Esimerkkikuva tulostuksesta. Lähde: https://uk.pcmag.com/3d-printers/74222/3d-printing-what-you-need-to-know

Huom. Katselet keskeneräistä versiota aiheesta 3D-tulostus. Sivu päivittyy ennen luentoa lisämateriaalilla.

Paras tapa oppia 3D-tulostusta on ensin ymmärtää, miten tulostimet toimivat, niiden osat ja ominaisuudet, sekä perehtyä sen tulostimen turvallisuusohjeisiin, jota olet käyttämässä. Sen jälkeen kannattaa pohtia mihin haluaisit käyttää 3D-tulostinta niin pienessä kuin suuressa mittakaavassa. Tietenkin käytännön kokemus on myös erinomainen opettaja! Tutustutaan ensin tulostuksen turvallisuusnäkökulmiin:

Seitsemän kysymystä 3D-tulostuksen turvallisuudesta

Lähde: https://www.ttl.fi/tyopiste/seitseman-kysymysta-3d-tulostuksen-turvallisuudesta

 

 

 

3D-tulostus on valmistusmenetelmä, jossa kappale syntyy automaattisesti tietokonemallin perusteella.

Tärkeimpiä materiaaleja ovat muovit ja metallit. Yksi valmistustapa on se, että tulostinlaite kuumentaa muovinauhaa tai -pulveria ja tekee syntyneestä seoksesta esineen kerros kerrokselta.

3D-tulostustyöhön liittyy varsinaisen tulostamisen lisäksi materiaalin käsittelyä, tulostetun kappaleen jälkikäsittelyä sekä laitteiden huoltoa ja kunnossapitoa.

Kysyimme Työterveyslaitoksen erikoistutkijalta Anna-Kaisa Viitaselta 3D-tulostuksen turvallisuudesta.

1. Mitä terveydelle haitallisia vaikutuksia 3D-tulostuksessa käytettävillä kemikaaleilla on?

Epoksihartsi ja muut kovettumattomat muovimateriaalit ovat voimakkaasti herkistäviä eli ne aiheuttavat allergista ihottumaa. Niille altistuminen voi pahimmillaan johtaa siihen, ettei työntekijä pysty enää jatkamaan samoissa tehtävissä.

Liuottimet, kuten asetoni ja alkoholit, voivat aiheuttaa keskushermosto-oireita. Jauhemaiset tulostusmateriaalit taas saattavat ärsyttää ihoa, silmiä tai hengitysteitä.

Tulostusmateriaalit voivat sulaessaan vapauttaa hengitysilmaan nanohiukkasia sekä kaasumaisia yhdisteitä, kuten styreeniä. Nanohiukkaset ovat pienen pieniä hiukkasia, jotka ovat läpimitaltaan vain joitakin millimetrin miljoonasosia.

Nanohiukkasille altistuminen on yhdistetty joihinkin kielteisiin terveysvaikutuksiin, mutta ne tunnetaan vielä huonosti.

2. Vapautuuko 3D-tulostuksessa aina hiukkasia ilmaan?

Hiukkasten vapautuminen riippuu siitä, millaista tulostustekniikkaa, materiaalia ja lämpötilaa käytetään. Hengitysilmaan vapautuvat hiukkaspitoisuudet voivat olla merkittäviä vain, jos tulostinta ei ole koteloitu.

3. Mitkä ovat kolme tärkeintä asiaa 3D-tulostustyön turvallisuuden parantamiseksi?

Riskinarvioinnin tekeminen kaikista työvaiheista, kemikaalien asianmukainen käyttö ja tehokkaasta ilmanvaihdosta huolehtiminen.

4. Voiko raskaana oleva työntekijä tehdä 3D-tulostusta turvallisin mielin?

Raskaana olevien on hyvä keskustella asiasta työterveyshuollossa. Erityisesti liuotinaineiden ja syöpävaarallisten kemikaalien kanssa työskennellessä on syytä erityiseen varovaisuuteen. Pursotustekniikkaan perustuvilla pientulostimilla tulostaminen on pääsääntöisesti turvallista.

