensillä on ympäri maailmaa 3D-tulostuskeskuksia (digital warehouses  -tulostetaan varaosia siellä missä niitä tarvitaan). Tähän liittyvät sovellukset ja toimintamallit tulevat olemaan kysyttyjä jatkossa. Jotta “on demand” -valmistus on mahdollista, tarvitaan ohjelmisto/platform joka tukee tämäntapaista toimintaa.
  • Jatkossa valmistavan teollisuuden 3D-tulostusprosessit integroituvat niin, että suuret tulostuskoneet automaattisesti putsaavat osat vähentäen jälkikäsittelyihin kuluvaa manuaalityötä. Tämän tyyppisten automaattisten 3D-tulostustehtaiden sijainti ei ole enää niin kriittistä, koska työvoimantarve on vähäistä – ne voidaan sijoittaa maailmalla melkein minne vain.
  • Sähkömoottorien komponentit tulevat sähköautojen valmistusmäärien lisääntymisen myötä olemaan yksi suuren voluumin käyttökohteista 3D-tulostukselle.

Linkkejä joihinkin YouTubesta löytyviin Formnext connect 2020 –esityksiin:

Antti Alonen
tki-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

Formlabs User Summit 2020

Koronakriisistä johtuen iso osa vuoden 2020 tapahtumista joko peruuntui tai siirtyi virtuaalimaailman puolelle. Formlabs User Summit oli yksi tapahtumista, joka peruuntumisen sijaan järjestettiin verkkototeutuksena.

Formlabs (https://formlabs.com/) toi vuonna 2012 markkinoille nesteen fotopolymerisointiin (valokovetukseen altaassa) perustuvat 3D-tulostimet kuluttajatason laitteiden hintaluokassa. Pääosa yrityksen 3D-tulostimista sijoittuu alle 5000 euron hintaluokkaan ja vasta viime aikoina markkinoille tulleet ja tulossa olevat uutuudet ovat tätä kalliimpia. Tähän mennessä yritys on toimittanut yli 70.000 3D-tulostinta ja sillä on vahva asema markkinoilla. Yrityksen mukaan 30% sen asiakkaista on terveysalalta, 30% opetuksen ja taiteiden puolelta ja loput teknisiltä aloilta. Käyttökohteista puolestaan kaksi kolmasosaa liittyy prototyyppeihin ja yksi kolmasosa osien valmistukseen. Formlabs User Summit on yritykselle tärkeä tapahtuma, jonka kautta se saa käyttäjiltä palautetta toiminnastaan ja laitteistaan.

Tapahtuma järjestettiin 27-28.10.2020 verkkoalustalla, joka oli pilkottu eri osa-alueisiin normaalien konferenssien tapaan. Tapahtuman vierailijoille oli tarjolla esitelmiä ja puheenvuoroja (Keynotes & User Talks), tuote-esittelyjä (Product Booths), Formlabsin teknisiä esitelmiä (Formlabs University), workshoppeja ja keskustelualueita. Esitelmät ja puheenvuorot tallennettiin ja tapahtuman verkkoalustaa pidetään auki ilmeisesti koko loppuvuoden ajan. Mikäli itse tapahtuman aikaan oli kiireitä eikä päässyt kaikkia esitelmiä tai puheenvuoroja seuraamaan, on siihen vielä hyvin aikaa.

Tämä onkin yksi virtuaaliseminaarien parhaista puolista. Valtaosassa suurista tapahtumista esitelmiä tapahtuu useissa eri tiloissa samanaikaisesti, mikä väistämättä tarkoittaa sitä, että osallistuja joutuu tekemään kompromisseja. Virtuaalialustalla tämä ei ole niinkään ongelma, kun esityksiä pääsee katsomaan myös jälkikäteen. Aivan täydellinen ratkaisu tämäkään ei luonnollisesti ole, koska jälkikäteen seuratessa esittäjät eivät ole enää paikalla, joten kysymysten esittäminen täytyy hoitaa muulla tavoin.

Koska kyseessä oli tuhansia käyttäjiä koskeva tapahtuma, olivat vierailijoiden mikrofonit luonnollisestikin poistettuna käytöstä. Kysymykset esitettiin keskustelu-ikkunoiden kautta – jokaiseen esitykseen oli oma keskustelu-ikkunansa.

Tapahtumassa oli 50 esitystä, 80 puhujaa sekä tuhansia osanottajia yli 100 eri maasta. Kahden päivän aikana tämä tarkoitti yli 32 tuntia esityksiä ja puheenvuoroja. Luonnollisesti näin suuren verkkotapahtuman järjestäminen samanaikaisesti kolmen eri maanosan (yhdysvallat, emea, apac) yleisölle vaati järjestävältä taholta runsaasti henkilökuntaa. Esimerkiksi tärkeimmät keynotet esitettiin nauhoituksina uudelleen, kun eri maanosien osallistujia paremmin palvelevina aikoina.

Kaiken kaikkiaan tapahtuman järjestäminen onnistui hyvin, ja niin käyttäjät kuin järjestäjätkin tuntuivat olevan tyytyväisiä sekä verkkoalustan toimintaan, että tapahtuman sisältöön. Useat esittelijät tosin harmittelivat perinteisen fyysisen tapahtuman siirtymistä verkkoon, sillä virtuaalitapahtumissa verkottuminen ei ole vielä aivan yhtä luontevaa kuin normaaleissa tapahtumissa. Pääpuheenvuorojen aiheet käsittelivät sekä Formlabsin uutuuksien esittelyn lisäksi mm. 3D-tulostuksen tilaa ja potentiaalia Afrikassa ja kehittyvissä maissa. Lisäksi tapahtumassa oli runsaasti esityksiä 3D-tulostuksen käytöstä terveydenhuollon käyttökohteissa.

Kuva 1. Vasemmalla kuva tapahtuman verkkoalustasta, oikealla Formlabsin laitteiden käyttäjäryhmiä ja käyttökohteita.

Tapahtuma lähti käyntiin “3D Printing for Development in Africa” puheenvuorolla, jossa South Africa Makes (https://www.southafricamakes.co.za/)  –yrityksen perustajat kertoivat näkemyksiään siitä miten 3D-tulostuksen vallankumous etenee Afrikan mantereella. Yritys tarjoaa 3D-tulostuspalveluja ilmeisesti pääosin terveysalalle ja tutkimukseen sillä perustajat ovat kumpikin lääkäreitä.

Afrikka on 1,2 miljardin ihmisen kansoittama maanosa, jonka väestö on nuorinta maailmassa – lähes 60% väestöstä on alle 25 vuotiaita. Näistä 150-200 miljoonaa on 15-25 vuotiaita eli Afrikassa on nuorisoa enemmän kuin Euroopassa asukkaita. Työmarkkinoille on astunut tai astumassa suuri määrä ihmisiä, joiden on mahdollista hyödyntää 3D-tulostusta jollain tavalla. 3D-tulostuksen hyödyntäminen edellyttää kriittistä ajattelua, luovuutta ja teknisiä kykyjä. Nämä ovat asioita, joiden sisäistäminen onnistuu helpommin nuorisolle jolla ei ole takana pitkää työuraa perinteisillä valmistusmenetelmillä.

Mielenkiintoisena huomiona nostettiin esiin se, että 3D-tulostuksen käyttöönotto kehittyvissä maissa voisi olla jopa nopeampaa kuin länsimaissa, sillä teollistumisen ja olemassa olevan infran määrä on vähäisempää. Tämä voi hyvinkin pitää paikkansa, sillä yksi 3D-tulostuksen käyttöönottoa hidastavista asioista länsimaissa on teollisuuteen juurtuneet käsitykset siitä, miten valmistuksen tulisi tapahtua ja olemassa oleva infra/laitekanta, josta halutaan luonnollisesti kaikki hyöty irti.

