3D-tulostuksen etäopetuspaketti

3D-tulostus Blenderiä osaaville

Uutta
4.9: "Paloturvallisuus/turvallisuus muuten","Thingverse.com stl-mallien lataus"
10.9 Suuttimet (ennen kuvagalleriaa)
13.9 Vesitornien alustavat tulostuskuvat 1kpl tekstissä ja loput Galleriassa)

16.9 Yleinen kuvaus vesitornien tulostuksesta(haastealueet osiossa), thumbnailit toimii, mutta puuttuu vielä kuvat... Tulossa
Lisää vesitornien tulostuksesta ja loput kuvat
+kappale: erilaisia tulostajia, tulostustapoja.
--.- Kategoriointia pitää tehdä, koska on paljon tietoa, järjestys tarvitaan.

FFF- ja muut yleiset 3D-tulostustekniikat

Suuttimen kärki. Sula muovi jähmettyy välittömästi, jolloinka kerroksia voidaan jatkuvasti tulostaa päällekkäin.

Yleisesti 3D-tulostimilla voi nykyään tulostaa lähes minkälaisen tai -muotoisen kohteen tahansa. 3D-tulostus/materiaalia lisäävä valmistus jakautuu yleisimmin kolmeen eri tekniikkaan: FFF, SLA ja SLS.

SLS: tekniikassa (Selective Laser Sintering) kappale syntyy kerroksittain sulatetusta metallijauheesta. Ensin jauhetta levitetään lakealle alueelle hyvin ohut kerros. Laser sulattaa sen kiinteäksi metalliksi tarkasti tietystä kohtaa, jonka jälkeen uusi jauhekerros levitetään ja sulatetaan taas rajatusti. Sykli jatkuu kunnes kiinteä metalli-esine on valmis. SLS on yleensä vain teollisuuden käytössä, sillä tulostin maksaa kymmeniä tai satoja tuhansia euroja. Halvin tietääkseni 10 000€. SLA- ja FFF- 3D-tulostimet ovat taas kuluttajabudjetin piirissä.

SLA(Stereolithography)-tekniikassa esine syntyy UV-laserin kovettamasta Photopolymeeri nesteestä. Valmistuva esine syntyy nesteen sisällä kerros kerrokselta. Tämä on sottaista puuhaa, mutta se tekee yksityiskohtaisempaa ja tarkempaa jälkeä kuin FFF-tulostimet. Kovettunut muovi on yleensä lähtökohtaisesti laadukasta, lujaa ja vedenkestävää, mikä taas FFF-tulostamisessa ei ole aina itsestään selvää.

FFF (Fused Filament fabrication) -tekniikassa objekti tulostuu kerros kerrallaan alhaalta ylöspäin - ensimmäisestä viipaleesta viimeiseen. Tulostimen suuttimen liikeohjaus on erittäin tarkkaa.

FFF-tulostimet jakaantuvat eri ryhmiin, joista Cartesian -tulostimet ovat maailmassa myydyin ja tunnetuin tulostin ryhmä, ( ne ovat myös tämän opetuspaketin aiheena). Cartesian tulostimissa tulostuspää ja tulostinpöytä(jossa malli valmistuu) liikkuvat kolmiulotteisessa XYZ -koordinaatistossa

Delta (FFF-tulostin) -tulostimissa ainut liikkuva osa on tulostuspää. Se on kiinni kolmessa vinottaisessa pystyakselissa, joiden pituutta säätämällä tulostuspää liikkuu hallitusti kolmiulotteisessa tilassa niinkuin kuin cartesian tulostinkin. Tulostinpöytä on ympyrämallinen ja täten maksimitilavuus on lieriön mallinen. Deltat ovat tyypillisesti tunnettuja nopeudestaan. Esim. 300mm/s tulostusnopeus kelvollisella tulostuslaadulla ei ole ennenkuulematonta. Cartesian tulostimilla vastaavasti voidaan päästä 200mm/s lukemiin. Deltalla esineen maksimi korkeus on usein paljon suurempi kuin tyypillisellä cartesian tulostimella, mutta kokonaistilavuus deltalla jää yleensä (paljon) pienemmäksi. Tulostusvaihe on deltatulostimissa sen verran hieno/omanlaisensa näköistä että joillekin se riittää jo ostoperusteeksi. Käyttäjäkunta ja yhteisön tuki ei ole niin laajaa kuin cartesian tulostimilla, mutta luulisin, että tällaisessa marginaali-tekniikassa ohjeistajien tietotaito voi kuitenkin olla ihan omaa luokkaansa.