5. Miten pientulostaminen eroaa teollisen mittakaavan tulostamisesta?

Pienimuotoista 3D-tulostamista tehdään esimerkiksi kotona, kirjastoissa, oppilaitoksissa ja suunnittelutoimistoissa. Pientulostimet ovat mikroaaltouunin kokoisia ja suhteellisen edullisia.

Pientulostimet perustuvat tyypillisesti pursotustekniikkaan, mutta viime aikoina markkinoille on tullut myös stereolitografiaan perustuvia 3D-tulostimia. Stereolitografiassa nestemäistä muovikemikaalia, esimerkiksi epoksihartsia, kovetetaan kerros kerrokselta laserin avulla.

Teollisuudessa käytetään selvästi kookkaampia tulostimia ja useita erilaisia tekniikoita. Myös tulostusmäärät ovat suurempia kuin pientulostamisessa.

6. Onko 3D-tulostinten käyttö toimistotiloissa turvallista?

3D-tulostinten käyttö toimistotiloissa on pääsääntöisesti turvallista. Jos tulostinta ei ole koteloitu, toimiston nanohiukkaspitoisuudet voivat nousta yli suositellun tason. Paras ratkaisu olisi sijoittaa 3D-tulostin erilleen työtiloista tai käyttää koteloitua tulostinta.

Jos käytössä on stereolitografia-menetelmään perustuva 3D-tulostin, on tärkeää huolehtia epoksihartsin turvallisesta käytöstä. Se voi olla haastavaa toimistotiloissa.

7. Onko pienten 3D-tulostinten harrastuskäyttö kotona turvallista?

Tulostaminen on turvallista, kun työtavat ovat oikeita ja ilmanvaihto riittävä.

Jos tulostimessa käytetään epoksihartsia tai muita kovettumattomia muovikemikaaleja, niitä pitää käsitellä erittäin huolellisesti. Epoksihartsiin tai kovettumattomaan muovikappaleeseen ei saa koskea paljain käsin.

Myös kotona liuottimien ja muiden jälkikäsittelykemikaalien käyttö ja varastointi pitää suunnitella turvalliseksi. Kannattaa aina käyttää kemikaalinsuojakäsineitä.

Koteloidusta 3D-tulostimesta ei juurikaan vapaudu päästöjä sisätiloihin. Koteloimattoman 3D-tulostimen ihanteellinen sijoituspaikka olisi erillään asuintiloista, esimerkiksi autotallissa. -Marja Sarkkinen

Aloitetaan seuraavaksi tutkimusmatka 3D-tulostukseen

1. Tutustu 3D-tulostusprosessiin
3D-tulostus tarkoittaa digitaalisen mallin luomista ja sen lähettämistä tiedostona, joka valmistetaan fyysiseksi, kolmiulotteiseksi esineeksi.

3D-tulostusta voisi verrata kotona tai koulussa olevaan printteriin, paitsi että 3D-tulostimet tulostavat materiaaleja lisäävällä prosessilla, eivätkä mustetta paperille. Toisin sanoen, 3D-tulostus muistuttaa enemmän valmistamista ja rakentamista kuin varsinaista "tulostamista" lopputuloksen fyysisen luonteen vuoksi.

3D-tulostuksella voidaan tuottaa jopa taloja.

3D-tulostimilla pystyy luomaan hämmästyttäviä projekteja. Tässä on joitakin tapoja, joilla niitä käytetään:

• Uusien suunnitelmien prototyyppien luominen
• Koneiden tai autojen osien korvaaminen
• Lelujen ja koriste-esineiden rakentaminen
• Proteesien ja elinten luominen
• Talojen rakentaminen

Kuten yllä olevasta lyhyestä listasta näkyy, 3D-mallinnuksen ja tulostuksen maailma on laaja. Voisi jopa sanoa, että jos voit unelmoida sen, voit myös rakentaa sen!

