Betonin 3D-tulostusratkaisuja 2019

Taustaa

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

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

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

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

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

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

Laitevalmistajia

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

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

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

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

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

  • StroyBot 6.2S: 10 x 15 x 4 m, hinta 300 000 USD (teräsrunko)
  • StroyBot 6.2A: 10 x 20 x 6 m, hinta 400 000 USD (alumiinirunko)
  • StroyBot 6.2C: 10 x 20 x 6 m, hinta 500 000 USD (komposiittirunko)
  • StroyBot 7.1M: 10 x 20 x 4 m, hinta 950 000 USD (“military grade”)
Kuva 1. TotalKustomin betonin tulostuspää, oikealla vuonna 2014 valmistettu “leikkimökki” joka oli ensimmäisiä 3D-tulostettuja rakennuksia/rakennelmia. Lähde: TotalKustom

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

CyBe (https://cybe.eu/)

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

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

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

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

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

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

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

 

Jari Piirainen
projektityöntekijä
Savonia-ammattikorkeakoulu

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

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

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

Kuva 1. SpaceClaimilla ”puhtaalta pöydältä” mallinnettu kappale

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

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

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

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

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

Kuva 4. Seinämänpaksuuden lisääminen STL-pintamalliin

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

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

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

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

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

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

 

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

 

Simo Mäkinen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

Markforged Mark Two käyttöönotto

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

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

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

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

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

Kuva 3. Onyx -materiaalin ominaisuuksia, Lähde: Markforged

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

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

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

Savonialla on käytössään näistä versiot 1 ja 2.

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

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

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

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

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

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

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

Kuva 5. Hiilikuitutesti, kapenevakärkiset pinsetit.

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

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

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

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

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

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

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

Lauri Alonen
Projekti-insinööri
Savonia-ammattikorkeakoulu

Kun pieni ei enää riitä – suurten muovitulostinten tarjonta lisääntyy

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

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

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

Yleistä suuren kokoluokan pursotustekniikkaan perustuvista laitteista

  • Suutintekniikka: Yhtenä kompastuskivenä suuren kokoluokan (pursotustekniikkaan perustuvissa) tulostimissa on materiaalinsyöttö. Kun tulostusajat ovat pitkiä ja materiaalinsyötön välimatka pitenee, on perinteinen suutintekniikka aika herkkä materiaalimäärän vaihteluille ja virheille. Esimerkiksi filamenttia käyttävissä koneissa filamentin pitempi ja mutkikkaampi syöttömatka kelalta suuttimelle tarkoittaa usein suurempaa kitkaa syöttöletkuissa. Kitka puolestaan aiheuttaa suuremman vaatimuksen ruuveilla, jotka filamenttia vetävät. Tulostusajon nopeuden vaihdellessa pikaiset ”nykäisyt” ja kitka aiheuttavat yhdessä hetkellisiä syöttökatkoksia, kun lankansyöttö sutii. Pahimmillaan tämä voi jopa lopettaa tulostuksen, kun syöttörullat syövät filamenttiin kolon ja jäävät pyörimään tyhjää. Tämä on ollut mm. GermanRepRap X1000 –tulostimen vanhemmissa versioissa todellinen ongelma. Luonnollisesti granulaattisyöttöisissä järjestelmissä ei tätä vaaraa ole. Suuremmat suuttimen halkaisijat mahdollistavat suuremman tulostusnopeuden, mutta toisaalta kerroskorkeudet ovat silloin suurempia ja tulostusjälki karkeampaa.
  • Vaihdettavat suuttimet/tulostuspäät: Jotkut valmistajat ovat alkaneet räätälöidä tulostuspäitä käytettävän materiaalin mukaan koska eri materiaalit eivät välttämättä ole yhteensopivia keskenään (eivät sekoitu toisiinsa, sisältävät epäpuhtauksia, niillä on eri sulamislämpötila, jne.) Näissä tapauksissa tulostuspään nopea vaihto on tarpeellista, ja tähän liittyen valmistajilla on yleensä omia ratkaisujaan
  • Materiaali granulaattina/pelletteinä: Mitä suurempi tulostustilavuus 3D-tulostusjärjestelmässä, sitä todennäköisemmin materiaali syötetään granulaattia filamentin sijaan. Muita syitä ovat granulaattien halvempi materiaalikustannus sekä ruuvisyötön mahdollistama suurempi materiaalin sulatus/syöttönopeus.
  • Materiaalin kuivaus: Pitkissä tulostusajoissa materiaalin laatuun ja prosessin hallintaan on kiinnitettävä entistä enemmän huomiota. Yksi yleisimmistä ongelmista on se, tulostusprosessi on herkkä kosteudelle. Pursotustekniikkaan perustuvassa 3D-tulostuksessa muovi lämmitetään +200 C asteeseen jolloin siinä oleva kosteus höyrystyy ja voi aiheuttaa mm. höyrykuplia, jotka puolestaan heikentävät tulostuksen laatua. Tästä johtuen materiaalin kuivausjärjestelmiä alkaa olla jo pienemmän tulostusalan laitteissakin mutta suuremmissa se on suorastaan välttämätöntä.
  • Muovin pursotus + koneistus: Kun tulostuskoko ja –aika kasvaa, myös jälkikäsittelyn hoitaminen samalla kertaa alkaa kiinnostaa. Useat suurista valmistajista (mm. Cincinnati Inc sekä Thermwood) rakentavat järjestelmät siten että niissä on tulostuspään lisäksi koneistus. Näin saadaan tehtyä saman prosessin aikana suuria ja mittatarkkoja kappaleita. Luonnollisesti tämä näkyy ratkaisujen hinnassa.
  • Muovin tulostuspäät robotteihin: Markkinoilla on jo useampia valmistajia jotka tarjoavat käsivarsirobotteihin perustuvia robottisoluratkaisuja tulostuspäillä varustettuna. Muutama valmistaja tarjoaa myös pelkkiä tulostuspäitä (mm. ohessa listatut CEAD ja Herz). Käsivarsirobotilla on hyvät ja huonot puolensa – yleensä heikkoutena on tarkkuus, tosin suuren kokoluokan tulostuksessa materiaalikerrokset ovat niin suuria, että sillä on merkitystä vain jos samalla laitteella pitäisi tehdä myös koneistus.
  • Materiaalit: Suuren kokoluokan 3D-tulostimissa ja 3D-tulostusjärjestelmissä käytetään usein materiaaleja, joilla kutistuminen ei ole ongelma. Näitä ovat mm. kuitutäytteiset muovimateriaalit.
Kuva 1. Suurille muovitulosteille löytyy käyttökohteita lähes kaikilta teollisuudenaloilta, Formnext 2019 -messuilla yleisimmät esimerkit olivat vene-, ja ajoneuvoteollisuudesta.

