3D-tulostus: mitä se on, miten se toimii ja käyttökohteet
3D-tulostus: mitä se on, miten se toimii ja käyttökohteet — opas prototypointiin, korjauksiin, kotitulostukseen ja teollisiin sovelluksiin. Nopea, yksityiskohtainen ja edullinen valmistusmenetelmä.
3D-tulostus on tapa luoda kolmiulotteisia (3D) kiinteitä esineitä rakentamalla ne kerros kerrokselta. Useimmiten tulostuksessa käytetään sulatettavaa lankafilamenttia tai nestemäistä hartsia, mutta tekniikoita on monia. Yleensä 3D-tulostimissa käytetään muovia, koska se on helppokäyttöisempää ja halvempaa. Joillakin 3D-tulostimilla voi 3D-tulostaa muillakin materiaaleilla, kuten metalleilla ja keramiikalla, mutta teolliset järjestelmät ovat usein kalliimpia ja vaativat erikoisosaamista.
Miten 3D-tulostus toimii
Tyypillinen työnkulku on seuraava:
- Suunnittelu tietokoneella CAD-ohjelmalla tai valmiin 3D-mallin käyttäminen (tiedostomuodot kuten STL tai OBJ).
- ”Slicing” eli mallin pilkkominen kerroksiksi ja tulostusohjeiden (G-koodin) luominen slicer-ohjelmistolla.
- Tulostus: laite rakentaa esineen kerros kerrokselta valitulla menetelmällä.
- Jälkikäsittely: tukien poisto, hionta, kovetus (resin-painatuksissa UV-valolla), poltto tai sintraus metallija keramiikkaprosesseissa.
Yleisimmät 3D-tulostustekniikat
- FDM/FFF (sulanekstrusio): filamentti lämmitetään ja puristetaan suuttimesta. Yleisin kotikäytössä ja prototypoinnissa.
- SLA/DLP (valokovetus): nestemäinen hartsi kovetetaan valolla (laser tai näyttö). Erinomainen yksityiskohdissa ja pinnanlaadussa.
- SLS (selektiivinen lasersintraus): pulverimateriaali sintrataan laserilla kerros kerrokselta; sopii teknisiin osiin ilman tukirakenteita.
- DMLS/SLM (metallitulostus): metallijauhe sulatetaan kerros kerrokselta; käytetään ilmailu-, lääke- ja autoteollisuudessa.
- Binder jetting, material jetting ja muut erikoismenetelmät tarjoavat eri etuja materiaali- ja tuottavuustarpeisiin.
Materiaaleja
- Muovit: PLA, ABS, PETG, Nylon, TPU (joustava) – erilaiset mekaaniset ja lämpöominaisuudet.
- Hartsi: kirkkaat, kestävämmät tai biokompatible-resinuit, käytetään mm. hammas- ja koruteollisuudessa.
- Metallit: titaani, ruostumaton teräs, alumiini, nikkeli-seokset – vaativat usein teollisia laitteita ja jälkikäsittelyä.
- Keramiikka ja komposiitit: keraamiset osat voidaan sintrata loppuvaiheessa.
- Erikoismateriaalit: hiilikuituvahvisteet, lasitäytteiset filamentit, bioanturit ja muut erikoisseokset.
Hyödyt
- Nopea prototypointi: insinööri voi testata ja kehittää malleja nopeasti ilman pitkien työkalujen odotusta.
- Räätälöinti: yksittäiskappaleet tai pieniä sarjoja voidaan valmistaa asiakkaan tarpeen mukaan.
- Monimutkaiset muodot: sisäisiä kanavia, kevyitä ritilärakenteita ja geometrioita, joita perinteisellä valmistuksella olisi vaikea tai kallis tehdä.
- Korjaus ja varaosat: muoviosien tulostaminen paikan päällä voi säästää toimitusaikaa ja kustannuksia.
Rajoitukset ja haasteet
- Tulostusajat voivat olla pitkiä suurissa tai korkealaatuisissa kappaleissa.
- Materiaaliominaisuudet eivät aina vastaa perinteisesti valmistetun metallin tai ruiskupuristetun muovin ominaisuuksia.
- Pintaviimeistely ja mittatarkkuus saattavat vaatia lisäkäsittelyä.
- Metalli- ja teolliset järjestelmät ovat kustannuksiltaan ja ylläpidoltaan vaativia.