Esityksessä nousi esille mm. seuraavia huomioita:

  • Tällä hetkellä n. 17-18% kehitysapuna suunnatusta rahasta kuluu logistiikkaan ja tavaroiden siirtelyyn paikasta toiseen. Mikäli osa tästä rahasta suunnattaisiin 3D-tulostuskapasiteetin ylös nostamiseen, olisivat kerrannaisvaikutukset huomattavasti nykyistä hyödyllisemmät ja jatkuisivat pitkälle tulevaisuuteen. Ajatus ei sinänsä ole uusi, sillä jo vanhassa kiinalaisessa sananlaskussa todetaan: “Give a man a fish, and you’ll feed him for a day. Teach a man to fish, and you’ve fed him for a lifetime”. 3D-tulostus on huomattavasti monipuolisempi ja monikäyttöisempi kuin perinteiset valmistusmenetelmät joten siihen investoimalla olisi mahdollista vaikuttaa useisiin eri toimialoihin.
  • Esittäjän mukaan valtaosa (jopa 95%) kaikista lääketieteellisistä laitteista joita Afrikassa käyetään on tuote sinne muualta maailmasta. Tämä ei johdu siitä, että maanosasta ei löytyisi kykyä valmistaa laitteita vaan mm. valtioiden hankintapolitiikasta. Pääosa hankintakriteereistä painottaa hintaa, eikä paikallisen valmistuksen merkitystä juurikaan huomioida. 3D-tulostuksen avulla osa laitteista ja tarvikkeista voitaisiin valmistaa paikallisesti.
  • 3D-tulostuksen käyttäminen terveydenhuollon piiriin on haastavaa myös Afrikassa. Muutosvastarintaa sekä syvään juurtuneita käsityksiä siitä miten asiat pitäisi valmistaa löytyy sieltä samalla tavalla kuin länsimaissakin. Tämä on myös yksi syistä, jonka takia yritys on kuulemma perustettu – jotta valaistaan päätöksentekijöitä ja käyttäjiä siitä mitä 3D-tulostus oikeasti mahdollistaa.

3D-tulostetut koepuikot – maailman eniten tulostettu kappale?

Tapahtuman useissa esityksissä nousi esille vuoden 2020 kannalta hyvin ajankohtainen ja vaikuttava käyttökohde Formlabsin tulostimille – koronaviruksen testauksessa käytettävät koepuikot. Käyttökohteen kehittäjät Formlabsin laitteille palkittiin myös Formlabsin “The Impact Award” –palkinnolla.

Kehittäjät tapasivat toisensa Formlabsin viime vuoden tapahtumassa ja miettivät että voisivat tehdä johonkin terveysalan käyttökohteeseen liittyen yhteistyötä. Tämän vuoden puolella kehittäjät pohtivat miten 3D-tulostusta voisi hyödyntää koronaviruksen torjunnassa ja siinä yhteydessä havaitsivat, että koepuikot voisivat olla sopiva käyttökohde. 3D-tulostus osoittautui tarkoitukseen hyvin sopivaksi valmistusmenetelmäksi eikä tulostamalla valmistettujen koepuikkojen toiminnassa havaittu merkittäviä eroja perinteisesti valmistettuihin verrattuna.

Koska kyseessä on terveysalan käyttökohde, vaati se runsaasti työtä niin suunnitteluun kuin hyväksyntämenettelyihin liittyen. Koepuikko on pitkä ja kapea kappale, joten niitä mahtuu yhteen tulostusajoon useampia samalla kertaa – maksimimäärä riippuu luonnollisesti tulostusalueen koosta. Esimerkiksi Form 3 –tulostimeen ja pesuriin koepuikkoja mahtuu yhdessä ajossa 256 kpl kerrallaan. Koska Formlabsin laitteisiin oli jo ennestäänkin saatavilla medikaalihyväksyttyä materiaalia, saatiin hyväksynnät hoidettua noin kolmessa viikossa. Prosessia varmasti helpotti myös se, että Formlabsin puolelta oli auttamassa viranomaismääräyksiin perehtynyt asiantuntijatiimi.  

Kuva 2. Formlabsin laitteista koostettu 3D-tulostusfarmi, jossa valmistetaan koepuikkoja. Vasemmalla tulostimet, oikealla pesurit.

3D-tulostettuja koepuikkoja on valmistettu tähän mennessä kymmeniä miljoonia kappaleita yli 25 maassa, joten kyseessä on yksi maailman eniten tulostetuista kappaleista jo tälläkin hetkellä. Käyttökohteen löytymisen jälkeen sairaaloissa ympäri maailmaa on perustettu 3D-tulostusfarmeja Formlabsin laitteista, sillä yrityksen laitteet vaativat suhteellisen pienen alkuinvestoinnin teollisiin järjestelmiin verrattuna. Tulostusfarmien avulla terveysalan toimijat voivat valmistaa jopa kymmeniä tuhansia koepuikkoja päivässä. Esimerkiksi Singaporessa Eye-2-Eye yritys valmistaa 30.000 koepuikkoa päivässä. Lisätietoja: https://formlabs.com/eu/blog/singapore-swabs/

Formlabs ei ole ainoa laitevalmistaja jonka laitteilla koepuikkoja valmistetaan, sillä myös kilpailijat (mm. Carbon3D, HP, Desktop Metal) ovat olleet asiassa hereillä. 3D-tulostettavista koepuikoista on kehitetty eri laitevalmistajan laitteille optimoituja versioita. On myös hyvä muistaa, että kun koronavirus jossain vaiheessa menee ohi niin tulostusfarmit eivät suinkaan ole käyttöikänsä päässä. Sopivia käyttökohteita 3D-tulostukselle löytyy myös perustoiminnasta, joten on oletettavissa, että tämänkaltaiset tulostusfarmit ovat jatkossa arkipäivää. Toivottavasti myös Suomessa herätään terveysalan puolella 3D-tulostuksen mahdollisuuksiin.

Aiheesta löytyy lisää tietoa Formlabsin sivuilta osoitteesta: https://formlabs.com/covid-19-response/

Tuoteuutuuksia

Formlabs jatkaa edelleen pienten 3D-tulostuslaitteiden valmistusta eikä sillä ole aikomustakaan siirtyä suurempien teollisuuslaitteiden valmistajaksi. Yritys näkee, että 3D-tulostuksen käyttämiseen teollisena valmistusmenetelmänä soveltuisi samankaltainen modulaarinen lähestymistapa, kuin mitä suurten tietokoneserverien ja keskusten kanssa käytetään. Kokonaisuus muodostuisi useista rinnakkain toimivista pienemmistä yksiköistä jotka yhdessä muodostavat suuremman kokonaisuuden.

Kuva 3. Formlabsin näkemys 3D-tulostuksen teollisesta valmistuksesta.

Esimerkiksi 3D-tulostustehtaan laitteisto muodostuisi useista rinnakkain toimivista pienistä 3D-tulostimista, jolloin järjestelmä on helposti skaalattavissa, toimintavarmuus kasvaa ja kulut pysyvät pieninä. Tämänkaltaista ajattelumallia on 3D-tulostuksen osalta pohdittu jo vuosia, ja maailmalta löytyykin ennestään runsaasti “3D-tulostusfarmeja”. Pääosin niissä on käytössä materiaalin pursotukseen perustuvia 3D-tulostimia, mutta nesteen fotopolymerisointiin perustuvat laitteet lisääntyvät kovaa vauhtia. Muutama Formlabsin kilpailija (mm. 3Dsystems, Carbon3D) tarjoaa jo nykyisinkin automatisoituja järjestelmiä jotka muodostuvat useista nesteen fotopolymerisointiin perustuvista laitteista ja niitä syöttävistä/purkavista roboteista.

Formlabsin laitteisiin perustuvia 3D-tulostusfarmeja on tämän vuoden aikana noussut runsaasti mm. edellä mainittujen testipuikkojen valmistukseen, mutta teollisesta näkökulmasta automaatioaste on niissä lähes olematon.

Formlabsin uutuuksia esiteltiin luonnollisesti ahkerasti useiden esittäjien voimin niin yleistasolla kuin erilaisissa workshopeissakin. Yritys on tuonut markkinoille muutamia uusia materiaaleja, mm. uusi draft-materiaali prototyyppien nopeaan tulostukseen sekä  “Rigid10K”, jossa on aiempaa paremmat materiaaliominaisuudet lämmönkestossa ja tulostuksessa. Rigid10K soveltuu hyvin mm. ruiskuvalumuottien (lyhyet sarjat) valmistukseen.

