Teknolgiakasvatusta Otaniemen lukiossa
Johdanto
Mitä ovat 3D-tulostimet?
3D-tulostimet ovat laitteita, joilla voi valmistaa muovista erilaisia 3D-kappaleita, kuten esimerkiksi varaosia. Yleisimmin 3D-tulostimet kouluissa toimivat FDM, eli Fused Deposition Modeling, tekniikalla. FDM printtereissä, kuten Prusa ja Ultimaker, printteri latoo sulatettua muovia kerroksittain tietokoneella luotujen 3D-malleihin perustuvien ohjeiden avulla. Muovi kovettuu nopeasti mahdollistaen sujuvan monimuotoisten ja kestävien geometristen mallien tulostamisen. Valmis kappale ei tarvitse erityisempää jälkikäsittelyä. Kappaletta voi kuitenkin hioa, leikata, maalata tai muotoilla tulostuksen jälkeenkin tarpeiden mukaan.
Miten 3D-tulostin toimii
FDM (Fused Deposition Modeling) printtereissä, kuten Prusa ja Ultimaker, printteri latoo sulatettua muovia kerroksittain tietokoneella luotujen 3D-malleihin perustuvien ohjeiden avulla. Muovi kovettuu nopeasti mahdollistaen sujuvan monimuotoisten ja kestävien geometristen mallien tulostamisen. Valmis kappale ei tarvitse erityisempää jälkikäsittelyä. Kappaletta voi kuitenkin hioa, leikata, maalata tai muotoilla tulostuksen jälkeenkin tarpeiden mukaan.
Tulostimen Hotend, jossa muovi sulaa, ja tulee suuttimesta ulos. Lisäksi kuvassa näkyy heatbreak joka estää lämmön siirtymisen kuumasta suuttimesta muihin osiin.
Mitä 3D-tulostimilla voi tehdä?
3D- tulostimilla voi esimerkiksi tehdä osia omiin projekteihin tai tehdä varaosia hajonneisiin laitteisiin. Lisäksi voi tehdä esimerkiksi 3D- malleja, joita sitten voi maalata, tai muita taideprojekteja. 3D-tulostimilla voi tehdä muutaman millin kokoisista osista aina noin 20cm * 20cm *20cm kokoisia osia
Mitä eri 3D-tulostimia on saatavilla?
Prusa on avoimen lähdekoodin ja raudan tulostin. Se on tsekkiläinen. Prusan tulostimia pidetään käytännössä parhaina amatööritulostimina mitä on.
Ultimaker on Alankomaalainen tulostinfirma. Ultimaker tulostimia löytyy esim kirjastoista. Ultimakerien uudemmista tulostimista ei ole lähdekoodia tai CAD-malleja saatavilla.
Prenta oli suomalainen 3D-tulostinyritys. Se lopetti toimintansa 2014. Kuitenkin näitä tulostimia löytyy vielä esim kouluista.
Ender tulostimet ovat avoimen lähdekoodin 3D-tulostimia. Ne ovat erittäin mukautettavia, mutta saman miekan toinen terä on, että ne ovat hankalia, sillä kaikki täytyy tehdä itse.
Esimerkkejä 3D-tulostetuista asioista
Yleiset ongelmat 3D-tulostuksessa
Tulostuksen aikana voi tapahtua useita asioita jotka vaikuttavat tulosteen laatuun tai sen epäonnistumiseen. Yleisimmät ongelmat esiintyvät kappaleen (osittaisena tai kokonaisena) irtoamisena tulostusalustasta, tulostuksen kesken jäämisenä tai tulosteen huokoisuutena. Kaksi viimeistä ongelmaa johtuu suuttimen kokonaisesta tai osittaisesta tukkiutumisesta vastaavasti.