Formnext 2019 messuilla esillä olleet suurten muovitulostinlaitteiden valmistajat

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

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

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

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

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

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

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

BigRep: https://bigrep.com/

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

Tarjolla olevia 3D-tulostimia:

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

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

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

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

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

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

Tarjolla olevia 3D-tulostimia:

  • Discovery 3D Printer: 1150 x 800×500 mm
  • Super Discovery 3D printer: 1300 x 2500 x 1000 mm, mutta koko on täysin räätälöitävissä asiakkaan tarpeen mukaan
Kuva 4. Discoveryn osastolla oli esillä tulostimen lisäksi runsaasti esimerkkikappaleita, joihin oli laitettu tulostusajat näkyviin. Oikealla olevan tuolin tulostusaika: 12 h, paino 18 kiloa

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

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

Tarjolla olevia laitteita vuodesta 2020 alkaen:

  • BIG-40: 400x400x600 mm, alkane 2900 USD
  • BIG-60 V3: 600x600x600 mm, alkaen 3500 USD
  • BIG-120X V3: 1200x600x600 mm, alkaen 6000 USD
  • BIG-METER: 1000x1000x1000 mm, alkaen 9500 USD
  • BIG-120Z: 600x600x1200 mm, alkaen 9000 USD
  • BIG-180x: 1800x600x600 mm, alkaen 12000 USD
  • MAMA: 1000x1000x1000 mm – 2000x5000x1000 mm. Koko räätälöidään asiakkaan tarpeen mukaan, hinta alkaen 30000 USD
Kuva 5. Modixin osastolla oli eri mallien hinnat selvästi esillä

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

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

Tarjolla olevia laitteita:

  • Builder Extreme 1000 PRO: 700x700x820 mm, 20000 €
  • Builder Extreme 1500 PRO: 1100x500x820 mm, 22450 €
  • Builder Extreme 2000 PRO: 700x700x1700 mm, 25000 €
Kuva 6. Kaikki Builderin laitteet ovat suljetulla tulostuskammilla varustettuja ja niitä ohjataan kosketusnäytön kautta

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

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

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

  • inv3nt delta: 400x400x400 mm, hinta. n. 30 000€
  • inv3nt xtra L: 625x625x625 mm, hinta 40-50 000€
Kuva 7. Messuilla oli esillä systecin inv3nt delta tulostin. Oikealla yrityksen tarjoama paikoitusjärjestelmä

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

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

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

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

Waspin laitetarjontaa suuremmalla tulostusalueella:

  • WASP 4070 Industrial: Ø 400 x 700mm, hinta alkaen 8200 €
  • WASP 4070 Industrial 4.0: Ø 400 x 700mm, hinta alkaen 10250 €
  • WASP 3MT Industrial 4.0: Ø1000 x 1000mm, hinta alkaen 26000 €
Kuva 8. Vasemalla WASP 3MT malli, keskellä 3MT mallin materiaalinsyöttöyksikkö koneen takana, oikealla betonin/saven 3D-tulostin

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

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

Tarjolla olevat 3D-tulostimet:

  • Silver Belt (Kit): 270x300x∞ mm, 2000 €
  • Sliding 3D: 410 x 380 x ∞ mm, 5000 € (?)
Kuva 9. Vasemmalla Robotfactory Silver Belt, keskellä saman yrityksen Sliding 3D ja suojakotelo, oikealla Blackbelt

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

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

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

Atmat: https://atmat.pl/

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

Tämän hetken mallistoa:

  • ATMAT Signal Pro: 300x300x500 mm
  • ATMAT Galaxy: 500x500x600 mm, hinta n. 10 000 € (kaksi tulostuspäätä)
  • ATMAT Saturn: 1200x1000x1000 mm, hinta 49-50 000 €
  • ATMAT Jupiter: 2000x1000x1000 mm, hinta n. 90 000 €
Kuva 10. Kuvassa Atmat Galaxy, Atmat Signal Pro. Oikealla ATMATin toteuttama Ford-projekti jossa tulostettiin 70 muoviosaa (painoltaan yht. 400 kg). Kuvassa oleva auto oli esillä alkuvuodesta 3DPrinting Days -messuilla.

Tractus3D: https://tractus3d.com/

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

Tämän hetken suuren tulostusalueen malleja:

  • T1250: Ø350 x 600 mm, hintaluokka n. 5000 €
  • T3000 (XL): Ø1000 x 1450 mm, hintaluokka n. 45000 €
  • T3500: Ø1000 x 2100 mm, hintaluokka n. 55000 €
Kuva 11. Tractus3D:n osastolla oli esillä yrityksen uusi lippulaivamallia T3500, vanhempi T1250malli sekä kohtalaisen iso tulostettu propelli

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

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

GermanRepRapin suuren tulostusalueen laitteita:

  • x500PRO: 500 x 400 x 450 mm, hinta n. 45 000 €
  • X1000: 1000x800x600, hinta n. 50-60 000 €
Kuva 12. GermanRepRap X500pro pystyy myös PEKKin tulostukseen. Keskellä yrityksen kehittämä nestemäisen silikonin LS320 -tulostin, oikealla yrityksen 3D-tulostintarjonnassa suurimman tulostusalueen omaava x1000.

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

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

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

Multecin suuren tulostusalueen 3D-tulostimia:

  • Multirap M500: 480 x 380 x 350 mm
  • Multirap M800: 650 x 500 x 800 mm
Kuva 13. Multec M800 ja vieressä sillä tulostettu pöytä

MassPortal: https://massportal.com/

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

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

  • MassPortal D600: Ø 400 x 580 mm, hinta 20 000 €
Kuva 14. Massportalin osastolla oli esillä yksittäisen tulostimen lisäksi yrityksen Dynasty 3D-tulostusautomaatti, johon 3D-tulostinyksikön lisäksi kuuluu materiaalin kuivausyksikkö ja automaattivarasto.

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

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

Tämän hetken uBot -mallistoa:

  • uBot 3DTower S+: 250x250x500 mm, hinta n. 3000 €
  • uBot P440: 440 x 330 x 300 mm, hinta n. 13000 €
Kuva 15. Ubot P440 ja joitakin sillä tehtyjä esimerkkikappaleita.

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

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

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

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

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

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

Tämän hetken perusmalleja on kolme:

  • LSAM MT (liikkuva pöytä): tulostusalueen koko 3x3x1.5 metriä, hinta n. 1 200 000 €
  • LSAM: tulostusalueen koko 3×5.1×1.5 metriä, hinta n. 1 500 000 €
  • LSAM: tulostusalueen koko 3×12.2×1.5 metriä, hinta n. 2 500 000 €
Kuva 16. Thermwood tarjoaa 3D-tulostusjärjestelmiään muutamassa mittaluokassa mutta koko on myös asiakkaan räätälöitävissä.

Fraunhofer

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

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

Tulostuspäät robotteihin

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

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

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

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

Hintaa ratkaisuilla on 5000 – 20 000 € riippuen kokoonpanosta.

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

CEAD: https://robotextruder.com/

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

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

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

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

 

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

Formnext 2019 messujen tilannekatsaus

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

Kokemuksia Stratasys J735 multimateriaalitulostimesta

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

Lauri Alonen
Projekti-insinööri
Savonia-ammattikorkeakoulu

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

 

3D-tulostuslaitteiden jälleenmyyjät ja palveluntarjoajat Suomessa, tilannekatsaus alihankintamessuilta 2019

Alihankintamessut on Suomen suurin vuosittain järjestettävä teollisuuden alihankinnan messutapahtuma, jossa oli tänä vuonna mukana 1100 näytteilleasettajaa ja 17 731 kävijää. 3D-tulostus (lisäävä valmistus) on nykyisin varteenotettava valmistusmenetelmänä teollisuuden tarpeisiin ja messuilla näkyikin esimerkkejä mm. prototyyppien, työkalujen sekä lopputuotteiden valmistuksesta 3D-tulostamalla. Metallitulosteissa valtaosa tulosteista tuntui liittyvän vielä testaukseen, työkaluihin ja prototyyppeihin, mutta muovikappaleiden palvelujentarjoajia haastatellessa nousi esille erityisesti lopputuotteiden määrän kasvu aiempiin vuosiin verrattuna.

