3D-tulostukseen liittyviä kysymyksiä ja vastauksia

Aika ajoin tulee kyselyitä ja "työtilauksia" erilaisten kappaleiden printtaamisesta. Usein printtaukseen liittyy myös erilaisia kysymyksiä, kuten esimerkiksi "kuinka tarkkaa jälkeä voi tehdä?" tai "pystyykö tällaista tulostamaan laitteillasi?". Tämän lisäksi monesti tuntuu myös tarpeelliselta selittää printtaus asetuksiin liittyviä asioita sekä perustella kustannuksia.

Ajattelinkin siksi tässä blogikirjoituksessa selittää näitä ja muitakin asioita tulosteisiin, materiaaleihin ja käyttökohteisiin liittyen. Asioita on paljon, joten voi olla, että tämä blogipostaus jatkuu päivitettynä joskus myöhemmin tai sitten tulee uusi päivitys. Joka tapauksessa kannattaa lukea alta lisää!

Disclaimer:
Kirjoitetut asiat pohjautuvat omiin ja toisten kokemuksiin sekä luettuihin ja opiskeltuihin asioihin sekä youtube-videoihin. En väitä kirjoitettuja asioita 100 % faktoiksi, koska muuttujia 3D-tulostuksessa on niin valtavasti, mutta seison sanojeni takana. Korjataan tarvittaessa väärät tiedot :).

Aivan aluksi 3D-tulostuspalvelun sivulla on kerrottu joitain tärkeimpiä asioita printtaukseen ja mallien suunnitteluun liittyen. Kyseistä sivua en ole voinut kuitenkaan rakentaa kilometrin mittaiseksi, joten asioita on jatkettu myös sivulle 3D-mallien suunnittelu tulostusta varten. Tämä kirjoitus ei kuitenkaan keskity suunnitteluasioihin vaan enemmänkin siihen, mitä tilaajan kannattaa pohtia ja etukäteen miettiä kappaletta tilatessaan.

Hinta ja aikataulu?

Ylivoimaisesti eniten kysytty asia tulosteista on että "paljonko tämä maksaa?". Tähän ei ole oikein koskaan yhtä tiettyä vastausta, koska hinta ja aikataulu riippuu paljolti tulosteesta ja sen ominaisuuksista sekä tulostusasetuksista. Hinta määräytyy tarkalleen vasta sitten, kun 3D-malli on olemassa. Ilman 3D-mallia ei materiaalin kulutusta ja tulostusaikaa voi oikein ennakoida. Joillekin yksinkertaisille pienille kappaleille uskaltaa jo hatusta jotain veikata, mutta aika vaikeaa se usein kuitenkin on.

Jos 3D-mallia ei ole olemassa, niin on mahdollista että kappale mallinnetaan mittakuvan tai lähetetyn kappaleen mukaan. Tästä päästäänkin seuraavaan kysymykseen.

Mikä on 3D-mallinnuksen kustannus? 

Tuntihintana olen mallinnukselle pitänyt 20 e/alkava tunti. Joskus jos mallin tekoon on mennyt vain esimerkiksi 10 minuuttia, en välttämättä ole pyytänyt mallin teosta mitään hintaa, mutta tämä on hyvin tapauskohtaista.

Perustelen kustannusta sillä, että mallien tekemisen opetteluun on kulunut satoja ja satoja tunteja. Vaikka en ammattimainen 3D-suunnittelija olekaan, niin tuskin kysymäni hinta liikaa on. Mallinnuksen hintaa voidaan kuitenkin aina pitää neuvotteluissa mukana mikäli kyseessä on suurikokoinen ja - tahoinen työ. Lisäksi mallinnustyötä voi kysyä myös muilta tahoilta. Mikäli malli tilataan hutasusta, niin mallin saa tilaaja itselleen STL- eli pintamallitiedostona (työtiedostosta neuvotellaan erikseen).

Minulla on mallikappale, voiko tätä kopioida ja tulostaa?