2. Opettele 3D-tulostimen osat
3D-tulostimen tärkeimpiä osia ovat tulostuspeti, suutin, suulake ja lanka.

Tulostusalusta
Tulostusalusta on se, mistä tulostus alkaa! Ensimmäinen tulostuskerros muodostuu tulostusalustalle, ja sen päälle rakennetaan kerros kerrokselta, kunnes esine on valmis. Ajattele tätä kuin mustesuihkutulostimen "alustana", joka "pitää" sen, mitä tulostetaan. Tulostusalustaa voisi verrata paperiin, joka mahdollistaa tulostuksen luomisen siihen.

VAROITUS!
Koska tulostin tulostaa sulaa muovia, ovat lämpötilat korkeita. Tutustu käyttämäsi tulostimen turvallisuusohjeisiin ennen tulostusta ja sen aikana.

Lämpöalusta
Lämpöalusta kuumenee auttaakseen ensimmäistä tulostuskerrosta tarttumaan alustaan ja estää mallin pohjan jäähtymistä ja vääntymistä (tai kutistumista). Lämpöalustan avulla tulosteet irtoavat alustalta paljon epätodennäköisemmin tulostuksen aikana, mikä parantaa onnistumismahdollisuuksia, kun malli tulostuu tasaisella pohjalla.

Lanka
Lanka on aine, jota käytetään tulostettavien kerrosten luomiseen. (Ajattele lankaa kuin mustetta tavallisessa tulostimessa.) Yleensä lanka on muovia, mutta se voi olla valmistettu erilaisista materiaaleista, kuten polylaktidihaposta (PLA), akrylonitriilibutadieenistyreenistä (ABS) ja muista.

Kun valitset lankaa, varmista, että tarkistat lämpötilat ennen tulostusta - eri materiaalien sulamispisteet vaihtelevat!

Suulake
Suulake kuumentaa langan sen sulamispisteeseen ja sitten työntää materiaalin kerroksiksi. Se on yleensä kiinnitetty hihnoihin, jotka liikuttavat suulaketta luodessaan jokaisen kerroksen.

Suutin
Suuttimen kärki, josta lanka tulee ulos, on nimeltään suutin. (Suutin lämpenee yli 200 asteeseen!)

Älä koskaan koske suulakkeeseen; se on erittäin kuuma, kestää pitkään jäähtyä, ja pöly tai rasva voi helposti tukkia suuttimen.

3. Kertaa 3D-tulostuksen turvallisuusohjeet
Ennen kuin tulostat, on tärkeää muistaa 3D-tulostinten käytön turvallisuus. Yleisenä sääntönä on, että lapsia ei tulisi koskaan jättää yksin tulostimien kanssa, ja heidän tulisi käyttää niitä vain aikuisen valvonnassa.

3D-tulostin on työkalu, aivan kuten vasara tai ompelukone, ja voi aiheuttaa vahinkoa tahattomastikin. Liikkuvien osien ja korkeiden lämpötilojen vuoksi on vaaroja, jos asianmukaisia varotoimia ei noudateta. Tämä ei ole missään nimessä tyhjentävä lista turvallisuusasioista. 

4. Ymmärrä "miksi" ja "mitä"
Usein kun jokin uusi ja kiiltävä asia tulee vastaan, ja ihmiset ryntäävät sen pariin tai heille kerrotaan, että heidän pitäisi rynnätä sen pariin, mutta kukaan ei koskaan pysähdy pohtimaan "miksi?"

Mitä hyötyä 3D-tulostuksesta on, paitsi että se on siisti ja uusi? Meillä on jo perinteinen tulostus, ja meillä on myös ihmisiä ja tehtaita, jotka jo rakentavat monia edellä mainittuja asioita.