Alihankintamessujen messuoppaassa oli viime vuoden tapaan listattu yrityksiä jotka tarjoavat ”3D-tulostuspalvelua”, tällä kertaa 35 kappaletta. Tämä ei kuitenkaan tarkoita sitä, että kaikki listatuista yrityksistä tarjoaisivat 3D-tulostusta palveluna – osa niistä käyttää 3D-tulostusta omassa toiminnassaan ja tarjoaa 3D-tulostuspalvelua lähinnä sivupalveluna asiakkailleen. Tässä blogikirjoituksessa käydään läpi laitteiden jälleenmyyjien lisäksi messuilla esillä olleita 3D-tulostuksen palveluntarjoajia, jotka käyttävät valmistuksessa omia laitteitaan.

3D-tulostuslaitteita ja osaamista löytyy luonnollisesti myös messuilla esillä olleilta oppilaitoksilta (Savonia mukaan lukien), mutta ne eivät yleensä pysty tarjoamaan lopputuotteiden 3D-tulostuspalvelua. Taustalla on usein mm. laiteinvestointeihin käytetyt EU-pohjaiset hankerahoitukset jotka estävät laitteiden tuotantokäytön. Tutkimuslaitosten ja oppilaitosten laitteet ovat yleensä myös varustettu enemmänkin tutkimuskäyttöön soveltuvilla ominaisuuksilla kuin tuotantoa silmällä pitäen.

3D-tulostukseen liittyvää muuta palvelutarjontaa (esim. suunnittelu, 3D-mallinnus, lujuuslaskenta, muotoilu, materiaalitestaus ja koulutus) on kuitenkin tutkimuslaitosten sekä oppilaitosten palvelutarjonnassa ja siten yritysten hyödynnettävissä. Esimerkiksi Savonialla on tarjolla edellä mainittuja palveluja modernissa 3D-tulostuksen toimintaympäristössä.

Kuva 1. Savonian osastolla oli esillä koulutustarjonnan lisäksi tietoa meneillään olevasta 3D-tulostuksen investointihankkeesta sekä esimerkkejä mm. muovin multimateriaalitulosteista.

Suomalaisia 3D-tulostukseen keskittyviä palveluntarjoaja jotka valmistavat kappaleet pääosin omilla laitteillaan, on ilmaantunut viime vuoden aikana muutama lisää. Lukema lienee tällä hetkellä noin 15 yrityksen luokkaa. Tulostuspalvelujen lisäksi yritykset tarjoavat lähes aina myös suunnittelupalvelua, sillä 3D-tulostuksesta saadaan paras hyöty vain silloin, kun kappale on suunniteltu siten että valmistusmenetelmästä saadaan paras hyöty irti. Jotkut palveluntarjoajista tarjoavat myös oheispalveluja kuten tulosteiden jälkikäsittelyä suoraan itse tai ainakin verkostonsa kautta.

Uusia markkinoille ilmaantuneita toimijoita ovat mm. Delva kahdella metallitulostimellaan sekä muoviosien 3D-tulostukseen erikoistunut Mecaplast. Osa palveluntarjoajista on myös päivittänyt laitekantaansa viimevuodesta, yhtenä esimerkkinä Materflow, jolle on tullut käyttöön SLM280 metallitulosteille sekä EOS P380 muovipuolelle.

Messuilla oli esillä myös seuraavat 3D-tulostinlaitteiden jälleenmyyjät:

Vossi Oy (https://www.vossi.fi/): SLM, Markforged, Gefertec, BigRep

Vossi kertoo toimialakseen ”Konepajateollisuuden älykkäät tuotantoteknologiat ja elinkaaripalvelut”, joka tarkoittaa käytännössä sitä, että yrityksellä on valikoimissaan laaja tarjonta laitteita konepajateollisuuden tarpeisiin. Metallin 3D-tulostuksen osalta yrityksellä on tarjolla laitteita kolmen eri menetelmän osalta: jauhepetitekniikka (SLM), pursotus+sintraus (Markforged Metal X) sekä lankasyöttöinen suorakerrostus (Gefertec). Muovin 3D-tulostukseen on tarjolla kahta laitteistoa – suuren mittakaavan BigRep sekä pienemmän mittakaavan Markforged Mark Two, joka mahdollistaa myös kuidun lisäyksen tulostuksen yhteydessä ja siten komposiittirakenteiden valmistamisen.

Kuva 2. Vossin osastolla oli esillä metallin 3D-tulosteiden lisäksi Markforged tulostimet Mark Two ja Metal X. Oikeanpuolimmainen kappale valmistettu Markforged Metal X –tulostimella työkaluteräksestä.

Tamspark Oy (https://tamspark.fi/): EOS, Sintratec

Tamspark Oy on työstökonetoimittaja ja maahantuoja, jonka valikoimassa on myös 3D-tulostimia sekä metallille että muoville. EOS GmbH on yksi maailman suurimmista toimijoista niin metallin kuin muovinkin jauhepetitekniikkaan perustuvissa, teollisen tason 3D-tulostimissa. Sintratec on edullisemman hintaluokan laitteisto muovin jauhepetitulostukseen.

Kuva 3. Tamsparkin osastolla oli esimerkkikappaleiden lisäksi esillä Sintratec S2, muovin jauhepetitulostin.

PLM Group Oy (https://plmgroup.fi/): HP, 3DSystems, Markforged

PLM Group on suomen ainoa jälleenmyyjä HP:n 3D-tulostuslaitteille, joka huolehtii myös laitehuolloista. HP:n MJF (Multi Jet Fusion) on muutama vuosi sitten markkinoille tullut, muovin jauhepetitekniikkaan perustuva menetelmä, jossa sulatus tapahtuu laserin sijaan lämpöpäällä. MJF –laitteiden tarjontaan on tänä vuonna tullut myös väritulostukseen kykenevä laite (MJF 580). HP:n laitteiden lisäksi PLM edustaa 3DSystemsiä, jonka valikoimista löytyy useita eri menetelmiin perustuvia muovitulostimia sekä metallin jauhepetitekniikkaan perustuvia laitteita. PLM on myös Markforgedin metalli- ja muovi/komposiittitulostimien jälleenmyyjä Suomessa.

Kuva 4. PLM:n osastolla oli esimerkkikappaleita myös värillisistä MJF-tulosteista.

Protech Oy (https://www.protech.fi/): Stratasys, Desktop Metal, Xact Metal

Protech on Stratasys:in maahantuoja ja valtuutettu huolto suomessa. Stratasys on yksi maailman suurimmista 3D-tulostinvalmistajista muovilaitteiden osalta erikoistuen erityisesti pursotustekniikkaan (fdm) ja materiaalin ruiskutukseen (polyjet) perustuviin laitteisiin. Lisäksi Protech edustaa kahta eri metallilaitteiden valmistajaa. Desktop Metal on pursotukseen ja sintraukseen (sekä sidosaineruiskutukseen ja sintraukseen) perustuvien metallilaitteiden valmistaja. Xact Metal on puolestaan jauhepetitekniikkaan perustuvien, edullisemman hintaluokan laitteiden valmistaja.