Käyttökohteet
- Tekninen suunnittelu ja prototypointi (autoteollisuus, elektroniikka).
- Lääketiede: hammastekniikka, kirurgiset mallit, proteesit ja implantit.
- Ilmailu ja avaruusteollisuus: kevyet rakenteet ja räätälöidyt osat.
- Rakentaminen: 3D-tulostetut rakenteet ja elementit, jopa talojen tulostus tietyissä projekteissa.
- Koulutus, harrastajat ja taide: opetustyökalut, pienoismallit, korut ja skulptuurit.
Turvallisuus ja ympäristö
- Filamenttien ja hartsien kuumeneminen voi vapauttaa hajuja ja pienhiukkasia; hyvä ilmanvaihto suositeltavaa.
- Resinien kanssa suositellaan suojakäsineitä ja silmiensuojausta, ja tahriintunut hartsi tulee käsitellä oikein.
- Jätteiden kierrätys on kehittyvä alue: PLA on biologisesti valmistettu ja teollisesti kompostoitavissa, mutta todellinen kierrätys vaatii järjestelyjä.
- Metallijauheet ovat palo- ja räjähdysvaarallisia hienojakoisuutensa vuoksi; teolliset prosessit vaativat turvajärjestelyjä.
Lyhyt historia ja kehitys
3D-tulostuksen kaupallinen kehitys lähti liikkeelle 1980–1990-luvuilla. Kotikäyttöön ja pienten yritysten käyttöön laitteet yleistyivät 2000-luvun alusta lähtien: vuodesta 2003 lähtien materiaalitulostimia on myyty paljon enemmän kuin aiemmin, ja laitteiden hinnat ovat laskeneet, mikä on madaltanut kynnystä kokeilla ja ottaa teknologiaa käyttöön.
Vinkkejä kotikäyttäjälle
- Aloita FDM-tulostimella ja PLA-materiaalilla — ne ovat helppoja ja turvallisempia käytössä.
- Opettele perusasetukset (lämpötila, tulostusalustan tasoitus, tulostusnopeus) ja tulosta kalibrointikuutioita.
- Pidä tulostusalue puhtaana ja huolehdi ilmanvaihdosta, etenkin resiinitulostuksessa.
3D-tulostus on monipuolinen ja nopeasti kehittyvä ala. Se yhdistää suunnittelun, materiaalitieteen ja valmistustekniikat tavalla, joka avaa uusia mahdollisuuksia niin teollisuudessa kuin harrastajillekin.
3D-tulostin
Historia
1974 David E. H. Jones kirjoitti ensimmäisen kerran 3D-tulostuksen ideasta New Scientist -lehdessä.
1984 Alain Le Méhauté ja muut hakivat patenttia stereolitografialle (laserpohjainen 3D-tulostin).
1989: S. Scott Crump kehitti FDM:n. Se on tekniikka, jota useimmat 3D-tulostimet käyttävät nykyään.
1992 S. Scott Crumpin yritys Stratasys myi ensimmäisen FDM-koneen vuonna 1992.
2005 RepRapista tuli ensimmäinen avoimen lähdekoodin tulostinprojekti.
2008 Shapewaysista tuli ensimmäinen palvelu, joka 3D-tulosti esineen ja lähetti sen asiakkaille.
2017 Venäjällä rakennettiin ensimmäinen 3D-tulostettu talo, jossa ihmiset voisivat asua.
Miten ne toimivat
Mallintaminen
Ensimmäinen vaihe 3D-tulostuksessa on tehdä jokin asia tietokoneella. Tämä tehdään CAD-ohjelmistolla (Computer Aided Design) tai 3D-skannerilla. Mallien suunnittelussa[ permanent dead link] CAD-ohjelmassa lähdetään liikkeelle perusmuodoista ja rakennetaan siitä eteenpäin. 3D-skannerit ovat koneita, jotka ottavat kohteesta paljon mittoja ja tekevät automaattisesti mallin tietokoneelle. Ne voivat olla hyvin nopeita, mutta ovat myös kalliimpia.
CAD-mallit tallennetaan yleensä tietokoneille STL-tiedostoina. Ne tallennetaan monina kolmioina, mikä säästää tilaa tietokoneella.
Tulostus
3D-tulostimet toimivat monella eri tavalla. On myös monia erilaisia materiaaleja, joita voidaan käyttää. Jokaisella menetelmällä ja materiaalilla on omat etunsa ja haittansa.