Cartesian tulostimissa tasossa/yksittäisen viipaleen piirrossa liikeresoluutio on 10um. Suuttimen tuottama 0.4mm leveä muovivana paikoitetaan siis 10um tarkkuudella. Kerroskorkeus on sama kuin muovivanan /viipaleen paksuus. Tulostusmateriaali on jokin muovi/polymeeri - yleensä PLA,(sillä on helppo tulostaa). Sitä tehdään tulostimiin 1kg:n lankarullina, jonka "Lanka" on 1.75mm paksua rullalla olevaa jämäkkää muovitankoa. Kilon rullassa sitä on ~300m. Muovilanka johdetaan lankarullasta syöttömoottoriin ja sen tarkassa ohjauksessa syöttö välittyy (teflonkaapelin kautta) kuumennettuun suuttimeen. Suuttimen reiästä tulostetaan muovivanaa/-linjaa, josta koostetaan tulostettava esine. Tuloste-esineen kuori muodostetaan vierekkäisistä linjavedoista. Sisäosaan tulostetaan kuorta tukeva vahvikerakenne, johon on monta vaihtoehtoa, esim. hunajakenno. Sisäpuoli voidaan jättää myös tyhjäksi, jolloin säästyy muovia, mutta toteutus ei automaattisesti ole aina helppoa kuten yhdessä sisärakenteen kanssa.
Lähtökohtaisesti tulostimissa on asennettuna 0.4mm:n suutin(= suuttimen aukon läpim.) joka tarkoittaa että sieltä tuleva muovivana on lähtökohtaisesti myös 0.4mm:ä leveä. Muovivanan paksuus eli kerroskorkeus asetetaan tarpeen mukaan väliltä 0.04mm- 0.32mm.
Luonnollisesti eri objekteissa esiintyy muotoja, joita ei voi rakentaa latomalla kerroksia päällekkäin, mutta tämä on ratkaistu muutamalla hienolla tavalla niin, että lähes kaikki muodot kuitenkin luonnistuu. 3D-mallin kanssa samanaikaisesti tulostetaan tukirakennelmia, jotka toimivat rakennusalustana mallin osille, jotka tulostuisivat muuten ilmaan. Viipalointiohjelman automaatio vastaa tästä ja tukirakenteet irtoavat helposti* kun ne irroitetaan tulosteen valmistuttua. 3d-mallin tuetut kohdat ovat ulkonäöltään kuitenkin enemmän tai vähemmän karheita. Tarvittaessa niiden välttämiseksi työ voidaan tulostaa eri asennoissa tai 3d-mallintaja voi suunnitella/muokata kappaletta enemmän optimaaliseksi tulostamista varten. Tulostimilla on myös "siltaus"-kyky jossa muovi jähmettyy välittömästi suuttimesta tultaessa. Silloin voidaan edetä täysin vaakasuoraan tiettyjä matkoja ilman tukea ja muodostaa "silta" kahden korkean pisteen välille. Myös U-käännös on mahdollinen. Kovettuessaan kivikova muovi kannattelee vaivattomasti vaakasuoria osuuksia. Yleiset 3D-tulostus muovit kuten PLA,PET-G,TPU eivät lähtökohtaisesti koskaan sisällä pehmittimiä. Kaikki ominaisuudet johtuvat muovista itsestään. 3D-tulostetut esineet ovat tunnettuja heikkoudestaan. Tämä johtuu kerrostuksesta. Tavanomaisesti tulostettuna kerrokset eivät täysin sulaudu toisiinsa "yhdeki muoviksi" vaan ennemminkin liimautuvat toisiinsa ja kun yksi kerros pettää, niin esine halkeaa siitä kohtaa. Kerrokset voi tietyin ehdoin myös sulauttaa toisiinsa, jolloin esineestä saadaan verrattoman vahva. Esine, joka hajoaa käsiin, voidaan tulostaa samasta muovista vähän eri asetuksilla, niin että sitä ei saa käsivoimin halki