Laitepuolella uutuudet ovat Form 3L, Form 3B ja Formlabs Fuse 1. Form3B on näistä uutuuksista vanhin ja julkaistiin itse asiassa jo viime vuoden puolella. Kyseessä on medikaalihyväksytty versio Form3 laitteesta ja se on suunnattu terveys- ja dentaalialan tarpeisiin. Form 3L on Formlabsin suuremman kokoluokan 3D-tulostin. Tulostusalueen koko laitteessa on 335 x 200 x 300 mm, joka on selvästi Form2 laitetta suurempi. Hintatasoltaan laite on edelleen suhteellisen edullinen ja se toimii samalla tavalla ja samalla ohjelmalla kuin pienemmätkin laitteet. Suomessa Formlabs –laitteiden jälleenmyyjä on Maker3D (https://www.3d-tulostus.fi) ja Form3L –tulostimen arvonlisäverollinen hinta on hieman alle 14000 €. Form3L -tulostimien toimitukset on aloitettu asiakkaille mutta suuremman kokoluokan pesuri ja kovetin julkaistaan ensi vuoden puolessa välissä.

Kuva 4. Form3L on vihdoin siinä vaiheessa että laitteita toimitetaan asiakkaille. Oikealla vertailua uusien ja vanhojen 3D-tulostusmateriaalien ominaisuuksien välillä.

Formlabs Fuse 1 on vihdoin tullut myyntiin.Formlabs ilmoitti jo jokunen vuosi sitten, että se aikoo tulla mukaan jauhepetitekniikkaan (SLS, Selective Laser Sintering) perustuvien laitteiden markkinoille samalla periaatteella mitä se käytti nestepuolellakin. Kun jauhepetitekniikkaan perustuvien laitteiden maailmanlaajuiset vuosittaiset myyntimäärät ovat n. 2000 uutta laitetta vuodessa, aikoo uusi yritys myydä monta kertaa tuon määrän parin seuraavan vuoden aikana.

Kuva 5. Formlabsin Fuse 1 on odotettu uutuus SLS-tulostinten markkinoille.

Yritys on siis tuomassa markkinoille edullisen jauhepetitulostimen jonka laatu vastaa teollisia järjestelmiä. Hintaluokaltaan laite sijoittunee suomessa noin 20-30000 euron luokkaan, sillä se vaatii tulostimen lisäksi erillisen seulontayksikön. Laitetta onkin odotettu markkinoille pitkään ja hartaasti mutta toimitus on venynyt vuosi vuodelta kauemmaksi. Tästä johtuen kilpailijat ehtivät markkinoille jo aiemmin (mm. Sinterit, Sintratec) saman hintaluokan laitteilla. Yritys on perustellut viiveitä sillä, että se ei halua tuoda keskeneräistä tuotetta markkinoille vaan varmistaa ensin, että laite toimii vakaasti. Tämä on itseasiassa 3D-tulostuslaitteiden markkinoille aika harvinaista – monet valmistajat, joukossa alan suuriakin toimijoita, tuovat markkinoille vielä hieman keskeneräisiä laitteita ja parantavat niitä ajan saatossa enemmän tai vähemmän menestyksekkäästi. Käyttäjän näkökulmasta viive markkinoille saapumisessa on kuitenkin suoraan pois tuskailusta laitteen ongelmien kanssa, joten tämäntapainen toiminta on suorastaan kiitettävää.

Fusen tulostusalue on 165x165x320 mm ja materiaalina on muiden valmistajien tapaan aluksi PA12 maksimissaan 70% kierrätysasteella. Laitteessa vaikuttaisi olevan huomioitu useita teollisen puolen tarpeita, mm. irrotettava tulostuskammio sekä erillinen seulontayksikkö. Tämä mahdollistaa valmistettujen kappaleiden hallitun ja hitaan jäähdyttämiseen erillään tulostimesta maksimoiden samalla tulostimen potentiaalisen käyttöasteen.

Yritys on jo aloittanut laitteiden toimittamisen Yhdysvalloissa, Euroopan osalta tilausten toimitukset alkavat ensi vuoden alussa. Materiaali- ja laiteuutuuksien lisäksi Formlabs on tuonut 3D-tulostimissaan käyttämäänsä PreForm –ohjelmistoon uusia mielenkiintoisia ominaisuuksia. Tällaisia ovat mm. adaptiivinen kerroskorkeuden säätö tulostusnopeuden optimoimiseksi sekä entistä älykkäämmät tukirakenteet joiden poistaminen on entistä helpompaa. Adaptiivisessa kerroskorkeuden säädössä käytetään korkeampaa kerroskorkeutta silloin kun kappaleessa on suoria piirteitä ja tarkempaa kerroskorkeutta, kun vuorossa on kaarevia pintoja. Tulosteen laadussa eroa ei ilmeisesti juuri huomaa. Kappaleesta riippuen tällä voi kuitenkin olla suuri vaikutus tulostusnopeuteen.

Kuva 6. PreFormissa on uusia hyödyllisiä ominaisuuksia, joskin ne ovat vielä beta-vaiheessa.

Entistä älykkäämpi tukirakenteiden luominen optimoi tukirakenteiden paksuuksia, sijoituksia ja kiinnitystä kappaleeseen siten että se on helpompi irrottaa tukirakenteista. Esimerkkikappaleiden perusteella tietyn tyyppisille geometrioille kyseessä voi olla hyvinkin näppärä ominaisuus. Tähänkin saakka PreFormin tukirakenteiden automaattinen luonti on ollut suhteellisen vaivatonta kilpaileviin ohjelmistoihin verrattuna.

Antti Alonen
tki-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

UPM Formi: Biokomposiittigranulaatista 3D-tulostusfilamentiksi – värjäys ja mekaaninen suorituskyky

Pursottavissa ja jauhepetimenetelmään perustuvissa 3D-tulostimissa voidaan käyttää perinteisten muovien lisäksi komposiittimateriaaleja, eli muovin sekä kuitujen tai jauheen yhdistelmää. Markkinoilla onkin saatavilla muovimateriaaleja, joihin on yhdistetty esimerkiksi metallihiukkasia tai puu-, hiili-, kevlar- tai lasikuituja. Ekologisesta näkökulmasta biokomposiitit eli biopohjaisia kuituja hyödyntävät komposiittimateriaalit ovat tärkeä tutkimuksen ala. Kun muovimatriisina vielä käytetään biopohjaista PLA-muovia, on lopullinen tuote varsin ympäristöystävällinen verrattuna moniin muihin lämpömuovattaviin muoveihin.

Puukuitujen hyödyntäminen on mielekästä myös taloudellisesti, sillä puuteollisuuden ”nollakuidut” voidaan hyödyntää uudella tavalla, kun siitä tuotetaan raaka-ainetta 3D-tulostukseen. Kuitujen lisäys osaksi 3D-tulostusmateriaaleja vaikuttaa kuitenkin merkittävästi materiaalin ominaisuuksiin, sillä toistaiseksi biokomposiittien mekaaniset ominaisuudet jäävät perinteisten muovilaatujen jalkoihin. On kuitenkin huomioitava, että biokomposiittien kilpailuedut löytyvät muista ominaisuuksista. Ne ovat sekä edullisia että keveitä, ja puukuidun lisäys muovimatriisiin antaa sille todellisen puun tuntua ja visuaalisuutta, jolloin niitä voidaan käyttää sekä muovi- että puumateriaaleja korvaavina tuotteina sellaisissa kohteissa, joissa materiaalin mekaaniset ominaisuudet eivät ole ratkaiseva tekijä. Tässä kirjoituksessa perehdymme UPM Formi-biokomposiittien ominaisuuksiin sekä käsittelyyn.

Kuitumateriaalien 3D-tulostamiseen on olemassa myös ”continuous fiber”-3D-tulostusmenetelmä, jossa tulostuksen aikana kappaleeseen syötetään yhtenäistä kuitumateriaalia jatkuvana syöttönä. Tavallisissa komposiittiseoksissa <0,25 mm kokoluokan kuidut ovat jakautuneena tasaisesti materiaaliin, sillä liian suurilla kuiduilla ja partikkeleilla on taipumus aiheuttaa tukoksia suutinpäässä. Jatkuvatoimisella teknisen kuidun lisäysmenetelmällä tuotetut kappaleet ovat erittäin kestäviä; muoviset kappaleet voivat vastata mekaanisilta ominaisuuksiltaan jopa keveitä metalleja. Samaa ei voi sanoa perinteisistä kuitukomposiiteista, sillä kuidut voivat vaikuttaa heikentävästi mm. kerrosten kiinnittymiseen toisiinsa. Jatkuvatoiminen kuidun lisäys tulostuksen aikana vaatii kuitenkin 3D-tulostimen, joka on räätälöity tälle menetelmälle. Kuitukomposiittimateriaaleja puolestaan voivat tulostaa kaikki jauhepeti- ja materiaalia pursottavat tulostimet.