Tärkeimmät asiat, joita kannattaa miettiä konetta valittaessa, ovat yleensä nopeus, kustannukset ja väri. Suoraan metallien kanssa työskentelevät tulostimet ovat yleensä kalliita. Halvemmilla tulostimilla voidaan kuitenkin tehdä muotti, jota käytetään sitten metalliosien valmistamiseen.
Tyypilliset kerrokset ovat noin 100 μm paksuisia eli noin kymmenesosa hiuksen paksuudesta. Tulostaminen voi kestää alle tunnista useisiin päiviin riippuen siitä, kuinka monimutkainen ja suuri se on.
Viimeistely
Kun kone on lopettanut tulostuksen, joskus ihmiset viimeistelevät mallin. Tämä tarkoittaa pieniä korjauksia, jotta se näyttäisi paremmalta. Viimeistelyyn kuuluu myös materiaalin poistaminen, jonka tulostin on asettanut mallin tueksi. Tämä voi joskus viedä paljon aikaa. On olemassa keinoja nopeuttaa sitä, mutta usein muovin poistaminen on helpointa tehdä käsin.
Esineen tietokonemalli ennen tulostusta
Valmis 3D-tuloste tykistä
Käyttää
DIY
Monet ihmiset yrittävät kehittää halpoja 3D-tulostimia kotikäyttöön. Myös kirjastot ovat alkaneet hankkia pienempiä 3D-tulostimia, jotta ihmiset voivat tutustua niihin ilman, että heidän tarvitsee ostaa niitä. DIY-yhteisöt sekä koulut ja hakkeriyhteisöt ovat tehneet paljon työtä. Vuoteen 2017 mennessä yhä useammat ihmiset alkoivat käyttää 3D-tulostusta omassa kodissaan pieniin esineisiin, kuten hammaspyöriin ja pieniin koristeisiin.
Lääketieteellinen
3D-tulostusta käytetään lääketieteellisten tarvikkeiden valmistamiseen halvalla. Ihmiset uskovat, että kaksi suurinta käyttökohdetta ovat kuulokojeiden ja tekohampaiden valmistus.
Maaliskuussa 2014 Swansean kirurgit käyttivät 3D-tulostettuja osia liikenneonnettomuudessa pahoin loukkaantuneen moottoripyöräilijän kasvojen uudelleenrakentamiseen.
Valmistus
Vuonna 2014 eräs ruotsalainen yritys valmisti superauton, jossa käytettiin monia 3D-tulostettuja komponentteja. Urbee oli maailman ensimmäinen auto, jonka kori ja ikkunat oli 3D-tulostettu.
Vuonna 2015 kuninkaallisten ilmavoimien Eurofighter Typhoon -hävittäjä lensi 3D-tulostettujen osien avulla. Yhdysvaltain ilmavoimat on alkanut työskennellä 3D-tulostimien kanssa, ja myös Israelin ilmavoimat on hankkinut 3D-tulostimen varaosien tulostamista varten.
Ruoka
Ruoka voidaan tulostaa 3D-tulostamalla. Paljon erilaisia elintarvikkeita voidaan tulostaa, kuten suklaata ja karkkeja, mutta myös litteitä elintarvikkeita, kuten keksejä, pastaa ja pizzaa. NASA tulostaa ruokaa, jotta syntyisi vähemmän jätettä ja jotta astronauttien tarvitsema ruoka sisältäisi kaikki oikeat ravintoaineet. Vuonna 2018 Giuseppe Scionti tulosti ruokaa, joka muistutti lihaa.
Aseet
Vuonna 2012 Defense Distributed latasi internetiin tiedostoja 3D-tulostetusta aseesta, jonka "kuka tahansa 3D-tulostimella varustettu voi ladata ja valmistaa". Kun Defense Distributed oli julkaissut suunnitelmansa, ihmiset olivat huolissaan siitä, että ne saattavat aiheuttaa ongelmia asevalvonnassa. Vuotta myöhemmin, toukokuussa 2013, Yhdysvaltain ulkoministeriö pyysi Defense Distributedia poistamaan suunnitelmat, minkä se myös teki.
Koulutus
3D-tulostus on lisännyt innovointia ja ongelmanratkaisua luokkahuoneissa. Muotoilun opiskelijat voivat käyttää sitä prototyyppien tulostamiseen esimerkiksi teknisen 3D-tulostuksen kaltaisissa oppiaineissa; tätä on jo demonstroitu joissakin oppilaitoksissa eri puolilla maailmaa.