Kappaleiden 3D-mallintaminen onnistuu suhteellisen nopeasti etenkin silloin, kun kyseessä on muodoltaan yksinkertainen esine. Kuten kuvitella saattaa, kuutio on helpompi mallintaa kuin vaikkapa auton kahva tai uistin. 3D-skannerilla objektin skannaus digitaaliseen muotoon onnistuisi helpoiten, mutta harrastusbudjetilla laadukkaaseen skanneriin ei juuri ole varaa. 

Hutasun labraan postitettuja tai muuten toimitettuja kappaleita on kyllä onnistuneesti tehty 3D-malliksi useita kertoja. Syntynyttä 3D-mallia voi sen jälkeen hyödyntää haluamallaan tavalla. Oheisessa videossa on näytetty kuinka mallinnusta käytännössä tehdään kopioimalla lähetetyn kappaleen muodot käsin digitaaliseen muotoon:

Kuinka tarkkaa jälkeä tulostimilla voi tehdä?

Tarkkuudesta puhuttaessa täytyy mielestäni ensiksikin tehdä selväksi kaksi eri asiaa. On olemassa kerrospaksuuden tarkkuus, sekä karteesinen eli X/Y-tarkkuus. Molemmilla on omat ominaisuutensa, joten seuraavassa niistä ja niiden vaikutuksesta esimerkiksi hintaan.

Kerrospaksuus eli tarkkuus Z-suunnassa

Kerrospaksuus tarkoittaa 3D-tulostimen yhden tulostetun kerroksen tarkkuutta. Periaatteessa jokainen FFF/FDM-tulostin on 2.5D-tulostin, koska tulostus ei varsinaisesti tapahdu 3D-maailmassa, vaan tulostin tekee yhden kerroksen X- ja Y-suunnissa minkä jälkeen suutinta nostetaan kerrospaksuuden verran kappaleesta pois päin.

Malli on karkeampi suuremmalla paksuudella, mutta nopeampi ja halvempi tulostaa.
Paksumpi kerros on halvempi, koska tulostin tekee sen nopeammin. (Kuvan lähde: https://3space.com/)

Kerrospaksuus, joka voi olla melkein mitä tahansa väliltä 0.1 - 0.35 mm, määrittelee kuinka moneen kerrokseen kappale viipaloitaessa jaetaan. Tämä vaikuttaa suoraan pinnanlaatuun ja kerrospaksuus on yleensä kappaleista nähtävissä tekipä kuinka hienolla tarkkuudella tahansa. Tärkein kysymys, mihin tulee ottaa kantaa on mielestäni, että mikä tarkkuus on riittävä? Koska täysin sileää pintaa pöytämallin lisäävällä valmistuksella ei saada, on syytä miettiä että mihin käyttökohteeseen kappale tulee ja halutaanko tulostettua mallia jälkityöstää.

Esimerkiksi laatikkomallisille kappaleille riittää usein 0.3 mm kerrospaksuus, koska pysty- ja vaakasuoraan seinämistä tulee tarpeeksi sileät. Toisaalta monimutkaisemmatkin kappaleet tulostetaan usein 0.3 mm kerrospaksuudella, koska hinta tuntuu olevan monelle kriittinen tekijä ymmärrettävästi.

Tarkkuus X- ja Y-suunnassa

Suuttimen reiän leveys määrittää seinämän minimipaksuuden
Huomaa myös, että tulostetun kappaleen kulmat ovat yleensä pyöreitä, vähintään suuttimen halkaisijan verran (Z-suunnassa).

Tulostimen pursotinpää (tai alusta tai molemmat) liikkuvat Z-akselin lisäksi siis X/Y-suunnissa. Näissä suunnissa liiketarkkuudet ovat tulostimesta riippuen hyvinkin alle suuttimen koon eli 0.4 mm esimerkin tapauksessa.