Kappale tyypillisesti irtoaa tulostusalustasta kun ylempien kerroksien jäähtymisen aiheuttama lämpölaajeneminen aiheuttaa voimia kappaleen ulkoreunaan, jolloin ulkoreuna irtoaa ensiksi ja irtoaminen etenee kappaleen keskiosaa kohti. Jotkin materiaalit lämpölaajenevat enemmän tai tarttuvat huonommin tulostusalustaan. Ongelma voidaan ratkaista lisäämällä liimaa tulostusalustaan tai lisäämällä viipalointiasetuksista irrotettava reunus kappaleen ulkoreunaan. Jossain tapauksessa isot kappaleet ovat silti mahdottomia tulostaa, jolloin kappale pitää tulostaa useassa osassa.
Suutin voi mennä tukkoon monesta syystä. Suuttimeen voi päätyä pölyä tai roskaa, tai hotendin jäähdytys voi pettää, jolloin muovi pääsee sulamaan liian korkealta, eli suuttimen yläpuolelta. Lisäksi, jos ekstuuderin kireys on säädetty väärin, jolloin filamentin työntäminen vaatii liikaa voimaa, seuraa usein osittaista tukosta vaikuttava käytös, jossa tuloste jää huokoiseksi.
Prusa vs Ultimaker
Otaniemen lukiossa on käytössä sekä Ultimakerin että Prusan 3D-tulostimia. Ultimakerit ovat hyvin yleisiä kouluissa ja kirjastoissa, kun taas Prusat ovat yleisiä harrastelija käytössä, ennen kaikkea jos harrastelija on paneutunut jonkin verran tulostimiin, muttei jaksa kustomoida ja muokata kaikkea itse.
Hinta
Otaniemen lukiossa oleva Ultimaker 2+ maksaa noin 1500€ kun taas Prusa MK3S+ kit jonka pääsee rakentamaan itse maksaa noin 850€ ja valmis tulostin maksaa noin 1150€.
Kokoaminen
Prusa myydään sekä valmiiksi koottuna että asennussarjana, jonka voi koota itse. Koska tulostimen käyttäjät ovat itse koonneet Prusan, he myös tietävät miten se toimii ja osaavat huoltaa sitä paremmin. Ultimakereista ei ole saatavilla rakennussarjaa, joten sen korjaaminenkin on luonnollisesti hankalampaa koska siitä puuttuu kokoamisohjeet.
Sekä Prusa että Ultimaker ovat saatavilla valmiiksi koottuna, jos ei jaksa vaivautua kokoamaan tulostinta itse.
Viipalointi
Ultimaker käyttää 2,85 mm halkaisijan filamenttia, kun taas Prusa käyttää 1,75 mm halkaisijan filamenttia. 1,75 mm filamentti on vähän yleisempää ja helpommin saatavaa. 2,85 mm filamentti ei ole standarikokoa, joten kaikkia materiaaleja ei saa 2,85 mm halkaisijalla. Molemmilla tulostimilla suurin turvallinen tulostuslämpötila on noin 250°C, ja kumpikaan ei pysty kovin helposti tulostamaan materiaaleja, jotka kutistuvat paljon tulostuksen aikana, kuten ABS, ilman suljettua ja kuumana pidettyä tilaa tulostimen ympärillä.
Ultimaker ei kykene tulostamaan venyviä filamentteja Bowden-tyylisen ekstruuderin takia. Prusa sen sijaan pystyy tulostamaan venyviä materiaaleja hyvin, mutta esim TPU tarttuu liiankin hyvin PEI-tulostusalustaan, joten alustan pitää olla huoneen lämpötilassa jos aikoo saada tulostuksen irti alustasta.
Materiaali
Ultimaker käyttää 2,85 mm halkaisijan filamenttia, kun taas Prusa käyttää 1,75 mm halkaisijan filamenttia. 1,75 mm filamentti on vähän yleisempää ja helpommin saatavaa. 2,85 mm filamentti ei ole standarikokoa, joten kaikkia materiaaleja ei saa 2,85 mm halkaisijalla. Molemmilla tulostimilla suurin turvallinen tulostuslämpötila on noin 250°C, ja kumpikaan ei pysty kovin helposti tulostamaan materiaaleja, jotka kutistuvat paljon tulostuksen aikana, kuten ABS, ilman suljettua ja kuumana pidettyä tilaa tulostimen ympärillä.