Historiallinen
Viime vuosina 3D-tulostusta on käytetty varmistamaan, että historian tärkeät asiat ovat turvassa. Monet museot ovat hankkineet 3D-tulostimia ja valmistavat kappaleita muinaisjäännösten korjaamiseksi. Metropolitan Museum of Art ja British Museum ovat alkaneet käyttää 3D-tulostimia kopioiden valmistamiseen lahjatavarakaupassa myytäviksi. Kansallinen sotahistoriallinen museo ja Varnan historiallinen museo myyvät verkossa digitaalisia versioita esineistään, jotka jokainen voi 3D-tulostaa kotona.
3D-tulostettu egyptiläinen faarao myytävänä Threedingissä
3D-tulostettu sokerikuutio
3D-tulostettu moottori
3D-tulostettu selkärangan levy
3D-tulostus melu
3D-tulostimet tuottavat melua, koska niiden toimintaan liittyy paljon tärinää. Michiganin yliopisto osoitti, kuinka paljon ääntä 3d-tulostin voi tuottaa. Heidän tutkimuksensa osoittaa, että yli 85 DB:n äänet ovat haitallisia ihmiselle. Hyvät 3d-tulostimet, joissa on hiljainen emolevy, voivat kuitenkin rajoittaa melun 55 DB:hen. Silti on paljon valmistajia, jotka eivät edes pysty tunnistamaan parasta tapaa vähentää 3D-tulostimen melua. Mutta on olemassa joitakin tekniikoita, jotka voivat auttaa sinua tunnistamaan hiljaiset 3d-tulostimet ja valmistautumaan melun vähentämiseen merkittävällä tasolla.
On paljon huomioon otettavia asioita, kuten tuulettimen koko ja sen pyöriminen, askelmoottori ja askelmoottoriohjainten suorituskyky jne. Melu voi kuitenkin johtua myös suulakepuristimeen pinttyneestä pölystä tai huollon puutteesta.
Bostonin yliopiston tuore tutkimus on osoittanut, että yksinkertaisella tempulla voidaan minimoida 3d-tulostuksen ääni huomattavasti. Tämä on toistaiseksi viimeinen edistysaskel tällä alalla.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä on 3D-tulostus?
V: 3D-tulostus on tapa luoda kolmiulotteisia (3D) kiinteitä esineitä rakentamalla esine kerros kerrokselta.
K: Mitä materiaaleja käytetään yleensä 3D-tulostuksessa?
V: 3D-tulostuksessa käytetään yleensä muovia, koska se on helppokäyttöisempää ja halvempaa. Joillakin 3D-tulostimilla voidaan tulostaa muillakin materiaaleilla, kuten metalleilla ja keramiikalla, mutta ne maksavat useimmille liian paljon rahaa.
K: Mikä tekee 3D-tulostimista hyödyllisiä?
V: 3D-tulostimet ovat hyödyllisiä, koska niillä voidaan valmistaa uusia esineitä hyvin nopeasti ja ne ovat hyviä tekemään niitä hyvin yksityiskohtaisesti. Tämä tarkoittaa, että insinööri voi testata paljon uusia malleja eikä hänen tarvitse odottaa, että joku muu tekee ne. Ne ovat hyödyllisiä myös muoviosien korjaamisessa sekä lelujen, hahmojen ja mallien valmistuksessa.
K: Kuka käyttää 3D-tulostimia?
V: Monet ihmiset tulostavat 3D-esineitä kotona. Vuodesta 2003 lähtien materiaalitulostimia on myyty paljon enemmän kuin aiemmin. Myös 3D-tulostimien hinnat ovat laskeneet, minkä ansiosta yhä useammat ihmiset voivat käyttää niitä.
K: Kuinka kauan teknologia on ollut käytössä?
V: Teknologia on ollut käytössä vuodesta 2003, jolloin materiaalitulostimia myytiin paljon enemmän kuin aiemmin.
K: Kuinka paljon useimmat 3d-tulostimet maksavat?
V: Useimmat 3d-tulostimet maksavat nyt vähemmän kuin vuonna 2003, koska teknologian kehittyminen on mahdollistanut hintojen huomattavan alenemisen ajan myötä.
Etsiä