Alla on kuvasarja valmiista töistä, joiden vieressä on niiden keskeneräiset versiot=läpileikkaukset. Niistä näkyy 3D-tulostetun esineen sisäinen rakenne: kuori/seinämä ja täyterakenne. Viimeiset kuvat on otettu usb-mikroskoopilla.

Vihreä esine on Thingverse.com:sta ladattu adapterin osa, jolla puhelimen saa kiinnitettyä tavalliseen kamerajalustaan -tavallista PLA muovia. Punainen: Pyykinkuivaustelineen jalustan kumitassu. Mittasin ja mallinsin tämän alkuperäisestä, tulostin telineeseen jossa niitä ei alunperin ollut. Sininen keskellä: Mopon bensatankin tukipehmuste. Alkuperäisestä mitattu/jäljennetty. 4-6kpl:een sarjan materiaalikustannukset tulostettuna yht 1,2€. Muuten maksaisi monta euroa tai peräti kympin pari. Tekijänoikeudet on tässä toki mietityttävä aihe, jota lienee viisasta selvittää.

3D-mallin vaatimukset, exporttaaminen ja valmiit tulostusmallit internetistä

Ohjeita mallinnukseen

Asioita voidaan ottaa huomioon jo mallia suunniteltaessa: (Huom! Tekstin tarkoitus ei ole monimutkaistaa aihetta, vaan välittää kokemukseni ja osaamiseni pohjalta parhaat mahdolliset keinot ja työkalut 3D-tulostuksesta kiinnostuneen käyttöön. Tärkeää on päästä yksinkertaisesti tulostamaan. Mielestäni huonoa tulostajaa ei ole vaan, sitä voi oppia aina jotain uutta ja tulla paremmaksi tulostajaksi. Tätä voi harrastaa onneksi ilman että tietää asioista juuri mitään. Viipalointisoftassa stl-malli pöydälle, valkataan oma tulostin, asetetaan lämpötila muovirullassa ilmoitettuun suositus-alueeseen ja "SLICE" -painikkeesta valmistuu .gcode tiedosto. Tämä viedään tulostimeen ja tulostetaan.

FFF/cartesian 3D-tulostimen hankinta verkkokaupasta (Esim. Aliexpress.com ja Amazon.de) Polymeeri-3D-tulostimet ovat tekniikaltaan ja osiltaan hyvin yhteneviä toistensa kanssa. Osat eivät itsessään kustanna kovin paljoa. Hinta koostuu niiden lisäksi lähinnä kokoamisesta, testaamisesta ja brändistä. Jos haluaa itse koota 3D-tulostimen osa osalta, silloin tulostimen rakennussarjan voi saada 100€:lla. Jos tulostin on valmiiksi koottu hinta on karkeasti yli 100€. Jos tulostimen kokoonpano suoritetaan huolellisesti, syntyy tulostin, jolla aloittelijakin pääsee harrastuksessa hyvin alkuun, eikä tulostinta tarvitse korjata, tai suurremmin huoltaa moneen kuukauteen. Törmäsin äskettäin GeekTechin reilu 90€:n tulostin rakennussarjaan, jossa on “direct drive extruder”.