UPM Formi-granulaatti on UPM Biocomposites–yhtiön valmistamaa selluloosa-muovikomposiittimateriaalia, joka on tarkoitettu valu- ja ekstruusiotuotantoon. Valmiissa granulaatissa on 20 % tai 40 % selluloosaa, (tästä eteenpäin materiaaleihin viitataan nimillä UPM 20 ja UPM 40), lopun aineesta ollessa väritöntä PLA-muovia (kuvassa 1 vasemmalla). Näin ollen komposiittimateriaali on perinteisiä muoveja ekologisempaa, ja se voidaan sekä kierrättää että polttaa energiaksi jätteenpolttolaitoksessa. Tuoreen materiaalin väri on lähellä beigeä. Materiaalille on ominaista se, että sitä voi tummentaa mm. nostamalla prosessoinnin tai 3D-tulostuksen aikaista lämpötilaa tai jälkikäsittelemällä kappale 3D-tulostuksen jälkeen. 3D-filamentti voidaan myös värjätä lisäämällä granulaatin sekaan värillistä PLA-muovia tai muita värjääviä aineita filamentin valmistusvaiheessa. tarkempia tietoja tuotteesta on löydettävissä osoitteesta https://www.upmformi.com/.

Kuva 1. Kuvassa vasemmalla UPM40 -granulaattia, keskellä 3DEVO Composer 450 filamentin valmistuslaitteisto ja oikealla pinnanlaadultaan karkeaksi jäänyttä Formi -filamenttia.

UPM Formi-filamenttien valmistus ja värjäys

UPM:n valmistamia biokomposiitteja on saatavilla sekä valmiina filamenttinä että granulaattimuotoisena. Granulaattimuotoista materiaalia käytetään yleensä suuremman mittaluokan 3D-tulostinten tai robotisoitujen 3D-tulostuspäiden kanssa kun materiaalien syöttönopeus on suuri. Yleistason “pöytäkokoluokan” laitteissa puolestaan käytetään filamentteja, jolloin vaihtoehtona on joko materiaalin ostaminen filamenttina (jos sitä on saatavilla) tai granulaatin muuttaminen filamentiksi.

Materiaalia ei ole saatavilla värjättynä, jolloin värimaailman laajentaminen vaatii myös toimenpiteitä tuotteen käyttäjältä. Tässä osiossa perehdytään UPM Formi-granulaateista valmistettujen filamenttien valmistamiseen sekä värjäämiseen.

Tutkimuksessa käytettiin UPM 20 ja UPM 40 granulaatteja. Filamentit tuotettiin 3DEVO Composer 450 Filament Maker-laitteella. Lämpötila-asetukset neljälle lämpötilavyöhykkeelle olivat 190/195/185/180 °C, ja ruuvin nopeudeksi säädettiin 5 kierrosta minuutissa. Filamentin värjäystä testattiin yksinkertaisesti UPM 40 granulaatilla ja PLA-tulostusjätteellä. Tulostuslaboratorioon kerääntynyttä harmaata tulostusjätettä rouhittiin SHR3D IT-silppurilla (valmistaja: 3devo), ja silppua lisättiin granulaatin sekaan noin 50–50 % massasuhteessa. Seos syötettiin filamentinvalmistuslaitteeseen, jossa käytettiin aiemmin mainittuja lämpötila- ja nopeussäätöjä.

Filamentin valmistaminen UPM:n granulaateista alkoi haasteilla. Biokomposiitit osoittautuivat materiaaleiksi, jotka eivät kuumennettuna siedä vetoa juuri lainkaan. Filamentinvalmistuslaitteessa olevan suutinpään halkaisija on tehdasasenteisena 4,00 mm, mikä mahdollistaa sekä 2,85 mm, että 1,75 mm standardifilamenttien valmistamisen. Koska testeissä käytettäviin 3D-tulostimiin sopii vain 1,75 mm filamentti, on materiaalia vedettävä suhteellisen rajusti, jotta oikea paksuus voidaan saavuttaa. Ero 4,00 mm alkupaksuuden ja 1,75 mm tavoitepaksuuden välillä oli liian suuri, eikä filamentti pysynyt ehjänä sitä vedettäessä. Siinä missä laitteesta saapuva perinteinen muovi venyy sitä vedettäessä, komposiittimateriaalilla on taipumus revetä. Tämä johtuu siitä, ettei kuitujen ja muovimatriisin välille synny kokonaisuutta koossa pitäviä vuorovaikutuksia. Tätä ongelmaa ei kyetty ratkaisemaan mm. pursotus- ja vetonopeutta säätämällä. Tilanne ratkaistiin koneistamalla laitteeseen uusi 2,00 mm halkaisijan pursotuspää.

Kuva 2. Pinnaltaan hieman epätasaista UPM Formi -filamenttia

Filamentin tuottaminen onnistui pursotuspään vaihdon jälkeen pääasiassa hyvin. UPM 20 muuntui filamentiksi ilman suurempia ongelmia. UPM 40 % oli yksin liian kuitupitoista filamentin tuotantoa varten, joka näkyi repeilynä ja hilseilynä sitä vedettäessä sekä filamentin katkeamisherkkyytenä sitä käsiteltäessä. Testin aikana ei onnistuttu valmistamaan suurta määrää tulostettavaa UPM 40 filamenttia, edes parametreja säätämällä. Filamentin laatuun vaikuttava lämpötila haluttiin pitää filamentin valmistuksessa mahdollisimman alhaisena materiaalin lämpöhajoamisen minimoimiseksi. Liian alhainen lämpötila johti kuitenkin herkästi filamentin hilseilyyn (kuva 2) ja pinnan rosoisuuteen, kaupallisen puukuitufilamentin ollessa pinnaltaan huomattavasti sileämpää.

Testattujen filamenttipätkien pinnan epätasaisuudella ei kuitenkaan havaittu vaikutusta 3D-tulostettavuuteen tai tulostettujen kappaleiden laatuun, jolloin haitta jäi kosmeettiseksi. UPM 40-granulaatista saatiin valmistettua hyvin toimivaa materiaalia, kun sitä sekoitettiin puhtaan PLA-muovin kanssa 50–50 % massasuhteessa.

Värjätyn filamentin valmistaminen onnistui pääasiassa ongelmitta. Pursotusprosessissa tapahtui hetkittäisiä UPM 40 granulaatin työstöä muistuttavia häiriöitä, jotka saattoivat johtaa prosessin keskeyttämiseen. Laadultaan tuotettu filamentti vaikutti hyvältä, eikä se ollut UPM 40 tavoin erityisen haurasta (kuva 3a). Samoin filamentin 3D-tulostaminen onnistui ongelmitta ja filamentin kiinnittyminen tulostusalustaan oli erittäin tehokasta, tulostettuja kappaleita oli jopa haastava irrottaa alustastaan. Lisäksi tulostettaessa huomattiin, ettei filamentti ollut täysin tasalaatuista. Filamentin väri vaihteli hieman, toisinaan väri on puhtaan harmaa, ajoittain väri puolestaan muistutti enemmän puhdasta granulaattia. Tulostuksen laatuun värin vaihtelu ei kuitenkaan vaikuttanut.

Kuva 3. a) harmaaksi värjättyä ja hyvälaatuista UPM Formi-filamenttia, b) UPM Formi-granulaatti- ja PLA-rouhetta, c) Mustaksi värjättyä UPM Formi-filamenttia.

Filamentin homogenisointia testattiin uudestaan mustan PLA-jätemuovin avulla. Periaate oli sama, kuin aiemmin, mutta tällä kertaa PLA-rouhe sekä UPM 40-granulaatti rouhittiin yhteen sekoitettuna kertaalleen 3devo shr3dit -silppurilla. Tällöin granulaatinkin raekoko pieneni, eikä filamentin laadussa enää havaittu laatueroja sitä valmistettaessa (kuva 3b). Tuotettu filamentti oli laadultaan ja tulostettavuudeltaan erittäin hyvää ja tasaista (kuva 3c).

