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.
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.
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.
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.
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.
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