Kuva 5. Protech esitteli 3D-tulosteiden lisäksi Desktop Metal 3D-tulostinta.

Maker3D Oy (https://www.3d-tulostus.fi/): Formlabs, Ultimaker, Sinterit, Minifactory

Maker3D edustaa useita eri muovitulostukseen erikoistuneita laitevalmistajia. Yrityksen tarjonnasta löytyy myös erilaisia 3D-tulostimiin liittyviä lisälaitteita ja materiaaleja. Laitemyynnin lisäksi yritys on laajalla laitekannalla varustettu 3D-tulostuspalvelujen tarjoaja.

Maker3D edustaa seuraavia laitevalmistajia Suomessa:

3DTech (https://www.brinter.com/): Brinter

3DTech on liittynyt harvojen suomalaisten laitevalmistajien joukkoon tuomalla markkinoille oman biotulostimensa. Yritys tarjoaa laitevalmistuksen lisäksi 3D-tulostuspalveluja.

Vuosi sitten esillä olleiden toimijoiden perusteella 3D-tulostuspalvelujen tarjonta on painottunut vahvasti suomen eteläiselle puoliskolle eikä sen osalta näytä tapahtuneen juurikaan muutosta. Pohjois-Savosta katsoen lähin toimija löytyy edelleen Jyväskylästä. On hyvä huomioida, että suurimmalla osalla 3D-tulostuspalvelujen tarjoajista on omien laitteiden ja materiaalien lisäksi käytössään laaja yhteistyöverkosto, jonka kautta ne pystyvät tarjoamaan 3D-tulosteita useilla eri menetelmillä ja materiaaleilla.

Lista esillä olleista 3D-tulostuspalveluja tarjoavista yrityksistä aakkosjärjestyksessä:

  • 3DFormtech Oy
  • 3DStep Oy
  • 3DTech Oy
  • Ajatec Oy
  • Delva Oy
  • Hetitec Oy
  • HT-Laser Oy
  • Maker3D Oy
  • Materflow Oy
  • Plastmode Oy
  • Protohouse Finland Oy

 

3DFormtech Oy

Sijainti: Jyväskylä

3DFormtech tarjoaa 3D-tulostuspalveluja muovista ja metallista sekä koulutusta, 3D-mallinnusta, konsultointia, kartoitusta ja pinnoitusta. Yritys on Suomen suurin palveluntarjoaja muovikappaleiden SLS-tulosteissa ja tarjoaa niille värjäyksen lisäksi myös likaa ja vettä hylkivää, uv-suojaavaa mikropinnoitusta.

Käytössä olevat 3D-tulostimet: Formica P110 (2 kpl), EOS P396 (2 kpl), EOS M290

Muovin 3D-tulostuksessa tarjolla on käytössä materiaalit: Polyamidi PA2200, PA2210 (FDA/elintarvikehyväksytty), paloluokitellut PA2210 FR ja PA2241 FR, TPU (elastinen), PA3200GF (lasikuulavahvistettu), Alumide (alumiinivahvistettu), EOS ST PEBA 2301 (elastinen), AdSint PA11 ESD.

Metallipuolella materiaalivaihtoehtoja ovat alumiini AlSi10Mg, ruostumaton teräs 316L, työkaluteräs MaragingSteel MS1, ja titaani Ti64.

Menetelmät ja tulostusalueet

  • Jauhepetitulostus (SLS): 340 mm x 340 mm x 600 mm
  • Metallitulostus (DLMS), 250 mm x 250 mm x 325 mm

Yrityksellä on omien laitteiden ja materiaalien lisäksi käytössään laaja yhteistyöverkosto, jonka kautta se pystyy tarjoamaan 3D-tulosteita useilla eri menetelmillä ja materiaaleilla sekä jälkikäsittelyä (esim. maalaukset isoillekin sarjoille, kiillotukset metallille ym.).

Lisätietoja: www.3dformtech.fi

Kuva 6. 3DFormtechin osastolla oli esillä mielenkiintoinen metallihybridituloste (pohjalevy kiinnitetty tulostusalustaan ja putkisto tulostettu sen päälle).

 

3DStep Oy

Sijainti: Ylöjärvi

3DStep tarjoaa muovin ja metallin 3D-tulostuspalvelua sekä suunnittelupalveluja ja koulutusta. Omina laitteina yrityksellä on HP MJF 4200 muoviosien valmistukseen sekä SLM 280HL Twin metalliosille. Messuosastolla oli esillä useita konkreettisia esimerkkejä niin muovi- kuin metallituotteistakin. Monet esillä olleista tuotteista olivat osittain tai kokonaan 3D-tulostamalla valmistettuja lopputuotteita. 3DStep järjestää edelleen kuukausittaisia ”3DStep Club” –yhteisötapahtumia joissa tarjotaan tietoa ja esimerkkejä 3D-tulostuksen hyödyntämisestä. Tapahtumat kulkivat aiemmin ”Master’s Studio” –nimellä.

Käytössä olevat omat 3D-tulostimet: MJF 4200, SLM 280HL Twin

Muovin 3D-tulostuksessa tarjolla on käytössä materiaalit: Polyamidi PA12

Metallipuolella materiaalivaihtoehtoja ovat ruostumaton haponkestävä 316L, alumiini AlSi10Mg sekä työkaluteräs Maraging 1.2709.

Menetelmät ja tulostusalueet

  • Multi Jet Fusion (MJF), 380 mm x 284 mm x 380 mm
  • Metallitulostus (SLM), 280 mm x 280 mm x 365 mm

Yrityksellä on omien laitteiden ja materiaalien lisäksi käytössään laaja yhteistyöverkosto, jonka kautta se pystyy tarjoamaan 3D-tulosteita useilla eri menetelmillä ja materiaaleilla.

Lisätietoja: http://www.3dstep.fi/

Kuva 7. 3DStepin osastolla oli esillä lukuisia käytännön esimerkkejä 3D-tulostuksen käyttökohteista. Oikealla “Dekati eDiluter”, näytteen laimennuslaite jossa hyödynnetään sekä metalli- että muovitulostusta.

 

3DTech Oy

Sijainti: Salo

3DTech tarjoaa 3D-tulostukseen liittyviä palveluja, mm. teollinen 3D-tulostus, 3D-skannaus, 3D-suunnittelu, konsultointi ja koulutus. Lisäksi yritys kehittää tulostusprosesseja biomateriaalien tulostukseen. Yritys on hiljattain tuonut markkinoille kehittämänsä Brinter™–biotulostimen. Laite on modulaarinen ja siten muokattavissa asiakkaan tarpeisiin.

Käytössä on mm. seuraavat 3D-tulostimet: MJF 4200*2, Formlabs Form2

Käytössä olevat materiaalit: Polyamidi PA12 (HP MJF), nestemäiset hartsit (Form 2)

Menetelmät ja tulostusalueet

  • Pursotusmenetelmät (FDM), 254 mm x 254 mm x 305 mm
  • Multi Jet Fusion (MJF), 380 mm x 284 mm x 380 mm
  • Nesteen fotopolymerisointi (SLA), 145 mm x 145 mm x 175 mm

Yrityksellä on omien laitteiden ja materiaalien lisäksi käytössään laaja yhteistyöverkosto, jonka kautta se pystyy tarjoamaan 3D-tulosteita useilla eri menetelmillä ja materiaaleilla.