Vetolujuuskokeet

Minkä tahansa kuitujen tai partikkelien lisäys muovimatriisiin muuttaa alkuperäisen materiaalin lujuusominaisuuksia. Integroitavan materiaalin ominaisuudet, sekoitussuhteet sekä hyvin monet muut tekijät vaikuttavat lopputuotteen 3D-tulostettavuuteen sekä mekaanisiin ominaisuuksiin. Myös 3D-tulostusparametrit vaikuttavat lopullisen kappaleen ominaisuuksiin. Biopohjaisten kuitujen on havaittu vähentävän muovimateriaalin vahvuutta, mutta lisäävän sen jäykkyyttä – eli materiaalin kyky vastustaa olomuodon muutoksia lisääntyy, mutta kappale katkeaa helpommin. Uusien 3D-tulostusmateriaalien olisi yllettävä vähintään lähes yhtä hyviin ominaisuuksiin, kuin mihin kuluttajat ovat tottuneet, jotta tuote voi menestyä. Myös muilla hyvillä ominaisuuksilla, kuten ekologisuudella, on painoarvoa, mutta kuluttaja äänestää lompakollaan helposti parasta laatua – ja täten biokomposiittienkin täytyy kehittyä mekaanisilta ominaisuuksiltaan riittävän hyviksi, jotta niiden käyttö on mielekästä. Tässä osuudessa perehdytään biokomposiittien mekaanisiin ominaisuuksiin ja siihen, kuinka ne pärjäävät puhdasta muovia vastaan.

Seuraavista materiaaleista 3D-tulostettiin vetolujuussauvoja, joiden mekaaniset ominaisuudet määritettiin ASTM D638-standardin mukaisesti:

  1. UPM Formi 20 % granulaatista valmistettu biokomposiitti
  2. UPM Formi 40 % ja 3devo PLA granulaateista valmistettu biokomposiitti (50–50 % tilavuussuhde)
  3. Octofiber biokomposiitti (puukuitupitoisuus 20 %)
  4. FormFutura EasyWood biokomposiitti (puukuitupitoisuus 40 %)
  5. FormFutura Grey PLA
Kuva 4. Vetolujuussauvojen 3D-tulostusprosessi.

Tulostimena käytettiin ZMorph 2.0 SX-3D-tulostinta (kuva 4). Tulostuslämpötila oli 200 °C kaikilla filamenteilla, paitsi Octofiberin tapauksessa, tulostuspedin lämpötilan ollessa 60 °C. Octofiber ohjeistaa käyttämään hieman korkeampaa, 210–225 °C tulostuslämpötilaa, joten kyseinen filamentti tulostettiin 220 °C suuttimella. Kappaleet tulostettiin 100 % täytöllä ja materiaalinsyötöllä, sekä 0,2 mm kerroskorkeudella, jotka ovat eräitä tulostusprosessin sekä kappaleiden laatuun vaikuttavista parametreistä.

Puukuitufilamenttien kiinnittyminen puhtaaseen tulostusalustaan oli hieman haastavaa, sillä toisinaan materiaali irtosi tulostusalustasta välittömästi pursotuksen jälkeen. Alustan käsittely vedellä laimennetulla Eri Keeper-liimalla korjasi tilanteen, eikä irtoamista enää tapahtunut. Puhtailla PLA-filamenteilla tätä haastetta ei havaittu.

Biokomposiittimateriaalien hygroskooppisuus, eli taipumus sitoa ilmankosteutta itseensä (ominaista monille muillekin muovilaaduille) näkyi selvästi kaikissa, paitsi itse tuotetuissa tulostusmateriaaleissa, johtuen aiemmin mainittujen materiaalien pitkästä säilytysajasta. 3D-tulostuksen aikana tämä ilmeni vesihöyryn purkautumisena tulostuspäästä tulostuksen edetessä. Vesihöyryn purkautuminen voi osaltaan vaikuttaa tulostuksen laatuun ja sitä myötä tämän tutkimuksen tuloksiin. Myös PLA itsessään on hygroskooppista ainetta, mutta käytetty materiaali ei ollut ehtinyt sitomaan kosteutta.

Materiaalien ominaisuusmittaukset suoritettiin Itä-Suomen yliopiston Sovelletun fysiikan laitoksen Instron 8874-laitteella (Instron Corp.) tavallisissa huoneolosuhteissa. Mittaukset suoritti Itä-Suomen yliopiston sovelletun fysiikan maisteriopiskelija Isa Lyijynen.

Tuloksia

Kuva 5. Vetolujuussauvoja. Mateiraalit vasemmalta oikealle: UPM Formi 20, Octofiber ja UPM Formi 40.

Biokomposiittien pinnanlaatu 3D-tulostettaessa oli pääosin hyvä. Kappaleissa ei havaittu dimensionaalisia poikkeamia, mutta tulostusjälki oli ajoittain aavistuksen onttoa (kuva 5). Tämä on tunnistettu ongelma biokomposiittien tulostuksessa, joka voidaan korjata lisäämällä materiaalinsyöttöä. Itsetehdyn filamentin tulostusjälki oli – jopa alkuperäisten odotusten vastaisesti – hieman kaupallista filamenttia parempi. Kappaleista tuli pinnaltaan tasaisempia, eikä mm. kappaleiden päihin muodostunut yhtä havaittavaa onttoisuutta, mitä kaupallisesta filamentista valmistetuissa kappaleissa voitiin nähdä. Tämä tosin johtuu todennäköisesti aiemmin mainitusta materiaalin hygroskooppisuudesta ja vesihöyryn purkautumisesta kaupallisia, huoneolosuhteissa säilytettyjä materiaaleja tulostettaessa.

UPM ilmoittaa UPM 20-tuotteelle vetolujuudeksi 28 MPa ja UPM 40-tuotteelle 48 MPa. Elastisuusmoduulien arvoiksi on vastaavasti ilmoitettu 2,6 GPa ja 5,4 GPa. Nämä tulokset ovat mitattu muottivaletuista kappaleista. 3D-tulostetuista kappaleista mitattuina mekaaniset ominaisuudet jäivät kauas ilmoitetuista arvoista (kuvat 6a ja 6b, esitetty keskiarvo ja vaihteluväli).

Myös muiden testattujen biokomposiittimateriaalien mekaaninen suorituskyky oli hyvin heikko verrattuna puhtaaseen PLA-muoviin. Tämä johtuu hyvin todennäköisesti 3D-tulostuksen ja muottivalun eroista, jotka heijastuvat kappaleen tiheyteen, täyttöasteeseen sekä sisäisiin liitoksiin. Muottivalettu kappale on varmasti täyttä tavaraa, eikä sen sisälle jää huomattavia ilmataskuja. 3D-tulostettujen kappaleiden sisälle todennäköisesti jää ilmaa, joka heijastuu suoraan kappaleen tiheyteen ja massaan. Materiaalin massan ja tiheyden on havaittu olevan yksi tärkeimmistä mekaanisia ominaisuuksia määrittävistä tekijöistä.

Toinen vaikuttava tekijä ovat materiaalin sisäiset liitokset. 3D-tulostetussa kappaleessa on kerroksia, joiden liittyminen toisiinsa voi olla heikkoa, varsinkin kun tilannetta verrataan muottivalettuun kappaleeseen, jossa kappale muodostuu käytännöstä yhdestä kerroksesta, jolloin mekaanisia ominaisuuksia heikentäviä liitoskohtia ei esiinny. Tässä kokeessa ei kuitenkaan testattu erilaisten 3D-tulostusparametrien vaikutusta mekaanisiin ominaisuuksiin, joten on hyvin mahdollista, että parempiin tuloksiin olisi voitu päästä mekaanisten ominaisuuksien osalta. Kaikki kappaleet 3D-tulostettiin samoja parametrejä käyttämällä. 3D-tulostettu PLA Grey oli mekaanisilta ominaisuuksiltaan kutakuinkin odotettujen arvojen tasolla, joten 3D-tulostuksen laatu oli oletettavasti hyvä ja parametrit säädetty tyydyttävästi ainakin tavallisimpien 3D-tulostusmuovien kannalta.