Ensimmäinen kerros pitää tulostetta/objektia koko tulostuksen ajan paikallaan tulostinpöydässä, joten on hyvä että siihen on tarkoitettu jokin tasopinta. Sen ei tarvitse olla laaja-alainen työhön verrattuna. Toisinaan pienikin pinta-ala riittää pitämään kiinni suuren esineen.

Muotojen toistamiskyvyt ja haasteet (Kuvia ja esimerkkejä tulossa.

Valmiit tulostukseen tarkoitetut stl-tiedostot - niiden muoto ja tulostusasento, ovat usein valmiiksi optimoitu, testattu. (Muodon optimointia ei aina tarvitse tehdä itsetehdyissäkään malleissa, sillä monesti ne ovat sellaisenaan helppo tulostaa, eli toimiva tulostusasento löytyy helposti).

Kun lähdetään ylöspäin kerros kerrokselta, ja jos objekti samalla kapenee, kuten esim. pyramidi niin se on kaikkein helpointa tulostimelle. Jos malli laajenee mentäessä ylöspäin, niin 0-45 asteen laajenemiskulma toimii yleensä vielä ongelmitta. (0 tarkoittaa että rakennetaan pystyruoraan, 45 astetta vastaa kuin tulostaisi vesitornin levenevästi kohoavaa vinoa seinämää. 90 = vaakatasoisesti levenevä seinämä). Jossain 45-90 asteen välillä, jostain astekulmasta lähtien sula muovi valuu alas ennen jähmettymistä ja syntyy rumaa rumaa jälkeä. Tuet korjaavat tämän tilanteen, tosin pienine haittoineen: tuhlaavat muovia, lisäävät tulostusaikaa ja jälkikäsittelystä(irroituksesta) voi tulla pitkä projekti, mutta jotkut pitävät sitä luonnollisena osana 3d-tulostusta. Tukien avulla voi kuitenkin tulostaa mitä astekulmia tahansa.

Vesitornien tulostusasennon muuttamisella voitaisiin yksinkertaisesti välttyä haastealueilta, mutta tämä ei aina ole mahdollista. Myöhempänä vesitornit 74 ja 45 on tulostettu kummallakin tulostusasennolla

Vesitornit 45'-90' tulostettu kerroskorkeudella 0.1mm. 67'vesitorniin ja siitä lähtien olen laittanut tuet päälle, mutta jättänyt puolet kustakin esineestä ilman tukea, jotta tuen tarpeellisuus tulisi ilmi. Osassa jalka ja puolet vesitornista on jätetty säästömielessä tulostamatta (materiaalin säästämiseksi ja tulostusajan noputtamiseksi). Positiivisesti yllättävä tulos. Keskimmäisten odotin olevan vaikeinta tulostaa, mutta tukemattomatkin alueet ovat pääosin onnistuneet kaikissa torneissa. Tulostimella on ominaisuuksia(siltauskyky ja tuet) jolla haastealueet tulostuvat hyvin.

Vesitornien tuet (viipalointiohjelmassa "supports") ja niiden poisto. Supportit takaavat tai niillä pyritään takaamaan, että työ onnistuu tuetuissa kohdissa hyvin .

Yleisvaikutelmaltaan yhdenkään työn tukematon alue ei mennyt piloille. Torneissa 90 ja 87 on rispaantumista tukemattomissa kohdissa, mutta niiden yläpuolinen alue on näiden rispaantuneiden kerroksien jälkeen alkanut tulostumaan mittatarkasti.