Lisätietoja:

Kuva 8. Vasemmalla Brinter -biotulostin, oikealla esimerkkikappaleita MJF –tulosteita.

 

Ajatec Oy

Sijainti: Rusko

Ajatec Prototyping on entinen Protolabs Finland (joka on puolestaan entinen Alphaform RPI Oy). Yritys tarjoaa palveluja prototyyppien ja piensarjojen valmistukseen 3D-tulostamalla ja pikavalutekniikoilla. Uutena laitteena yrityksessä on HP:n MJF4210, jonka myötä oman valmistuksen tarjonnassa on mukana myös muovin jauhepetitulostus.

Käytössä olevat 3D-tulostimet: EOS P100, EOS P385, EOS P380 (2 kpl), useita erilaisia SLA-laitteita, HP MJF 4210, Zprinter 650

Muovin 3D-tulostuksessa käytössä on mm. seuraavat materiaalit: Polyamidi PA12, PA-GF, PA-CF, PA11

Menetelmät ja tulostusalueet:

  • Väritulostus, 254 x 381 x 203 mm
  • Jauhepetitulostus (SLS), 350 x 350 x 600 mm
  • Nesteen fotopolymerisointi (SLA), 350 mm x 350 mm x 350 mm
  • Multi Jet Fusion (MJF), 380 mm x 284 mm x 380 mm

Yrityksellä on omien laitteiden ja materiaalien lisäksi käytössään laaja yhteistyöverkosto, jonka kautta se pystyy tarjoamaan 3D-tulosteita useilla eri menetelmillä ja materiaaleilla.

Lisätietoja: https://ajatec.fi/

Kuva 9. Ajatecilla on käytössään mm. HP:n MJF 4200 -sarjan kone.

 

Delva Oy

Sijainti: Hämeenlinna

Delva on metallin 3D-tulostukseen ja siihen liittyvien palveluiden tarjontaan keskittynyt palveluntarjoaja Hämeenlinnasta. Viime aikoina painotus on ollut erityisesti Inconelilla ja työkaluteräksellä.

Käytössä olevat 3D-tulostimet: EOS M270, EOS M290

Materiaalivaihtoehtoina ovat Inconel 718, alumiini AlSi10Mg, ruostumaton teräs 316L, työkaluteräs MaragingSteel MS1, ja titaani Ti64.

Menetelmät ja tulostusalueet

  • Metallitulostus (DLMS), 250 mm x 250 mm x 325 mm

Yrityksellä on omien laitteiden ja materiaalien lisäksi käytössään laaja yhteistyöverkosto, jonka kautta se pystyy tarjoamaan 3D-tulosteita useilla eri menetelmillä ja materiaaleilla.

Lisätietoja: https://www.delva.fi

Kuva 10. Delvan esimerkkikappaleita, materiaalina Inconel 718.

 

Hetitec Oy

Sijainti: Valkeakoski

Hetitec on valuosien nopeisiin toimituksiin erikoistunut proto-, varaosa- ja piensarjavalimo. Kyseessä on myös toistaiseksi ainoa yritys Suomessa, joka tarjoaa hiekkamuottien / hiekkatulosteiden valmistusta. Yritys on saksalaisen Voxeljet AG:n edustaja Suomessa.

Hetitec on laajentanut palvelutarjontaansa vuoden 2019 aikana valimotuotannon puolelle eli tarjoaa nykyään hiekkatulosteiden lisäksi myös valupalveluja. Hiekkatulostukseen perustuvan muottitekniikan avulla yritys kykenee tarjoamaan valuosia jopa 7 päivän toimitusajalla.

Hiekkatulosteita käytetään yleensä kertakäyttöisten hiekkamuottien valmistuksessa osana valuprosessia, mutta hartsilla kovetettuina niitä voidaan käyttää kestävinä kappaleina myös muissa muottisovelluksissa kuten muovien ja metallien syvämuovaus.

Käytössä olevat 3D-tulostimet: VoxelJet VX1000

Menetelmät ja tulostusalueet

  • Hiekkatulostus (sidosainemenetelmä(), 1060 mm × 600 mm × 500 mm

Lisätietoja: https://www.hetitec.com/

Kuva 11. Hetitec tarjoaa hiekkatulostuksen lisäksi valupalveluja.

 

HT-Laser Oy

Sijainti: Keuruu

Yksi vuoden uusista tulokkaista oli myöskin HT-Laser, joka laajensi palvelutarjontaansa metallin 3D-tulostuksen puolelle. Yritys hankki käyttöönsä tehokkaan, kahdella laserilla varustetun jauhepetitulostimen täydentämään neljä- ja viisiakselisen koneistuksen palveluvalikoimaansa. Laitteisto on sijoitettu Keuruun yksikköön.

3D-tulostukseen liittyviä oheispalveluja yritys tarjoaa 3D-suunnittelun, lujuuslaskennan ja topologiaoptimoinnin osalta.

Käytössä olevat 3D-tulostimet: SLM 280 2.0 Twin 700W

Materiaalivaihtoehtoina ovat mm. ruostumaton teräs 316L, alumiini AlSi10Mg, titaani, inconel 718 sekä työkaluteräs Maraging 1.2709.

Menetelmät ja tulostusalueet

  • Jauhepetitulostus (SLM): 280 x 280 x 365 mm

Lisätietoja: https://htlaser.fi/

Kuva 12. HT-Laserin esimerkkejä metallin 3D-tulostuksesta.

 

Maker3D Oy

Sijainti: Helsinki ja Lahti

Maker3D tarjoaa 3D-tulostusta (mm. sopimusvalmistus, pienoismallit, työkaluvalmistus) sekä tuotekehityspalveluja. Yritys on Ultimaker, Formlabs, Sinterit–laitteiden maahantuoja ja edustaja suomessa sekä miniFactoryn jälleenmyyjä pohjoismaissa.

Viimeisimpiä tuoteuutuuksia ovat Formlabs Form3 SLA-laite, joka jatkossa korvaa aiemman Form2 –malliston, Sinterit Lisa Pro –jauhepetitulostin sekä Ultimakerin S-sarja. Ultimakerin S-sarjan koneisiin voi liittää materiaaliyksikön joka huolehtii materiaalin kuivana pitämisestä sekä EPA-suodattimella varustetun ilmanpuhdistusyksikön.

Käytössä on mm. seuraavat 3D-tulostimet: ProX SLS 500, Projet 660 Pro, ProJet 3500 HDMax, Fortus 400mc, Large 2x Dimension 1200 SST es, Objet Connex 350, Objet 30Pro, Objet 30, Formlab Form 2, Formlabs Form 3, Ultimaker…

Käytössä olevia materiaaleja ovat mm.: Polyamidi PA12, Ultem 9085, Duraform ProX, Visijet FTX, Visijet, Visijet PXL, ABS M30, PC, Vero Family, Digital ABS. Lisäksi laaja valikoima pursotuslaitteissa käytettäviä materiaaleja.