Kuva 6. Materiaalien vetolujuuksia ja elastisuusmoduuleita

Kuitujen lisääminen muovimatriisiin lisää materiaalin elastisuusmoduulia eli lujuutta huomattavasti. Tämä voidaan huomata etenkin muottivaletuissa kappaleissa, mutta ero oli jopa päinvastainen 3D-tulostetuissa kappaleissa. Kirjallisuudessa tunnetaan ilmiö, jossa komposiittimateriaalin kuidut orientoituvat tulostuspään ja –suunnan mukaan ja kappale saa lisäkestävyyttä kuitujen säännöllisestä suuntautumisesta, mutta tällaista mekaanisia ominaisuuksia voimistavaa vaikutusta ei tässä testissä havaittu. Valetuissa kappaleissa kuidut järjestäytyvät satunnaisesti, eikä samankaltaista kestävyyttä lisäävää ilmiötä tapahdu. On kuitenkin mainittava, että testissä käytetyt biokomposiittimateriaalit eivät olleet laadultaan huippuluokkaa, sillä kaupallisia filamentteja oli säilytetty huoneolosuhteissa lukuisia kuukausia, sekä itse tuotetuissa UPM Formi-filamenteissa oli todennäköisesti laadullista vaihtelevuutta. Myöskään 3D-tulostusparametrit eivät olleet räätälöity biokomposiitteja varten, jolloin tulostuslaatuun jäi parantamisen varaa.

Tutkimuksen tässä vaiheessa voidaan todeta, että UPM Formin kaltainen väritön, värjättävä ja 3D-tulostettava biokomposiittimateriaali on hyvä tuote sen monipuolisuutensa ja ekologisuutensa vuoksi. Materiaalin muovaus ja värjäys omien tarpeiden mukaan onnistui helposti työhön sopivilla välineillä, ja lopputuotteeksi saatiin erinomaisesti toimivaa filamenttia itselle sopivassa värissä. Tuotteen huonot ominaisuudet liittyivät lähinnä filamentin hauraaseen rakenteeseen, jolloin materiaalilla oli perinteisiä filamentteja jokseenkin suurempi taipumus katketa. 3D-tulostettaessa tämä ei kuitenkaan ollut ongelma. Edellytykset biokomposiittien yleistymiselle kuluttajamarkkinoilla ovat olemassa.

Useat pursottamalla 3D-tulostetut kappaleet eivät välttämättä vaadi erityisen hyviä mekaanisia ominaisuuksia, jolloin tärkein kuluttajan tuotevalintaan aiheuttava tekijä on visuaalisuus. Näin ollen tarve öljypohjaisille muovimateriaaleille voi vähentyä ja alan ympäristöjalanjälki pienentyä yksinkertaisin toimenpitein. Biokomposiittimateriaalit voivat hyvinkin kattaa tulevaisuudessa merkittävän osan filamenttimarkkinoista, mikäli materiaalintuottajat ottavat ekologisuuden markkinaedukseen ja kehittävät kuluttajille vaihtelevia biokomposiittimateriaaleja. Tämä vaatii kuitenkin kehitystyötä myös puuteollisuuden toimijoiden kanssa, jotka tuottavat toimintansa sivutuotteena niin kutsuttua nollakuitua, joka voi jalostuksen kautta saada huomattavaa lisäarvoa – nykyään tuota kuitua hyödynnetään tuotteellisesti vain joissain määrin. Biokomposiittifilamenttien tulee kuitenkin olla riittävän tasalaatuisia ja 3D-tulostusystävällisiä, jotta ne voivat menestyä markkinoilla ja päihittää perinteiset filamenttimateriaalit. Kehitettävää ja mahdollisuuksia on, vaikkakin tässä tutkimuksessa tehdyt havainnot luovat biokomposiittimateriaaleista hieman heikon kuvan – mutta syyt niiden taustalla ovat tunnistettavia ja ratkaistavia.

Aiheeseen liittyviä kirjallisuuslähteita:

  • A. Le Duigou, M. Castro, R. Bevan & N. Martin. 3D printing of wood fibre biocomposites: From mechanical to actuation functionality. Materials & Design 96:106-114 (2016).
  • S. Wahab, A. Wagiman & M. Ibrahim. Development of wood-based composites material for 3D printing process. Applied Mechanics and Materials 315:987-991 (2013).
  • M. Kariz, M. Sernek, M. Obućina & M. K. Kuzman. Effect of wood content in FDM filament on properties of 3D printed parts. Materials Today Communications 14:135-140 (2018).
  • S. A. Raj, E. Muthukumaran & K. Jayakirshna. A Case Study of 3D Printed PLA and Its Mechanical Properties. Materials Today: Proceedings 5:11219-11226 (2018).
  • B. M. Tymrak, M. Kreiger & J. M. Pearce. Mechanical properties of components fabricated with open-source 3-D printers under realistic environmental conditions. Materials & Design 58:242-246 (2014).
  • N. G. Tanikella, B. Wittbrodt & J. M. Pearce. Tensile strength of commercial polymer materials for fused filament fabrication. Additive Manufacturing 15:40-47 (2017).
  • A. Lanzotti, M. Grasso, G. Staiano & M. Martorelli. The impact of process parameters on mechanical properties of parts fabricated in PLA with an open-source 3-D printer. Rapid Prototyping Journal 21(5):604-617 (2015).
  • J. Torres, J. Cotelo, J. Karl & A. P. Gordon. Mechanical Property Optimization of FDM PLA in Shear with Multiple Objectives. JOM: The Journal of Minerals, Metals & Materials Society 67(5):1183-1193 (2015).
  • A. P. Mathew, K. Oksman & M. Sain. Mechanical properties of biodegradable composites from poly lactic acid (PLA) and microcrystalline cellulose (MCC). Journal of Applied Polymer Science 97(5):2014-2025 (2005).

Tämä kirjoitus liittyy Antti Väisäsen väitöskirjatutkimukseen jonka aiheena on 3D-tulostettavien muovimateriaalien työ- ja käyttöturvallisuus. Tutkimustyö toteutettiin yhteistyössä Savonian 3DTIK –hankkeen ja Itä-Suomen yliopiston kanssa. Aiemmin on tutkittu biokomposiittimateriaalien pienhiukkaspäästöjä, niihin liittyvä blogikirjoitus löytyy osoitteesta: https://blogi.savonia.fi/3dtulostus/2018/10/31/jatemuovista-ja-kotimaisesta-puusta-3d-tulostusmateriaaleiksi/

Antti Väisänen
projektityöntekijä, Savonia-ammattikorkeakoulu
apurahatutkija, Sisäympäristön ja työhygienian tutkimusryhmä, Ympäristö- ja biotieteiden laitos, Itä-Suomen yliopisto

Antti Alonen
tki-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

Modulaarinen pöytämallin käsivarsirobotti – Rotrics DexArm

Rotrics DexArm on Hexbot Roboticsin kehittämä työpöydälle sopiva neliakselinen käsivarsirobotti. Laitteen erikoisuutena mainostetaan patentoitua hidastustekniikkaa, jonka ansiosta se soveltuu suurta tarkkuutta vaativiin toimintoihin kuten esimerkiksi 3D-tulostukseen ja laserkaiverrukseen.

Kuva 1. Robotin mukana tulee moduuleita moneen käyttöön. Keskellä imukuppitarttuja, oikealla laser- ja kynämoduulit.

Robotin kehitys rahoitettiin joukkorahoituksen voimin vuonna 2019. Kickstarterissa käynnistetyn kampanjan tavoitteena oli kerätä kehitykseen 50.000 dollaria ja tavoite täyttyi jo ensimmäisen viiden minuutin aikana. Kickstarterin kampanja tuotti lähes 850 000 dollaria mutta koska kysyntä ei vielä siihen loppunut, käynnistettiin toinen kampanja Indiegogon puolella. Jälkimmäinen on puolestaan tuottanut tähän mennessä reilu 1,2 miljoonaa dollaria – yhteensä rahoitusta on siis kerätty jo yli 2 miljoonaa dollaria. Ensimmäinen kampanja sai nimensä yrityksen perusteella (Hexbot), jälkimmäisessä käytettiin mukana tuotenimeä Rotrics DexArm. Yksi tekijöistä suuren suosion takana on modulaarisuus ja järjestelmän halpa hinta. DexArmia mainostetaan “all-in-one” ratkaisuna johon on edullisesta hinnasta huolimatta saatavilla laaja valikoima erilaisia moduuleita.