Ei ole kuitenkaan liioiteltua todeta, että 3D-tulostus on jo mullistanut ja mullistaa maailmaa.

Kyse ei ole vain siitä, että 3D-tulostus on jo kehittynyt tai kehittymässä siihen pisteeseen, että voimme luoda mitä tahansa kuviteltavissa olevaa. Kyse on siitä miten prosessi toteutetaan ja mikä erottaa sen olemassa olevista teknologioista. Ajattele tehokkuutta, kustannuksia, laajennettavuutta, riskienhallintaa, kestävyyttä ja muita tekijöitä. 3D-tulostus tarjoaa useita etuja perinteiseen valmistukseen verrattuna, kuten vaikkapa nopeus: vaikka tulostus itsessään voi viedä tuntejakin, on silti nopeaa tulostaa vaikkapa jokin tietty kodinkoneen osa 2 tunnissa kuin tilata ja odotella 2 viikkoa paketin saapumista. Rahaakin voi säästyä itse tulostamalla.

3D-tulostus avaa myös innovaatioiden ja luovuuden ovia. Aivan kuten värikynät, tussit ja maalaaminen kohottivat aloittelevan taiteilijan kykyjä, tai tietokoneruutu antoi lapsille mahdollisuuden siirtyä kynä- tai lyijykynäpiirroksista täysimittaisiin graafisiin luomuksiin, 3D-tulostus on seuraava taso kaikille, joilla on suuri mielikuvitus.

What can you made with a 3D-printer? https://ultimaker.com/learn/what-can-you-make-with-a-3d-printer/

5. Hanki kokemusta
Kuten huomaat, 3D-tulostus voi olla siistiä, hauskaa ja jopa maailmaa muuttavaa, mutta sen opettelu voi myös olla hyvin vaativaa ja aikaa vievää, riippuen täysin siitä, millainen projektisi on. On olemassa useita ilmaisia resursseja ja ohjelmistoja, joita löytyy verkosta. Aloittaminen voi kuitenkin olla vaikeaa, joten aiheeseen on hyvä perehtyä vaikkapa juuri tämän kurssimme muodossa.

Aloittelijoille voi olla hämmentävää oppia tuntemaan kaikki 3D-tulostimen osat. Tämä 3D-tulostimen osien yleiskatsaus alla antaa sinulle hyvän käsityksen siitä, mitä osia perinteinen 3D-tulostin sisältää. Huom. Osien tarkempi erittely aakkostuksen avulla ei toimi, vaan Moodle korvaa ne numeroilla. Ymmärrettävämpi versio löytyy täältä: https://3dprinteruniverse.com/blogs/world-of-3d-printing/anatomy-of-a-3d-printer