Tulostin pystyy liikuttamaan tulostuspäätä XYZ-suunnissa vähintään 0.1mm tarkkuudella. Koska liike tapahtuu askelmoottoreilla, niin yhden millimetrin muutos tarvitsee yleensä XY-suunnassa noin 100 askelta (Z-akselilla vielä tarkemmin). Näin ollen liiketarkkuudeksi tulee 1/100 eli 0.01mm. Käytännössä mekaanisista syistä liiketarkkuus ei aivan tätä luokkaa ole, mutta esimerkiksi 0.1mm tarkkuuteen päästään aika helposti.

Vaikka printteri olisikin mekaanisesti hyvin tarkka, täytyy pitää kuitenkin mielessä, että lopulliseen tulostetun kappaleen tarkkuuteen (verrattuna 3D-malliin) vaikuttaa eniten käytetyt tulostuasetukset.

Mahtaakohan tämä kestää jos tulostaa varaosan? Eli minkä muovin valitsen?

Ilmeisesti kappale on joutunut liian lujille, koska se on hajonnut - tämä nyt on selvää varsinkin varaosakappaleen printtauksessa. Luonnollisesti voimia voi olla hankala mitata tai arvioida, joten paras keino (ainakin omien kokemuksien mukaan) on lähestyä asiaa alkuperäisen materiaalin kautta.

Usein tulee vastaan tilanne, että ihmisellä on hyvin yksinkertainen käsitys muovista - ajatellaan, että muovi on vain, noh muovia sen kummemmin miettimättä asiaa. Näin ei kuitenkaan ole vaan muoveja on kirjaimellisesti tuhansia erilaisia. Siksi myös usein esittämääni vastakysymykseen "mitä muovia kappaleesi on?" on hyvin vaikea vastata, varsinkaan asiaan perehtymättömällä.

Varsinkin silloin, kun kyseessä on varaosan tekeminen, niin alkuperäisen muovilaadun tietäminen olisi avuliasta. Onneksi usein kyllä riittää sekin tieto, että kuinka lujalle käytölle osa joutuu, millaiseen ympäristöön ja millaisia lämpötiloja kappale kohtaa.

Muovimateriaalin selvittäminen merkintöjen avulla

Jos pystyy, niin kannattaa ottaa selvää mitä materiaalia muoviosa on. Onko materiaalissa käytetty kuitulujitetta, onko se seosmuovia vai mitä? Tarkasta onko kappaleessa tai muissa osissa käytetty jotain merkintää, mikä paljastaa kappaleen muovilaadun. Kuluttajatuotteissa muovit on yleensä merkitty jollakin symbolilla, esimerkkejä alla:

Muovien merkinnät
Muovien merkinnät

Muovimerkintä voi olla myös koodattu, esimerkiksi näin:

Muovimerkintä voi olla myös piilossa
Muovimerkintä voi olla myös piilossa

Oheisesta linkistä löytyy lisää tietoa muovien koodien tulkitsemiseen: https://public.mdsystem.com/documents/10906/17094/E4.pdf

Monesti merkinnät on piilotettu koteloiden sisäpuolelle, koska muovilaatua ei ole vaikkapa esteettisistä syistä haluttu merkitä kovin näkyvälle paikalle.

Muovimateriaalin selvittäminen visuaalisesti ja kokeellisesti

Vanhaa, jo rikki mennyttä kappaletta voi esimerkiksi leikkaavalla työkalulla kokeilla kuinka helposti tai vaikeasti siihen saa tehtyä viiltoja tai vuoluja. Jos muoviin on sekoitettu esimerkiksi lasikuitua, niin viillon tekeminen tuntuu hieman karhealta ja terä ei uppoa muoviin niin helposti. Tällöin kyseessä on aika kova, mutta mekaanisesti kestävä ja korkeita lämpötiloja sietävä muovi. Tällaisia muoveja ei valitettavasti toistaiseksi voi hutasussa tulostaa, mutta jos lämpötilat eivät nouse käyttökohteessa kovin suureksi, voidaan tulostusta kokeilla PLA-muovilla joka on varsin kovaa materiaalia sekin.