Siltaus-kyky mahdollistaa täysin vaakasuoraan tulostamisen, eli tulostimelle kaikkein "vaikeimpien" kulmien (88-90) toteuttamisen. Tulostusyksikön tuulettimen avulla jähmettymisnopeus kasvatetaan äärimmilleen, jolloin juuri suuttimesta tullut kovettunut muovi toimii välittömästi tukipisteenä jatkuvasti vaakasuoraan tulostuvalle muoville. 5-10cm sillat tulostuvat melko ongelmitta. Pitkissä 10cm-20cm+ silloissa monet ensimmäiset linjavedot ja kerrokset, voivat olla notkolla ja erillisinä säikeinä, mutta notkolla olevat linjat toimivat tukena päälle tulostuville linjoille, jolloin vajoama kuroutuu umpeen ja ensimmäisiä kerroksia lukuunottamatta sillasta tulee mittatarkka. Siltauskyky toimii ja on osana tulostimen toimintaperjaatetta jo itsessään, mutta viipalointiasetuksissa: siltaus (eng. bridging) -ominaisuus tunnistavat siltausta tarvitsevat alueet ja optimoivat siltauskykyä niillä alueilla entisestään. 88-90'asteen/täysin vaakatasoisten pintojen toistossa on siis hyvä etu ja mahdollisuus, että ne eivät tarvitse tukia(eng. supports) alleen.

Kaltevien/Kaltevasti levenevien pintojen toistokyvyky on sitä parempi, mitä pienempi kerroskorkeus, ja mitä leveämpi linjaleveys on. Usein käytetyllä 0.1mm kerroskorkeudella, 0-62' kaltevuuskulmat tulostuvat toimivasti ilman tukea. Jos esineessä on sitä jyrkempiä kulmia, voidaan kerroskokoa pienentää tai kytketään tuet "eng. supportit" päälle ja niiden asetuksiin merkitään tuettava kulma-alue . Silloin erityiset tuet/tukialustat valmistuvat esineen kulmille (62-90). Valmistuessaan ne kohoavat esineen kanssa rinnakkain, kunnes ne saavuttavat tuettavan pinnan. Ne jäävät normi profiileilla 0.2mm:n etäisyydelle esineen tuettavasta pinnasta. Silloin muovi ei koskaan "karkaa" 0.2mm enempää. Viimeksi Prusan valmisprofiilien tukiasetukset ovat tuottaneet odottamattoman hyvän ja sileän pinnan, verrattuna omiin asetusmuokkauksiini jonkin aikaa sitten. Tukien ansiosta muoto ja rakenne pysyy aina pääosin yhtenäisenä. Tuet ovat ikäänkuin takuu siitä että esine onnistuu vaikeilta alueilta ainakin jotenkuten hyvin. Jos 0.2mm tuottaa huonoa jälkeä tukien etäisyyttä esineestä voidaan pienentää esim. 0.1mm:iin, mutta sitten tuet eivät aina välttämättä irtoa helposti, tai pahimmillaan lainkaan. 0.2mm:n väli on tavallaan varman päälle ja sitä voi yleensä kaventaa. Ymmärrykseni on ollut että kapeampi väli tuottaa aina paremman ja tarkemman jäljennöksen esineen tuettavasta kohdasta, mutta nyt suosittelen tulostamaan tuet niiden perusasetuksilla ensin tai ainakin useammin jos tuet eivät muuten saa aikaan toivottua jälkeä.

OSIO: Erillaiset tulostustavat ja -mieltymykset.
Moni tulostaja hyväksyy mielellään jonkun asian hyötyä vastaan, jota taas toiset eivät voi sietää. Yhdelle kauan kestävä tukien poisto tietää varmaa laatua koko työssä. Säästyyhän siinä päänvaivakin kun laittaa tuet joka kerta varman päälle (45'-90' välille). Ihan hiljattain löysin sellaisen taulukon ja kaavan josta näkee asetuksiin(kerroskorkeuteen ja linjaleveyteen) perustuen tarkan kulma-alueen mihin tuet tarvii ja mihin ei. Ei tarvitse enää intuitiivisesti miettiä tukien kulma-asetusta. Taulukko on tosin tynkä ja se pitää laajentaa ennen kuin laitan sen tänne. Minua ei haittaa liiaksi, vaikka työ kestäisi useamman päivän, koska silloin voidaan aina taata laatu ja lujuus. Toinen ei halua odottaa 10 minuuttia kauempaa ja tekee paljon sen eteen. Sanoisin helposti tähän, että onnea vaan, kun töistä tulee pahimmillaan näkkileivän hauraat, mutta asiaa enemmän ajateltua olen aika varma, että kaikilla voi olla toisilleen jotain annettavaa, jolla voi rikastaa omaa tulostusta. Itse koitan välttää jumahtamista hitaaseen tulostukseen, koska nopeutta voi monesti nostaa ilman seuraamuksia.