1. X-axis - The left and right motions move along the X-axis.
   1. X-axis motor
2. Y-axis - The forward and backward motions move along the Y-axis. The print bed usually will move along the Y-axis.
   1. Y-axis motor
3. Z-axis - The up and down motions move along the Z-axis.
   1. Z-axis motor - Behind frame
4. Print Bed - This is the surface where the print will be built on. The print bed surface that can be made of a variety of materials that help the print stick to the bed. PEI is a common material that can be added to the print bed and helps with adhesion. There are also more premium print surfaces such as FilaPrint by FilaFarm that benefits from easy remove of prints.
5. Controller - This is the brain of the printer. It is usually where interface for controlling the printer is and where all the other parts are plugged into. 3D printers have many kinds of firmware that can run on them. One of the most popular is Marlin.
6. Extruder - This is how the filament gets pushed into the nozzle for printing. There is a motor with a gear that turns and slowly pushes filament into the Hotend. There are many kinds of extruders that hold different properties such as the Flexion extruder that is specially designed for flexible filament. Extruders can come in 2 styles: bowden or direct drive.
   1. Extruder Motor
7. Bowden tube - This is the tube that has filament running through it. This only applies to setups with a bowden style extruder.
8. Hotend - The hotend assembly is where the plastic melts so it can be deposited onto the print. The hotend is comprised of a few parts.
   1. Nozzle - The nozzle gets hot and melts the filament. The nozzle is connected to the heater block. It comes in many sizes ranging from 0.1mm to as much as 2mm or beyond depending on the application. The typical size is 0.4mm. The nozzle can be swapped out for other sizes as needed.
   2. Heater block - The heater block is where the heater cartridge is connected. There may or may not be insulation around the block. Insulation helps with preventing heat fluctuation.
   3. Heater Cartridge - The heater cartridge runs through the heater block as the source of heat for the hotend.
   4. Thermistor - The thermistor is positioned just inside the heater block and reads the temperature of the hotend.
   5. Heat Break and Heat Sink- The heat break is the portion of the hotend that needs to be cooled in order to prevent the heat from the heater block from traveling too far up the hotend. Ideally the heat should be isolated to where the plastic is melting. Softening of the filament too far up the hotend will cause clogging.
   6. Cooling fan - The cooling fan cools the heat break.
   7. Part cooling fan - The part cooling fan quickly cools the material that has just been deposited. Not all printers have this and it is not always required. The requirement depends on the material being used. For example, PLA filament benefits greatly from being cooled quickly as opposed to ABS filament which may warp if cooled too quickly.
9. End stops/Limit switches - End stops mark the home position of each axis. When homing the printer (moving the axes to their home position), each axis will move towards these ends stops. Once it reaches the end stop, the movement of that axis will stop. This tells the printer that the axis has reached its home position.
10. Extras - these parts are not required but they are becoming more common place. a: Auto level sensor - Auto level sensors are completely optional and they come in many different forms. Sometimes it will be used in place of an end stop for the Z axis. This sensor is used to measure where the low and high points are the on bed so that the printer can compensate for the differences. This allows the printer to print on the surface evenly even if the bed is uneven. This can eliminate the need to level the bed manually. An example of such device is the wildly popular BLTouch by ANTCLABS. b: Filament sensor - This unit detects when the filament runs out and pauses the print.

Lähde: 3D-printer Universe https://3dprinteruniverse.com/blogs/world-of-3d-printing/anatomy-of-a-3d-printer

3D-tulostimia löytyy kattavasti kirjastojen varustelusta. Esimerkiksi Espoon tarjonnan löydät täältä: https://varaamo.espoo.fi/search?date=2018-10-11&people=&purpose=&search=3d

Tässä on lista tutustumisen arvoisista linkeistä liittyen valmiisiin 3D-malleihin. 3D-mallin voit tehdä toki myös itse!

https://cults3d.com/en

https://www.thingiverse.com/

YouMagine

Käyttäjäystävällinen 3D-mallikirjasto mikä tarjoaa mahdollisuuden ladata ja jakaa 3D-malleja stl-muodossa.

Linkki: https://www.youmagine.com/

MyMiniFactory

MyMiniFactory on myös yhteisöllinen 3D-mallisivusto. 

Linkki: http://www.myminifactory.com

SketchUp 3DWareHouse

SketchUp 3D-mallien sivusto. Täällä löytyy SketchUp ohjelmalla aukeavat 3D-mallit.

Linkki: https://3dwarehouse.sketchup.com

ALL3DP klikkaa tästä.

Pinshape klikkaa tästä.

Mitä tulee ottaa huomioon, kun tulostat 3D-tulostimella?

Hyvä 3D-tulostus alkaa hyvin suunnitellusta mallista, jossa otetaan huomioon tulostimen rajoitukset ja materiaalin käyttäytyminen. Huolellinen valmistelu ja optimointi takaavat, että mallisi on tulostuskelpoinen ja lopputulos vastaa odotuksia.