Ultimaker ei kykene tulostamaan venyviä filamentteja Bowden-tyylisen ekstruuderin takia. Prusa sen sijaan pystyy tulostamaan venyviä materiaaleja hyvin, mutta esim TPU tarttuu liiankin hyvin PEI-tulostusalustaan, joten alustan pitää olla huoneen lämpötilassa jos aikoo saada tulostuksen irti alustasta.
Tulostusalusta
Prusalle on saatavilla erilaisia tulostualustoja. Tulostusalusta vaikuttaa tulostetun kappaleen pohjapintatekstuurin lisäksi siihen kuinka hyvin kappaleen ensimmäinen kerros pysyy siinä kiinni.
Prusan PEI-tulostusalustoihin tarttuu materiaalit paremmin, kuin Ultimakerin lasiseen alustaan. Prusan tulostusalusta on myös magneeteilla kiinni, ja taivutettavissa joka mahdollistaa pienten kappaleiden nopean irroittamisen alustasta.
Ultimakerin tulostusalusta ei pysy tasaisena, ja toisin kuin Prusa, se ei osaa automaattisesti korjata tulostuskorkeuttaan alustan mukaiseksi vaan vaatii käsin säätämistä.
Viipalointi
Viipalointi on prosessi jossa tietokoneen 3D mallista tehdään 3D tulostimen moottoreille liikkumisohjeet. Viipaloinnin laatu on tärkeä tekijä tulostetun osan laadussa. Prusalle on saatavilla valmistajan oma viipalointiohjelma, PrusaSlicer, jolla viipalointi onnistuu helposti. Myös Ultimakerille on oma viipalointiohjelma, Cura, mutta meillä on käytössä itse tehty profiili Ultimakerille PrusaSlicerissa välttyäksemme Curalta. PrusaSlicerilla on mahdollista saavuttaa Cura-laatua parempi tulostuslaatu Ultimakerillakin.
Tulostuslaatu
Prusan kokoaminen Otaniemen lukiossa keväällä 2023
Kuva tyypillisestä Ultimaker tulostuslaadusta
Kuva tyypillisestä Prusa tulostuslaadusta
Tulostuksen onnistumistodennäköisyys
Ultimakerilla tulostaessa tulostinta pitää jollain tasolla huoltaa joka tulostuksen välissä, yleisimmin alustan puhdistaminen ja uudelleenkalibrointi tasaiseksi. Ilman näitä toimenpiteitä tulostimella Ultimakerillä saa yhden, ehkä kaksi onnistunutta tulostusta peräkkäin. Prusalla alustaa ei tarvitse ikinä säätää, koska tulostin säätää sen itse. Ainoat epäonnistuneet tulostukset ovat olleet käyttäjän virheitä, yleisimmin huonosti viipaloituja kappaleita. Prusassa on lisäksi filament run-out tunnistinta, joka tunnistaa, jos filamentti loppuu kesken tulostuksen, sekä layer-shift tunnistin. Molemmat keskeyttävät tulostuksen, jos ne havaitsevat ongelmia.
Prusalla tulostuksen onnistumistodennäköisyys on paljon suurempi kuin Ultimakerillä.
Turvallisuus
Toisin kuin Prusan, Ultimakerin tuulettimista puuttuu pyörimisnopeusmittaus, jonka takia tulostin ei tiedä pyöriikö sen kriittinen heatbreak-tuuletin. Ultimakerista myöskin puuttuu hätäseisnappula, ja tulostuksen keskeyttäminen vaatii kolme klikkausta!
Kestävyys, korjattavuus ja päivitettävyys
Ultimakerin liikkuviin osiin kertyy paljon kitkaa aiheuttavaa likaa ajan myötä. Samanlaista ongelmaa ei ole havaittu Prusissa, todennäköisesti koska Prusat käyttävät lineaarilaakereita.