Kappaletta voi kokeilla myös liekillä hieman polttaa, jolloin haju ja liekin väri voi paljastaa ainakin mitä muovia materiaali suurimmaksi osaksi on. Esimerkiksi ABS/PVC-muovi vapauttaa poltettaessa hyvin ikävää hajua ja mustaa savua. ABS/PVC-muovia löytyy paljon mm. kodinkoneista, laitekoteloista, putkista, kaukosäätimistä jne. PP-muovi palaessaan vapauttaa hieman imelää hajua ja eri väristä vaaleampaa savua. Polttometodia en kuitenkaan voi suositella käytettävän, sillä usein muovit ovat erittäin myrkyllisiä poltettuina ja haisteltuina.

Mekaanista lujuutta voi testailla vaikkapa ruuvipenkissä tai pihdeillä vääntelemällä. Jos kappaleen muoto mahdollistaa, niin murtolujuus on mahdollista mitata ihan kokeellisin menetelmin, mutta usein tämä on työläs tapa ja tuskinpa kovin yleinen metodi joten tästä ei sen enempää.

Materiaalin tunnistamisen avuksi kannattaa käyttää hakukoneita ja etsiä erilaisia tunnistustapoja, kuten esimerkiksi tällä sivulla on esitetty: https://owlcation.com/stem/How-plastic-is-really-recycled. Myös näillä sivuilla on kerrottu metodeja eri muovien erottamiseksi toisistaan: https://www.polyvance.com/identify.php.

Quoran sivuilta löytyy tietoa kokeellisin menetelmin muovin tunnistukseen ja filamentin valitsemiseen. Alla lyhyt referaatti sivustolta omin lisäyksin (linkki):

  • Kappale kelluu vedessä = PET(E)/PP --> Filamentti on PLA/PETG
  • Kappale on läpinäkyvä = PMMA/PC --> Ei löydy sopivaa filamenttia
  • Kappale on käytössä koneiston osana (esimerkiksi hammasratas) = ABS/Nylon/PA --> Filamentti on Nylon/ABS/PETG
  • Kappale joustaa hieman, helppo leikattava --> Filamentti on PETG/ABS
  • Kappale on joustava tai kumimainen --> TPU (NinjaFlex)

Hyvin usein muovimateriaaliksi voi kuitenkin valita PLA/PETG-muovit, tämä on myös palvelussa eniten käytetty materiaali. Extrakestävissä osissa nylon voi olla tarpeen, mutta nylonin kustannukset ja tulostusaika on paljon hitaampi, joten sitä en mielellään käyttäisi (filamenttirulla vaatii uunissa kuivatuksen ~5 h --> kalliit aloituskustannukset).

Pelkästään materiaalin selvitys ei aina kuitenkaan riitä. Jos tarvitaan mekaanista lujuutta kestävä tuloste, niin tulostuksesta voi joutua säätämään materiaalin seinämävahvuutta paksummaksi ja täyttöprosenttia suuremmaksi. Tämä pätee, olipa käytetty tulostusmateriaali mikä tahansa (PLA/ABS/PETG/Nylon/TPU). Paksummat seinämät ja suurempi täyttöprosentti lisäävät materiaalin kulutusta ja hintaa. Seuraavassa siis lisää tulostusasetuksista ja kuinka ne vaikuttavat kustannuksiin.

Seinämävahvuus... eli?

Seinämävahvuus voidaan kappalekohtaisesti määritellä esimerkiksi olemaan mikä tahansa suuttimen reiän halkaisijan kertaluku. Hutasun tulostuspalvelussa on käytännön syistä rajoitettu pienin seinämä 0.4 mm paksuiseksi. Seuraavat seinämävahvuudet ovat 0.8, 1.2, 1.6 mm ja niin edelleen. Vaikkakin viipalointiasetuksia muuttamalla ohuemmat seinämät ovat mahdollisia, niin se vaatinee yleensä niin paljon aikaa ja "twiikkausta" mallin tulostuksessa, että se ei oikein maksa vaivaa.