Menetelmät ja tulostusalueet

  • Pursotusmenetelmät (FDM), 406 mm x 355 mm x 406 mm
  • Nesteen fotopolymerisointi (SLA), 145 mm × 145 mm × 175 mm
  • Nesteen ruiskutus (Polyjet), 350 mm x 350 mm x 200 mm
  • Jauhepetitulostus (SLS), 381 mm x 330 mm x 460 mm

Yrityksellä on omien laitteiden ja materiaalien lisäksi käytössään laaja yhteistyöverkosto, jonka kautta se pystyy tarjoamaan 3D-tulosteita useilla eri menetelmillä ja materiaaleilla.

Lisätietoja: http://www.maker3d.fi

Makerin osastolla julkaistiin Ultimakerin S-sarja, esillä oli myös Formlabsin Form3 sekä esimerkkikappaleita Sinterit Lisa -tulostimen materiaaleista.

 

Materflow Oy

Sijainti: Lahti

Materflow tarjoaa sekä muovin että metallin 3D-tulostuspalveluja, suunnittelua ja tarvekartoitusta. Yritys hankki vuoden 2018 aikana käyttöönsä Concept Laserin metallitulostimen ja päivitti tämän vuoden aikana laitekantaansa entisestään. Uusimpina lisäyksinä ovat SLM280 metallitulostin ja EOS P380 muovitulostin.

Käytössä olevat 3D-tulostimet: EOS P380, EOS P395, SLM280, Concept Laser Mlab cusing, Ultra 3SP

Muovin 3D-tulostuksessa tarjolla on käytössä materiaalit: Polyamidi PA2200, PA3200GF (lasikuulavahvennettu), PEBA 2301 (joustava), E-Glass

Metallipuolella materiaalivaihtoehtoja ovat kobolttikromi CoCrW, alumiini AlSi10Mg, ruostumaton teräs 316L, työkaluteräs Maraging 1.2709.

Menetelmät ja tulostusalueet:

  • Jauhepetimenetelmä (SLS), 320 mm x 320 mm x 600 mm
  • Nesteen fotopolymerisointi (3SP), 266 mm x 175 mm x 193 mm
  • Metallitulostus (SLM), 280 mm x 280mm x 365 mm
    • Kobolttikromille: 90 mm x 90 mm x 80 mm

Yrityksellä on omien laitteiden ja materiaalien lisäksi käytössään laaja yhteistyöverkosto, jonka kautta se pystyy tarjoamaan 3D-tulosteita useilla eri menetelmillä ja materiaaleilla.

Lisätietoja: https://www.materflow.com/

Kuva 14. Materflow:n esimerkkikappaleita metallitulosteiden käyttökohteista.

 

Plastmode Oy

Sijainti: Kausala

Plastmode on yksi tämän vuoden uusista tulijoista 3D-tulostuspalvelumarkkinoille. Yrityksellä on 15 vuoden kokemus muoviosien suunnittelusta ja valmistuksesta ruiskuvalutekniikoilla. 3D-tulostuspalvelujen osalta yritys tarjoaa tuotekehityspolun ideasta lopputuotteeksi – yksittäisestä kappaleesta sarjavalmistukseen. Suunnitteluohjelmana yrityksessä on käytössä Creo.

Yrityksen osastolla oli mukana myös HP:n edustaja, mukanaan Multi Jet Fusion valmistusmenetelmiin liittyviä esimerkkikappaleita.

Käytössä olevat 3D-tulostimet: HP MJF 4200

Muovin 3D-tulostuksessa tarjolla on käytössä materiaalit: Polyamidi PA12

Menetelmät ja tulostusalueet

  • Multi Jet Fusion (MJF), 380 mm x 284 mm x 380 mm

Lisätietoja: https://plastmode.fi/

Kuva 15. Plastmoden osastolla oli yrityksen omien esimerkkikappaleiden lisäksi HP:n MJF- esimerkkitulosteita. Varsinkin erilaisista komponenteista muodostuva työkalupakki oli hieno esitys 3D-tulostuksen mahdollisuuksista.

 

Protohouse Finland Oy

Sijainti: Salo

Protohouse on erikoistunut prototyyppien valmistukseen ja tarjoaa 3D-tulostusta, koneistusta (3- ja 5- akselikoneilla) sekä laserleikkausta. Yrityksellä on runsaasti kokemusta 3D-tulostuksesta, sillä kyseessä on entinen Nokian sisäinen protopaja.

Käytössä olevat 3D-tulostimet: 3DSystems ProJet 6000HD, 3DSystems ProJet 3000HD, 3DSystems ViperSi2

Materiaalivaihtoehtoina ovat: Somos Extreme XC11122 (kirkas), VisiJet® SL Flex (joustava)

Menetelmät ja tulostusalueet

  • Nesteen fotopolymerisointi (SLA), tulostusalue 250 mm x 250 mm x 250 mm.

Lisätietoja: https://protohouse.fi/

Kuva 16. Protohousen esimerkkikappaleita.

Edellämainittujen yritysten lisäksi suomesta löytyy joitakin pieniä 3D-tulostuspalveluja tarjoavia yrityksiä jotka eivät olleet alihankintamessuilla esillä.

 

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

Tulostusfilamentin valmistus granulaatista tai rouheesta

Muovi. Hyvä, paha muovi. Oikeassa paikassa varsin hyödyllinen ja käyttökelpoinen, väärässä paikassa yksi suurimmista ja näkyvimmistä haitoista. Kiertotalousajattelu on vahvistunut vahvasti muovin ympärillä toimivan 3D-tulostuksen piirissä ja muovin ympäristöhaitat ovat tunnustettu. Markkinoille on alettu tuottaa kierrätysmuovifilamentteja, biopohjaisia ratkaisuja ja pienen mittakaavan kierrätyslaitteistoja. Savonian 3D-tulostusympäristöönkin on saapunut kaksi uutta laitetta, jotka mahdollistavat omatekoisen 3D-tulostusfilamentin valmistamisen: Alankomaalaisen 3devon valmistamat SHR3D IT-muovisilppuri (kuva 1a) sekä Filament Composer 450-filamentinvalmistuslaite (kuva 1b).

Omatekoisen kierrätysfilamentin valmistus alkaa sopivan muovimateriaalin silppuamisesta. SHR3D IT on kykenevä silppuamaan sille syötetyn muovin alta 5 mm x 5 mm x 5 mm murskaksi, joka on riittävän pientä Filament Composerin käytettäväksi. Tuotettu silppu syötetään Filament Composerin syöttäjäkuiluun, lämpötila-asetukset säädetään muovilaadulle sopiviksi ja laite tuottaa materiaalia pursottaviin 3D-tulostimiin sopivaa filamenttia oikeiden säätöjen jälkeen automaattisesti.

Hyvänä päivänä kaikki sujuu kuin pitääkin ja filamentti valmistuu kuin itsestään. Pahimmassa tapauksessa ongelmia voi kuitenkin esiintyä lähes tilanteessa kuin tilanteessa, mikä nakertaa laitteiden käytön miellyttävyyttä. Seuraavaksi käydään läpi laitteiden toimintaperiaatteet sekä poikkeustilanteita ja käyttökokemusta heikentäviä yksityiskohtia. Nuoren yrityksen tuottamissa laitteissa on siis vielä hieman ns. lastentauteja ja pienelle hienosäädölle on kysyntää.