Monen muun joukkorahoitetun projektin tavoin tämänkin osalta aikataulut ylittyivät useaan otteeseen erilaisista viivästyksistä johtuen – viimeisimpänä toimitusaikataulut sotki koronavirus, joka sulki kiinassa robottia valmistavan tehtaan. Ensimmäiset laitteet toimitettiin asiakkaille vasta vuoden 2020 puolessa välissä – noin vuoden suunniteltua aikataulua myöhässä.

Savonian 3D-tulostuksen investointi- ja kehityshankkeessa on rakennettu Savonian uudelle kampukselle monipuolinen 3D-tulostusympäristö. Hexbot –kampanjan avautuessa kickstartterissa päätettiin Savonialla ilmoittautua projektiin mukaan sillä ajatuksella, että Hexbotista voisi saada työkalun opetuksen ja koulutuksen tueksi. Käsivarsirobotin hyödyntäminen 3D-tulostuksessa eroaa perinteisten 3D-tulostuslaitteiden käytöstä jo pelkästään suuren kokonsa vuoksi. Pienen, pöydälle sijoitettavan robotin avulla voidaan esitellä ja opettaa robottitulostuksen ominaisuuksia luokkaympäristössä ennen kuin siirrytään teollisuuskokoisten robottien pariin. Lisäksi robottia suunniteltiin käytettäväksi 3D-tulostuskurssien harjoitustöissä, yhtenä esimerkkinä robottitarttujien suunnittelu ja valmistus.

Hexbot tarjoaa Rotrics DexArmia nykyisin kolmessa erilaisessa ja hintaisessa paketissa. Vaihtoehtot yrityksen verkkokaupassa ovat “Starter”, “Maker” ja “Luxury” eroavat toisistaan sekä hinnaltaan että mukaantulevilta moduuleiltaan. “Starter” (660 dollaria) pitää sisällään robotin ja kynämoduulin, “Maker” (900 dollaria) lisäksi laser- ja 3D-tulostusmoduulit ja “Luxury” (1000 dollaria) edellisten lisäksi vielä pneumatiikkamoduulin. Lisäksi on mahdollista ostaa erillisiä lisämoduuleja kuten kameramoduuli, liukuraide tai liukuhihna. Kaiken kaikkiaan tarjolla ovat seuraavat moduulit:

  • Piirtomoduuli
  • 3D-tulostusmooduli
  • Laser kaiverrus/leikkausmoduuli (0.25W, 0.8W tai 2.5W)
  • Pneumatiikkamoduuli, joka sisältää paineilmalla toimivan tarttujan ja imukupin
  • Liukuraide, joka lisää robotin ulottuvuutta
  • Liukuhihna, jolla robotille voidaan tuoda kappaleita
  • Turvakotelo, laservalon suojaukselle
  • Kamera konenäköä varten

Rotrics DexArmin spesifikaatiot

  • Toistotarkkuus: 0,05 mm
  • Käyttöalue: 220 x 220 x 250 mm
  • Koko: 175 x 128 x 315 mm
  • Paino: 2,4 kg
  • Maksimikuorma: 500 g
  • Maksimiliikenopeus: 500 mm/s
Kuva 2. Robotti toimitettiin kätevässä kuljetuslaukussa. Moduulit sijaitsevat laukussa robotin alapuolella.

Robotin ohjaus

Robotin ohjauksessa voidaan käyttää paketin mukana toimitettavaa kosketusnäytöllistä ohjainta tai tietokoneelle asennettavaa sovellusta. Ohjaimen etuna ovat sen isot kuvakkeet ja todella yksinkertainen käyttöliittymä. Näytön asemaa ohjaimessa toimittaa luultavasti rahansäästösyistä valittu resistiivinen kosketusnäyttö, jonka käyttäminen on välillä kankeaa. Ohjaimen perustoimintoihin sisältyy robotin akseleiden liikutteluun tarvittavat painikkeet, mutta liikenopeuden- ja matkan säätö siitä puuttuu kokonaan. Ohjaimen kotiruudulta löytyvät painikkeet kaikille robotin moduuleille, joiden lisäksi siinä on SD-kortin painike, asetukset, äänikomennot ja perusliikkeet. Vaikka robotin äänikomennot löytyivätkin ohjaimesta, ei sitä ominaisuutta ole vielä saatu valmiiksi ja se on luvattu tulevan seuraavissa päivityksissä.

Kuva 3. Robottia voidaan ohjata ohjaimella tai tietokoneella asennettavan ohjelman kautta. Vasemmalta: ohjain, Rotrics Studio -ohjelman pääikkuna, Rotrics studion asetusvalikko

Kosketusnäyttö toimii robotin perusliikettelussa ja komennoissa, mutta mikäli sillä haluaa tehdä jotain monimutkaisempaa toiminnallisuutta (esim. 3D-tulostusta), tulee robotin hallinta hoitaa tietokoneella asennettavan ohjelman avulla. Rotrics Studio on ilmainen Windowsille ja Macille saatavilla oleva sovellus DexArmin ohjaamiseen, jonka voi ladata osoitteesta https://www.rotrics.com/pages/download. Sovelluksen asentamisen lisäksi robotin yhdistämiseen Windowsille tarvitaan erillinen STM32 ajuri, jotta se saa muodostettua USB-yhteyden robottiin. Yhteys muodostetaan klikkaamalla linkkipainiketta sovelluksen yläreunasta ja valitsemalla oikea laite valikosta.

Rotrics studion välilehdet:

  • Basic: Studion aloitus- eli basic välilehdessä on nähtävillä robotin koordinaatisto, jossa robotin ulottuvuus on nähtävissä puoliympyränä. Oikeassa reunassa on robotin liikutteluun tarvittavat kontrollit, liikenopeuden- ja matkan säätäminen, G-koodi tiedoston ajaminen ja teach&play, jossa voidaan opettaa robotille liikeratoja manuaalisesti.
  • Write&Draw: Piirtovälilehdessä voidaan ajaa sovelluksen mukana tulevia piirroksia tai käyttää omia SVG-tiedostoja, joista sovellus generoi G-koodin robotille.
  • Laser: Laser-välilehti on samanlainen kuin piirto, jonka lisäksi sieltä löytyy ohjaus laserin käynnistämiseen ja sen tehon säätämiseen.
  • 3D Print: 3D-tulostusvälilehdestä löytyy STL-tiedostojen siivutusominaisuus ja tulostusalustan kalibrointi.
  • Code: Koodivälilehdessä voidaan tehdä robotille yksinkertaisia ohjelmia koodipalikoiden avulla.

Studiosta löytyy myös robotin terminaali, josta voi katsella mitä koodia robotti on milläkin hetkellä ajamassa, ja sitä kautta voi lisäksi lähettää komentoja robotille.

Moduulit

Savonialle hankittu Hexbot oli mallia “Luxury” kit, joten robotin mukana tuli neljä erilaista moduulia jotka ovat näkyvillä alla olevassa kuvassa. Kuvassa moduulit vasemmalta alkaen: Pneumatiikkamoduuli imukupilla ja tarttujalla, kynämoduuli, lasermoduuli, ja 3D-tulostusmoduuli. Moduulit kiinnitetään robottiin jousitoimisella pikakiinnityksellä, joka avautuu mekaanisesti nappia painamalla. Kiinnityksessä on myös 5-pinninen liitin sähköiselle ohjaukselle. Hieman harmillisena puutteena mukana ei tullut mekaanista tarttujaa, mutta toisaalta Hexbot tarjoaa verkkokaupassaan 20 dollarilla DIY –moduulia, jolla sellaisen voi toteuttaa itse.

Kuva 4. Kuvassa vasemmalla robotin mukana tulleet neljä moduulia, oikealla Hexbotin tarjoamia lisäosia verkkokaupassa.

3D-tulostusmoduuli

3D-tulostusmoduulin lisäksi 3D-tulostus tarvitsee toimiakseen tulostusalustan ja materiaalikelan langansyöttäjällä. Langansyöttö toimii ”bowden”-mekaniikalla, joka vähentää painoa robotin päästä tuottaen vähemmän rasitusta sen moottoreille. ”Bowden”-mekaniikassa langansyöttömoottori on sijoitettu tulostuspään ulkopuolelle, tässä tapauksessa suoraan lankakelan eteen, jossa se työntää tulostusmateriaalia syöttöputkeen. Alla olevassa kuvassa näkyvät 3D-tulostusmoduuli ja siihen liittyvät tarvikkeet.

Kuva 5. Kuvassa 3D-tulostusmoduuli kiinnitettynä ja valmiina tulostukseen.