Tämä ei kuitenkaan tarkoita sitä, etteikö esimerkiksi 1.0 mm vahvuista seinämää voi tulosteeseen tehdä. Seinämävahvuus tarkoittaa mallin ulkoseinän ja sisäseinän vahvuutta. Tässäkin tapauksessa alla oleva kuva kertoo enemmän kuin tuhat sanaa. Alla olevassa kuvassa on mallin viipalointiasetuksissa määritetty vain 1 kerroksen paksuinen seinämä, eli 0.4 mm paksu ulkopinta (täyttöprosentti siis 0 %).

Yhden kerroksen paksuinen ulkoseinä.

Vastaavasti useampi kerros tarkoittaa paksumpia seinämiä:

Viiden kerroksen paksuinen ulkoseinä.

Täyttöprosentti?

Edellisen kuvan viiden seinämän paksuinen kappale ei sisältänyt yhtään täyttöä. Kun kappaleeseen lisätään täyttöä, saadaan se vahvemmaksi ja yleensä myös onnistumaan paremmin. Alla olevassa kuvassa on esimerkit 10%, 50% ja 100% täytöistä:

Kolme eri täyttöprosenttia: 10%, 50%, 100%.

Lyhyesti sanottuna, mitä enemmän kuluu filamenttia niin sitä enemmän tulee kustannuksia. Eniten tulostuskustannuksiin vaikuttaa materiaalikulutuksen lisäksi käytetty tulostusaika, koska tulostin kuluttaa yhtäjaksoisesti sähköä verrattain pitkiä aikoja ja on mekaanisesti kuluva laite (huoltokustannukset).

Tulostusaika

Tulostusaikaan (ja hintaan) vaikuttaa kappaleen muoto. Koska 3D-tulostimen suuttimen pitää liikkua paikasta toiseen, niin mitä enemmän kappaleen tekemisen aikana on liikkeitä, sitä kauemmin tekeminen kestää.

Kuvittele asiaa esimerkiksi niin, että piirrät paperille neliön. Tähän tarvitaan neljä viivaa. Jos alat nyt piirtämään neliön sijasta kappaletta, missä on vaikkapa tuhat pistettä jotka täytyy yhdistää toisiinsa, niin aikaa menee huomattavasti enemmän, tästä esimerkkinä alla oleva kuva.

Tulostuspään liikkeet ovat pidempiä monimutkaisemmissa kappaleissa.
Kuvittele, että tulostuspää liikkuu viivoja pitkin -> monimutkaisempi kappale vie enemmän aikaa liikkua!

Kestääkö tulostettu kappale sääoloja?

Lyhyesti sanottuna, omiin kokemuksiin sekä internetin lähteisiin pohjautuen sanoisin että kestää varsin hyvin, ainakin yleisimmät muovitulosteet joita on tehty PLA/PETG-muoveista. Värit saattavat auringon UV-säteilyssä haalistua, mutta tämäkin varmaan on väristä ja filamentista riippuvainen asia. En ole asiaa kaikilla mahdollisilla eri väreillä ja filamenteilla testannut, joten paha mennä vannomaan.

Jos tilaa kaksi samaa kappaletta, onko hinta tuplat?

Tämäkin riippuu hyvin paljon kappaleesta ja tulostusasetuksista. Yleensä kuitenkin on ollut niin, että samalla tulostuskerralla useamman kappaleen tekeminen vie vähemmän aikaa kuin kahden kappaleen tulostaminen erikseen. Materiaalikulutukseen kappaleiden määrä ei vaikuta muuten kuin, että kahteen kappaleeseen kuluu kaksinkertainen määrä materiaalia.


Arvoisa lukija: Tuleeko mieleesi muuta kysyttävää, mitä haluaisit tässä käsiteltävän? Jos tulee, niin kommentoi vapaasti alle tai ota yhteyttä info-sivun kautta!

Jätä kommentti

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.