Kuva 1. a) SHR3D IT-silppuri, b) Filament Composer 450

SHR3D IT

SHR3D IT on melko yksinkertainen silppuri. Sen syöttökouru yhdistyy silppuriin (kuva 2a), josta silputtu materiaali kulkee metalliseen avosäiliöön (kuvat 2b ja 2c). Syöttökourussa ja säiliön luukussa on mikrokytkimet ja niiden avaaminen pysäyttää silppurin moottorin. Laite on siis hyvin käyttöturvallinen. Kiinnostuneille lisätietoa löytyy linkin takaa: https://3devo.com/shred-it/.

SHR3D IT on kuitenkin taipuvainen sulakkeen polttoon, mikäli silppurin väliin on jäänyt sammutustilanteessa vähänkään muovinpaloja tai laitteeseen syöttää liikaa silputtavaa materiaalia. Materiaalin syöttökouru on melko ahdas, jolloin syötettävän materiaalin on oltava jo valmiiksi hajotettu kyllin pieniin osiin, jotta kappaleet voivat edetä silppuriin asti. Tästä johtuen esimerkiksi jämäfilamenttien silpominen on haastavaa, ja jämistä on viisainta keriä nättejä keriä, jotka mahtuvat matkaamaan kourun läpi (kuvat 3a ja 3b). Murskattu muovimateriaali on lisäksi erittäin sähköistä ja tarttuu käsiin sekä niin silppurin, kuin Filament Composerin seinämiin (kuvat 3c ja 3d). Tällöin pieni osa materiaalista menee hukkaan ja jäämät toimivat epäpuhtauksina, kun silppuriin syötetään toista materiaalia. Laitteen täysivaltainen puhdistus on erityisen työlästä, johtuen ahtaista väleistä ja tiukkaan kiinnittyneestä muovisilpusta.

Yhteenvetona laite on silti varsin soiva peli. Todennäköisesti käyttökokemukset pohjautuvat hieman eri käyttöön, kuin mihin laite on varsinaisesti tarkoitettu, eikä mm. täyttöongelmia esiinny tavanomaisemmassa käytössä. Myös epäpuhtausongelma hälvenee, mikäli laitteella murskataan vain yhtä muovilaatua, kuten yleisesti käytettyä PLA-muovia ja laite puhdistetaan säännöllisesti.

Kuva 2. a) Silppuri ja kourun liitin, b) silppusäiliö c) silppusäiliö täytettynä ja irrallaan.
Kuva 3. a) Jämäfilamenttikeriä, b) Filamenttikerät kourussa, c) sähköistä muovisilppua d) muovisilppua SHR3D ITin sisäseinissä.

Filament Composer 450

Filament Composer 450:ssä on jo enemmän liikkuvia osia ja säätöjä. Silputtu materiaali tai puhdas granulaatti laitetaan laitteen syöttäjäkuiluun josta ruuvi työntää materiaalin neljän säädettävän lämpötilavyöhykkeen läpi. Tavoitelämpötilat riippuvat pääasiassa käytettävästä muovilaadusta, mutta myös lisäaineet vaikuttavat yhtälöön. Kuva 4 havainnollistaa, miten muoviaines vedetään filamentiksi. Neljän lämpövyöhykkeen jälkeen aines saapuu suutinpäähän (1) josta aine pursotetaan ulos. Tämän jälkeen materiaali pyritään viilentämään välittömästi tuulettimilla (2), jotta aine säilyttää pyöreän muotonsa. Liian kuuma aine litistyy herkästi ja toisaalta liian viileä muovimassa alkaa myös kiteytymään suutinpäähän joka voi tukkeutua. Seuraavaksi materiaali täytyy manuaalisesti ohjata optisen paksuushavainnoijan (3) ja ”pullerin” eli vetosysteemin (4) läpi, jossa litistymistä voi tapahtua materiaalin ollessa liian kuumaa ja tuotettu filamentti litistyy käyttökelvottomaksi. Vetosysteemi säätää nopeuttaan automaattisesti saavuttaakseen filamentin oikean paksuuden. Lopuksi, nyt filamentin muodossa jo oleva materiaali täytyy ohjata vielä filamentin keräysmekanismin (5) läpi tyhjälle filamenttikelalle. Lopuksi aloitetaan keräys, kela alkaa pyöriä ja laite toimii tämän jälkeen itsestään.  Laitteen tärkeimmät säädöt ovat lämpötila-alueiden ohjaus sekä ruuvin nopeuden säätö, mutta monet muutkin asiat ovat manuaalisesti säädettävissä. Normaalitilassa laitteen näyttö näyttää lämpötilat sekä filamentin paksuuden reaaliaikaisesti, jolloin tarve laitteen hienosäädöille on helppo havaita (kuva 5a). Tästä laitteesta lisää tietoa seuraavasta linkistä: https://3devo.com/product/composer-450/#description.

Sitten käyttökokemuksiin, jotka ovat ristiriitaiset. Laitteen tarkoitus on hyvä ja se helpottaa elämää omalla tavallaan, mutta kaipaa vielä hienosäätöä. Ensinnäkin Filament Composerissa on nelikulmainen materiaalin syöttökuilu pyöreän sijaan, jolloin osa silppumateriaalista kiilautuu sen nurkkiin (kuva 5b). Täten osa materiaalista täytyy saattaa ruuviin tikulla tai ilmavirran avulla. Kuilun säleikkö on myös sen verran tiheäsilmäinen, ettei muovisilppu painu sen läpi omalla painollaan. Täten säleikön päälle voi jäädä kerros muovia samalla, kun materiaali sen alla matkaa ruuviin. Silppua täytyy siis sekoittaa aika-ajoin. Lisäksi kuilun suojapleksi on täysin irrallinen ja hyvin heikosti paikallaa pysyvä, joten se on parasta teipata kiinni täytön ja tuotannon ajaksi (kuva 6a). Laite myös havainnoi kuilussa olevan materiaalin määrän optisesti ja havainnointijärjestelmän toiminta voi estyä pienenkin muovinpalasen kiinnittyessä havaitsijan eteen, jolloin automaattinen sammutusmekanismi ei toimi ja laite jää pyörimään tyhjänä (kuva 6b).

Seuraava mahdollinen ongelmakohta on filamentin paksuuden havainnoijan likaantuminen. Laite alkoi eräänä päivänä tuottaa erittäin vaihtelevan paksuista filamenttia eikä havainnoija nollaantunut, vaikka filamentin poisti havainnointijärjestelmästä. Selvisi, että paksuuden havainnoijan linssiin oli kiinnittynyt sulaa muovia. Miten, on hieman epäselvää, sillä filamentti on jo kiinteässä muodossa havainnoijan läpi kulkiessaan. Lisäksi eräiden, etenkin pehmeiden muovityyppien on huomattu kiinnittyvän kumiseen vetorenkaaseen (kuva 6c). Onneksi se on pitkälti vältettävissä sopivilla lämpötila-asetuksilla, filamentin viilennyksellä sekä oikealla vetonopeudella. Ongelma syntyy silloin, kun filamentintuotannon aloittaa ja vanhan, laitteessa olevan muovimateriaalin antaa valua pois, eikä laitetta valvota. Viimeinen parjauksen aihe löytyy kelaussysteemistä. Sen täytyy olla juuri oikealla kireydellä, jotta filamentin keräys onnistuu. Tuo oikean kireyden alue on tuskallisen pieni, vaikka säätöalue on laaja, eikä kela liian kireällä tai löysällä ollessaan jaksa pyöriä. Oikean kireyden löytää vain kokeilemalla. Kelauksen automaattinen nopeussäätö pelaa normaalisti hyvin, mutta kokemuksen mukaan kelalliseen filamenttia mahtuu vähintään yksi löysälle jäänyt kierros, josta syystä filamenttikerästä ei tule nättiä ja tasaisesti täytettyä. Tämä johtaa siihen, että kelaa ei saa täyteen, vaan keräys täytyy keskeyttää, sillä filamentti alkaa purkautua helposti epätasaisesti täytetystä kelasta. Usein kelausnopeuden ongelmien yhteydessä myös vetosysteemi tai ruuvi toimivat väärillä nopeuksilla ja filamentista tulee liian paksua.