Moduulin mukana tuleva lankakelan teline on valmistettu muutamasta akryylilevyn palasta ja laakereista. Kahta puoliskoa ei yhdistänyt mikään, joten teline oli todella löysärakenteinen kaatuen helposti. Asia korjattiin 3D-tulostamalla tuet molempiin päihin mustasta PLA-materiaalista. Alla olevassa kuvassa näkyy testituloste valmiina sekä lankakelan telineeseen valmistetut tuet.

Robotin tulostusominaisuutta kokeiltiin 3D-tulostimien testaamiseen tarkoitetulla ”Benchy”-laivalla. Siivutukseen käytettiin Cura-sovellusta ja Rotricsin sivulta löytyvää tulostinprofiilia. Tulostus oli ensimmäinen testi, joten säädöt eivät olleet vielä ihan kohdallaan. Kappaleeseen on jäänyt paljon seittiä eli ”stringausta”, joka johtuu huonosti säädetystä retraktiosta. Kaikesta huolimatta kappaleen pinnanlaatu on hyvä ja luvatun tarkkuuden mukainen.

Kuva 6. Kuvassa vasemmalla valmis “Benchy” -testituloste, oikealla lankakela telineineen ja sen edessä sijaitseva syöttömoottori.

Rotrics Studion 3D-tulostusominaisuus sisältää oman siivuttajansa, joka vastaa ominaisuuksiltaan Curan sovellusta. Koordinaatistossa on nähtävillä kolmiulotteinen robotin ulottuvuuslaatikko kappaleiden asettelun helpottamiseksi. 3D-tulostus valmistellaan lisäämällä sovellukseen haluttu malli, joka on oikeassa tiedostomuodossa. Seuraavaksi ikkunan oikeasta reunasta määritetään tulostukselle halutut parametrit, jonka jälkeen g-koodi voidaan generoida. G-koodi voidaan myös valmistella kolmannen osapuolen sovelluksella kuten esimerkiksi Curalla, jota valmistaja suosittelee käyttämään. Tulostinprofiili Curaan löytyy osoitteesta https://www.rotrics.com/pages/download

Ennen 3D-tulostuksen aloittamista tulostusalustan reunojen nollakohdat täytyi kalibroida, niin kuin kaikissa muissakin pursottavissa 3D-tulostimissa. Tavallista tulostimista poiketen robotti täytyy kuitenkin kalibroida uudestaan, jos petiä tai robottia siirtää. Kalibroinnin voi tehdä ohjaimen tai sovelluksen avulla. Jälkimmäisessä kalibroinnin vaiheet on selitetty tarkemmin, joten sen avulla kalibrointi on helpompaa kokemattomalle käyttäjälle.

Kalibrointi

  1. Siirrä robotti ylämaksimiasentoon ja syötä komennot M889 ja M1112 terminaaliin. Tämä kalibroi robotin liikealueen ja siirtää sen kotiasemaan.
  2. Avaa tulostuksen kalibrointityökalu klikkaamalla ”Level”-painiketta.
  3. Klikkaa ”Reset XY Slope Rate”-painiketta.
  4. Aseta tulostuspeti 15 cm päähän robotista.
  5. Kalibroi alustan neljä kulmaa ohjeiden mukaan. Muista klikata ”Save”-painiketta jokaisen kulman jälkeen.
  6. Klikkaa ”Level”-painiketta

Viimeiseksi määritetään nollakohta kalibroimalla tulostuskärki alustan keskikohtaan ja klikkaamalla ”Set Work Height”-painiketta.

Kuva 7. Kuvassa vasemmalla Rotrics Studion tulostusikkuna, oikealla 3D-tulostusalustan kablibrointi.

Piirtomoduuli

Piirtomoduuli on yksinkertainen kiinnitystyökalu maksimissaan 16 mm halkaisijaltaan oleville kynille. Työkalun käyttöönotto on helppoa, moduuli kiinnitetään ensin robottiin, jonka jälkeen käytettävä kynä kiristetään paikalleen. Seuraavaksi robotti asetellaan piirrettävän kohteen keskikohtaan niin, että kynän kärki koskettaa sitä ja klikataan sovelluksesta nollakohdan määrityspainiketta, jonka jälkeen piirtomoduuli on valmis käytettäväksi.

Kuva 8. Piirtomoduuli testauksessa

Piirtomoduulin testaukseen käytettiin lyijykynäpiirrosta sen pienen värimäärän takia. Kuva muunnettiin selainpohjaisella muuntimella (https://convertio.co/jpg-svg/) SVG – muotoon, jota robotin sovellus vaatii. Kuvan varjostukset kärsivät hieman muunnoksessa, mutta lopputuloksesta tuli melko hyvä. Piirros tehtiin käyttämällä tavallista mustekynää.

Kuva 9. Piirtomoduulin testituloksia. Vasemmalta oikealla: Lyijykynäpiirros, SVG-kuva sovelluksen koordinaatistossa ja robotin piirtämä kuva.

Lasermoduuli

Robotin mukana tuleva lasermoduuli, jonka teho on 0.25 wattia ja aallonpituus 400–450 nanometriä. Moduulin mukana tulivat suojalasit, mutta sittemmin myyntiin on tullut myös koko robotin ympäröivä suojakotelo, joka mahdollistaisi moduulin käyttämisen esimerkiksi luokkatilassa. Laserin käyttöönotossa ei tarvita muuta kuin määritellä työtaso 10 cm päähän työstettävästä kohteesta, jonka jälkeen laserin polttopiste optimoidaan kohteen pintaan säätämällä se linssin säätöruuvista mahdollisimman kirkkaaksi.

Lasermoduulia testattiin sen mukana tulleeseen lastulevyä muistuttavaan laattaan. Laserilla oli vaikeuksia tuottaa jälkeä tähän materiaaliin ilman täysiä tehoja ja hidasta kuljetusnopeutta. Kokonaisen kuvan kaiverrusta ei pystytty kokeilemaan laboratoriotiloissa siitä aiheutuvan savumäärän takia.

Tehonpuutteen ovat havainneet myös kehittäjät, sillä mukana toimitettua 0.25W laseria ei ole enää edes yrityksen verkkokaupassa myynnissä. Tarjolla olevat lasermoduulit ovat nykyisin 0.8W hintaan 80 dollaria tai 2.5W hintaan 199 dollaria.

Kuva 10. Lasermoduuli vaatii hyvin ilmastoidun tilan lisäksi suojalasien tai suojakotelon käyttöä.

Pneumatiikkamoduuli

Pneumatiikkamoduuli sisältää kolmisormisen tarttujan, imukupin ja pumpun. Molemmat työkalut tulevat kiinni samaan moduuliin. Imukuppia voi käyttää tarttujan ollessa kiinni, ja tarttujaa käytettäessä imukuppi irrotetaan aukaisemalla yksi kiinnitysmutteri. Pumppu muodostaa putkeen joko yli- tai alipaineen, jonka avulla tarttuja ja imukuppi toimivat. Yhtenä robotin käyttötarkoituksena on toimia harjoitustöiden testialustana, ja yleisin harjoitustyö sille on jatkossa tarttujen suunnittelu ja valmistus erilaisten kappaleiden nostamiseen. Harjoitustöiden kannalta kiinteät tarttujan kärjet ovat helpompia suunnitella ja toteuttaa kuin paineilman vaikutuksesta supistuvat ja aukeavat kärjet. Tästä johtuen robotille muokattiin vaihtoehtoinen pneumaattinen tarttuja, jossa voidaan käyttää kiinteitä kärkiä.

Tarttujan kiinnitykseen käytettiin Thingiversestä (https://www.thingiverse.com/thing:4570070) löytyvää adapteria, joka pienen muokkauksen ja 3D-tulostuksen jälkeen soveltui Feston valmistamalle pneumaattiselle tarttujalle. Tarttujan ohjauksessa käytetään robotin omaa pumppua, joten se vastaa muuten toiminnaltaan mukana tulleen tarttujan käyttöä.

Kuva 11. Kuvassa pneumatiikkatarttuja, oikealla feston tarttuja joka mahdollistaa kiinteiden kärkien käyttämisen

   

Sampsa Ylönen
projektityöntekijä, 3DTIK -hanke
Savonia-ammattikorkeakoulu

Antti Alonen
tki-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

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