Näiden alla listattujen asioiden avulla voit varmistaa, että 3D-tulostuksesi sujuu onnistuneesti ja saat haluamasi lopputuloksen. Lista ei ole tyhjentävä.

Tässä on keskeisimmät asiat, jotka tulisi huomioida:

1. Mallin rakenne ja yksityiskohdat

• Tarkkuus: 3D-tulostimen tulostusresoluutio määrittää, kuinka tarkasti se pystyy toistamaan yksityiskohtia. Varmista, että mallisi yksityiskohdat eivät ole liian pieniä tulostimen resoluutiolle.
• Seinien paksuus: Mallin seinämien tulisi olla riittävän paksuja, jotta ne voidaan tulostaa. Liian ohuet seinät voivat johtaa hauraaseen lopputulokseen tai epäonnistuneeseen tulostukseen.
• Overhang-rakenteet: Mallissa olevat ulkonevat rakenteet, joita ei tueta pohjalta, saattavat vaatia tukirakenteita tulostuksen aikana. Näiden tukien poistaminen voi olla haastavaa, joten suunnittele malli niin, että tukien tarve on minimoitu.

2. Tulostusmateriaalit

• Materiaalivalinta: Yleisimmin käytetyt materiaalit ovat PLA ja ABS. PLA on ympäristöystävällisempää ja helppokäyttöisempää, kun taas ABS on kestävämpää, mutta vaatii korkeampia tulostuslämpötiloja ja on herkempi muodonmuutoksille.
• Käyttäytyminen tulostuksen aikana: Eri materiaalit käyttäytyvät eri tavoin tulostuksen aikana. Esimerkiksi ABS voi käpristyä jäähtyessään, joten mallissa tulisi olla riittävän suuri tartuntapinta alustaan.

3. Mallin optimointi tulostusta varten

• Geometrian puhtaus: Varmista, että malli ei sisällä päällekkäisiä pintoja, aukkokohtia tai muita virheitä, jotka voivat aiheuttaa ongelmia tulostuksessa.
• Mitat ja skaalaus: Tulostusmallin tulee olla oikeassa mittakaavassa. Tarkista, että mallin mitat ovat tulostimen kapasiteetin sisällä ja että mittakaava on sopiva käytettävälle materiaalille ja käyttöön.

4. Tulostusasetukset

• Tulostuskorkeus ja -nopeus: Valitse sopiva kerrospaksuus mallisi tarkkuuden ja käytettävän materiaalin mukaan. Ohut kerroskorkeus antaa yksityiskohtaisemman lopputuloksen, mutta lisää tulostusaikaa.
• Täytön tiheys: Valitse, kuinka tiheästi mallin sisäosat täytetään. Tiheämpi täyttö tekee kappaleesta tukevamman mutta pidempään tulostettavan, kun taas harvempi täyttö säästää materiaalia ja aikaa.

5. Yhteensopivuus 3D-tulostimen kanssa

• Tiedostomuoto: Varmista, että mallisi on tallennettu tulostimelle sopivaan tiedostomuotoon, kuten STL tai OBJ. Blenderissä voit helposti viedä mallit näihin formaatteihin.
• Slicer-ohjelmisto: Ennen tulostusta mallin tulee läpikäydä "slicer"-ohjelma, joka muuntaa 3D-mallin tulostimen ymmärtämäksi koodiksi. Varmista, että asetukset ovat optimoituja käytettävälle materiaalille ja tulostusnopeudelle.

6. Tukirakenteet ja jälkikäsittely

• Tukirakenteet: Mallin monimutkaisuuden mukaan saatat tarvita tukirakenteita, erityisesti ulokkeisiin. Blenderin mallinnustyökalut voivat auttaa tukirakenteiden suunnittelussa.
• Jälkikäsittely: Tulostuksen jälkeen saatat tarvita jälkikäsittelyä, kuten hiontaa, maalausta tai tukirakenteiden poistamista.