Laite toimii pitkälti siis automaattisesti, mutta muutamia käyttökokemusta latistavia seikkoja löytyy. Suurimmat ongelmat liittyvät etenkin syöttäjäkuilun toimintaan, muiden ongelmien ollessa vähemmän yleisiä. Periaatteessa kun filamentin tuotantoprosessi on saatu keräysvaiheeseen, ainoa huomiota kaipaava seikka on kuilun hämmentäminen niin, että muovisilppu pääsee ruuviin. Sekoittaminen on suoritettava noin vartin välein, mikä on vähintään tuskastuttavaa, sillä laitteen läheltä ei uskalla poistua kauas. Muut ongelmat liittyvät pitkälti tuotantoprosessin aloittamiseen, jolloin useampi asia voi mennä pieleen, mutta samalla aikaa käyttäjä on lähellä tekemässä tarvittavat korjausliikkeet. Filamenttia voi mennä hukkaan metreittäin siitä huolimatta, se voi katketa tai pursotus voi olla liian ohutta tai paksua automaattisten nopeudensäätöjen toimintojen epäonnistuessa jopa kesken tuotantoprosessin. Katkeaminen on kesken tuotantoprosessin harmillista, sillä tuotettu filamentti menee hukkaan, ohut filamentti johtaa alipursotukseen 3D-tulostettaessa ja liian paksu lanka ei mahdu 3D-tulostinten suuttimeen. On hyvin kiusallista, että yksikin liian paksu kohta filamentissa voi pilata koko tulosteen. Laite kuitenkin tuottaa tyydyttävällä nopeudella varsin tasalaatuista filamenttia, kunhan tähtikuviot osuvat kohdalleen ja prosessi saadaan alkuun.

Tähän asti Filament Composerissa on käytetty kierrätysmuoveja, jotka ovat hankalampia työstää, kuin kertaalleen lämpömuovatut epäonnistuneet tulosteet ja osa ongelmista voi pohjautua käytettyjen muovien huomattavasti heikenneeseen laatuun.  Mainittakoon myös, että mikäli laitteella haluaa tehdä omia värisekoituksiaan, niin varautuminen pahimpaan on paikallaan. Värit ovat peräisin muovin lisäaineista, ja niiden käyttö muuttaa muovin ominaisuuksia, vaikka käytetty muovilaatu olisikin sama. Pienet muutokset esimerkiksi muovin sulamispisteissä ja kiteisyydessä johtavat siihen, että muovien yhdistelmästä tulee haurasta ja epätasalaatuista, ainakin omien kokemuksien perusteella (kuva 7). Tässäkin on kuitenkin huomioitava se, että eri väristen muovien yhdisteleminen on hyvin eri asia, kuin puhtaan muovigranulaatin ja väriaineiden yhdistäminen mieleisen värisen filamentin valmistuksen toivossa.

Kuva 4. Filament Composerin filamentin viilennys-, havainnointi- ja vetosysteemit.

 

Kuva 5. a) Filamentin valmistuksen oletusnäkymä, b) Muovisilppua säleikön alla kuilun reunoilla, ruuvi pohjalla.

 

Kuva 6. a) Syöttökuilun pleksin tuenta ja silppua matkalla ruuviin, b) Muovisilpun määrän havainnoija, c) Filamentti kiertyneenä vetorenkaan ympärille.

Lopuksi vielä

Kilpailu alalla ei taida olla vielä liian kovaa, sillä laitteiden hinnalla toivoisi saavan hieman korkeampaa laatua. Tosin, laitteet valmistama yritys on vielä nuori ja kaipaavat käyttäjiltään kokemuksia tulevaisuutta varten. Samalla myös henkilökunta 3D-tulostuslaboratoriossa kaipaa vielä lisää käyttökokemusta laitteista ja etenkin Filament Composerin manuaalisista säädöistä. Se ei kuitenkaan poista niitä käyttäjän mielestä huonoja suunnitteluratkaisuja, joita kyseisessä laitteessa on. Molemmat laitteet ovat kuitenkin, kuten sanottu, viime kädessä toimivia. Niiden avulla saa valmistettua varsin käyttökelpoista tulostusfilamenttia, kunhan sen eteen jaksaa nähdä pientä vaivaa ja asennoituu kohtaamaan pieniä, jopa yllättäviä haasteita. Vanhat ja epäonnistuneet tulosteet voidaan nyt uusiokäyttää sen sijaan, että ne varastoidaan tai päätyvät jätteeseen, mikä on energiansäästön ja taloudellisuuden näkökulmista voitto. Millaista filamentin laatu sen sijaan on verrattuna kaupan neitseelliseen muoviin, selviää 3D-tulostuslaboratoriossa tehtyjen tutkimusten myötä myöhemmin. Lopuksi on hyvä mainita, että koneen käyttöönoton yhteydessä testasimme filamentin tekemistä myös puhtaasta PLA –granulaatista – sen tekeminen langaksi onnistui ongelmitta ja filamentista tuli ainakin päällisin puolin hyvälaatuista.

Kuva 7. Ei kovin kaunis rulla, mutta rulla kuitenkin.

 

Antti Väisänen
Projektityöntekijä
Savonia-ammattikorkeakoulu

Lauri Alonen
Projekti-insinööri
Savonia-ammattikorkeakoulu

Pursottavat 3D-tulostimet ja tulostusalustat: testissä BuildTak FlexPlate

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

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

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

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

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

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

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

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

BuildTak FlexPlate

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

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

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

Järjestelmän asennus

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

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

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

BuildTak FlexPlate-järjestelmä käytössä

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

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

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

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

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

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

DIY -vaihtoehto

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

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

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

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

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

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

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

 

Sampsa Ylönen
Projektityöntekijä

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu

 

3D-tulostus sairaalaympäristössä, tilannekatsaus (kesäkuu 2019)

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

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

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

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

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

Luentopäivän antia 

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

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

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

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

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

Muita päivän aikana esille nousseita asioita

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

 

 3D-tulostus ja tulevat direktiivimuutokset 

Lähivuosina astuu voimaan kaksi uutta eu-direktiiviä: 

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

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

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

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

Materialisen Leuvenin tuotantoyksiköstä 

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

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

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

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

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

 

Antti Alonen
TKI-asiantuntija
Savonia-ammattikorkeakoulu