3D-mallin suunnittelussa jos on liikkumavaraa voidaan haaste-alueet/jyrkkiä kulmia tasoittaa, minimoida, poistaa, tai paikottaa johonkin, jossa karhea pinta ei haittaa tai näy. Yksinään 3D-mallin optimointi on melko rajallinen keino pärjätä haastealueiden kanssa, mutta yhdessä esineen tulostuskulman/asennon vekslaamisella ( joka on aina mahdollista ) on tulostajalla käytössä parhaimmat mahdollisuudet tulla haastealueiden kanssa toimeen. Tulostusasennon muuttaminen monesti yksinään riittää). Jos tulostimessa on kaksi suutinta (eli mahdollisuus kahdelle eri muoville), tuet vcidaan tehdä muovista joka liukenee veteen. Silloin tuen ja esineen välille jäävä etäisyys voidaan pudottaa nollaan. Koska tuki ja esine ovat suoraan kiinni toisissa, muovi ei karkaa lainkaan, ja täten kaikki haastealueet tulostuvat aina täydellisesti. Tuet voidaan pestä pois esineen valmistuttua. Jos ne olisivat kummatkin PLA:ta, ilman tuki-väliä, niitä ei saisi koskaan irti toisistaan.

Paloturvallisuus ja turvallisuus muuten

Sitä kuulee sanottavan välillä, että tulostimia ei saisi koskaan jättää ilman valvontaa. Hyvä perjaate, mutta tässä toteutus on liian työlästä. Etävideovalvonta on kyllä mahdollista ja tulostus voidaan sillä tavalla keskeyttää. Tulostimessa palavaa materiaalia ei juuri ole, mutta yksi huolenaihe mitä olen kuullut on, jos suuttimen lämpömittari rikkoutuu. Sen johtoliitos on herkkää tekoa, jos esine osuu kesken tulostuksen siihen... Silloin lämpövastuksen lämpösäätö ei toimi ja vastus kuumenee hallitsemattomasti. Varmuusmekanismeja onneksi on. Jos lämpömittari näyttää tulostimen mielestä omiaan, se sanoo temp-sensor abnormal ja tulostus keskeytyy. Toinen on liikkuvat osat. Jos ei varo: tulostinpöydästä voi saada leukaan, suuttimesta voi tulla palovammoja. Askelmoottoreilla on järkyttävä vääntökyky. Sensorit jotka kertovat tulostuspöydän ja tulostupään liikealueen alku ja loppupään voivat mennä pimeeksi, jos esim. niiden johto irtoaa. Silloin voi hyvin tapahtua mitä tulostajat kutsuvat "catastrophic failure:ksi". Moottori ei anna periksi, mutta kaikki muu kyllä. Näin kävi(tai meinasi käydä) minulle, mutta moottorin ohjauspiirit tunnistivat epänormaalin tilanteen ja keskeyttivät pöydän pyrkimyksen pois tulostimesta. Tulostinpöytä on usein lasia, jonka alla on jouset. Ne ehkäsevät lasin rikkoontumista jos esim. tulostuspää pyrkii alaspäin ja väliin on unohtunut työ/esine. Ainoastaan kesken ohjelman tulostin tietää mitä missäkin on, mutta muuten ei mitään, eli pöytä kannnattaa pitää tyhjänä. Kyllä huomaa, että tätä tulostus tekniikkaa on kehitetty jatkuvasti.