Ultimakerille ei oikein saa yksittäisiä varaosia ja varaosapakkauksia on saatavilla vain harvoista kaupoista. Ultimakerin varaosat yleensä maksavat huomattavasti enemmän Prusan varaosiin verrattuna.
Prusan mekaanisista osista suurin on 3D-tulostettuja, joiden mallit (ja G-koodit) löytyvät vapaasti verkosta. Prusasta hajonneen muoviosan korjaaminen ei siis yleensä maksa edes yhtä euroa!
2,85 mm filamenttia on heikommin saatavilla ja se on kalliimpaa kuin 1,75 mm filamentti. Ultimaker ei myöskään tue 1,75 mm filamenttia, mutta Prusaan pystyy tulostamaan 2,85 mm yhteensopivan ekstruuderin.
Prusat on tehty helposti päivitettäviksi myöhemmin, kun taas Ultimakerin muokkaaminen on parhaassa tapauksessakin hankalaa. Prusan voi aina päivittää myöhemmin seuraavaan versioon, esimerkiksi MK3 tulostimen voi päivittää MK4 tulostimeen.
Yhteenveto
Päädyimme lopputulokseen, jossa totesimme, että Ultimakerin ostaminen esimerkiksi lukiolle on älytön ajatus, koska Prusa on kaikilta ominaisuuksiltaan parempi ja vielä puoleen hintaan.
Prusan kokoaminen lukiolla
Prusan kokoaminen on yksinkertaista ja helppoa, kun seuraa virallisia ohjeita. Kokoamisen aloittaminen alkaa unboxaamalla osat.
Osat tulivat nätisti ja tiiviisti paketoituna eikä yhteenkään osaan ollut aiheutunut vahinkoa kuljetuksesta.
Ennen kuin aloitimme kokoamaan tulostinta, kehitimme kokoamisvaiheista graafin, jotta tekeminen voidaan paralellisoida tehokkaasti usealle henkilölle. Graafin kehittäminen oli helppoa, koska yksi jäsenistä oli koonnut usean Prusan aikaisemmin.
Graafissa kaaret osoittavat askelten riippuvuuksien suuntaan, ja värit kertovat haastavuudesta. Todellisuudessa kaikki kokoaminen on helppoa ja kivaa, mutta jotkut askeleet vaativat enemmän kärsivällisyyttä kuin toiset.
Kokoaminen alkaa tutustumalla kokoamisohjeisiin (1. Introduction), joka selittää miten ohjeita luetaan, ruuvimeisseliä käytetään ja nallekarkkeja syödään.
Kuvalähde https://help.prusa3d.com/guide/1-introduction_176529, © Prusa Research a.s., versio 3.15
Seuraavaksi 5 henkilöä voivat aloittaa osioiden 2,3,5-7 tekemistä. Tässä huomattiin että Y-akselin kasaaminen vei huomattavan määrän aikaa, ja kahdelta henkilöltä loppui tekeminen nopeasti. Onneksi nallekarkit pitivät osallistujien mielenkiinnon korkeana.
Koko tulostimen kokoaminen neljän henkilön voimin kesti noin 6 tuntia, eli se onnistuu helposti yhdessä iltapäivässä.
Seuraavissa kuvissa ihmetellään sähköjohtojen liittämistä tulostimen ohjauskorttiin ja nättiä johdotusta, jossa nippusiteet ovat tärkeässä roolissa.
Kun sähköt oli vedetty, ajoimme alkukalibraation. Alkukalibraation tarkoitus on tarkistaa komponenttien toiminnan, akselien ortonormaalisuuden, sekä kalibroida suuttimen korkeus tulostusalustasta.
Kuvalähde 3D PRINTING HANDBOOK, © Prusa Research a.s., versio 3.18
Kalibroinnin jälkeen tulostimme Benchyn sekä otakarhuaiheisen enkooderinupin.
