2. Filamenteistä, suuttimista ja lämmöistä

"Missä ja kenen seurassa olitte, kun se tapahtui" (Columbo)

3d tulostuksen aamuhämärä alkoi valjeta jo 1980-luvulla, kun patentoitiin SLA tulostus. Siinä laserilla kovetetaan nestemäistä muovia kerros kerrokselta. Tämä tarkkoja malleja tuottava menetelmä on edelleen kallis eikä ole siksi yleistynyt kotikäytössä.

Sittemmin patentoitiin myös tässä blogissa aiheena oleva FDM (Fused deposition modeling) menetelmä.

Adrian Bowyer (RepRapPro)

3d-tulostuksen päivä alkoi kirkastua 2005, kun englantilaisen Bathin yliopisto prof. Adrian Bowyer perusti RepRap-projektin.

Projektin tarkoituksena oli kehittää kone, joka valmistaisi suuren osan omista osistaan.

Projekti tuotti nykyisten tulostimien kantaisät kuten "Darwin", "Mandel" ja "Rostock" tyyppiset tulostimet.

RepRap 1 "Darwin"

RepRap 2 "Mendel"

RepRap "Rostock"

RepRapin esikuvien mukaisia (häkkyröitä) tulostimia valmistetaan edelleen, niin harrasteluun kuin kaupalliseenkin käyttöön.

Seuraava merkittävä askel oli tsekkiläisen nuoren insinöörin Josef Prusan kehitystyö RepRapin tulostimiin. Joku on sattuvasti verrannut, että mitä Henry Ford teki autoille, sen Prusa teki 3d-tulostimille. 

Prusa suunnitteli tulostimensa paljon yksinkertaisemmiksi ja siten sopivammiksi harrastelijoillekin. Syntyi Prusa kloonit. 

Prusan oma yritys tuottaa ja koodaa uusia ominaisuuksia tulostimeen ja laittaa ne yleiseen käyttöön, kuten netin OpenSource-henkeen kuuluukin.

Prusa i3 MK2

Vuoden 2016 alkupuolella Prusa Research alkoi toimittaa asiakkaille tulostimensa Prusa i3 MK2 versiota. Sen merkittävimmät parannukset edellisiin oli:

• alumiinipeti, jonka koko 250x210 mm

• PEI kalvo pedissä

• Pedin automattinen korkeuden tunnistus. Pedin kulmien ja haluttaessa myös keskikohdan korkeus mitataan (tässä yhteydessä) induktiivisella anturilla. Marlinin Arduinossa pyörivä kirjoittimen kontrolliohjelma laskee sitten dynaamisesti, miten viturassa peti on ja korjaa pään korkeutta sen mukaisesti.

• Uusi lämpöalusta, jossa on huomioitu, että reunat ja kulmat tuppaavat jäätymään keskustaa enemmän yms..

Ystävä hyvä, mikäli olet jaksanut lukea tähän asti, niin nyt siirryn (lopulta) otsikon aiheisiin. Halusin tällä suppeaakin suppeammalla  (eine kurze Einleitung für eine kurze Einleitung...) johdannolla antaa kunnian 🏆 niille, joille kunnia kuuluu.

Havaintoja filamenteistä

Filamenttejä ja niiden valmistajia, niin perusmuovin kuin tulostuslangankin, on pilvin pimein. Oletin (naiivisti) filan kuin filan tekevän hommansa. Nettiä selatessa ihmettelin kaikkia liima, asetoni-ABS-litku jne. viritelmien käyttöä, kunnes tuli katsottua, milloin mikäkin juttu oli kirjoitettu. Tosiharrastajien jutut, kuten vetorullan dremelöinti 8 mm pultista, olivat yleensä ne vanhimmat, sieltä aamuhämäristä. Ne koskivat lähes poikkeuksetta ABS filaa ja Makerbotia (yksi ensimmäisistä kaupallisista rakennussarjoista, motoristit tosin väittävät, että HD oli, jos ei nyt sitten ensimmäinen niin kuitenkin kallein rakennussarja). Ensimmäisten kittien runko oli vaneria ja pedistä puuttui tarkat säädöt ja lämmitys. Revi siinä sitten huumoria ehkä vain hiuksia.

Hyviä ohjeita ja analyysejä eri filamenteistä on netissä paljon. Yksi paikka, josta voi aloittaa on: 3d printing for beginners (eng). Heillä on nimensä mukaisesti reilusti ihan ymmärrettäviä juttuja.

Toinen, perusteellisempi lista löytyy All3dp:n (eng) sivuilta.

Karkeasti filat voi jakaa kahteen ryhmään: perusfilat ja erikoiset (eksoottiset) filat.

Perusfiloja on kaksi, joista ABS ei ole ehkä enää niin kovin merkittävää.

ABS on yksi ensimmäisistä, jos ei ensimmäinen, filamentti. Se on Lego-palikoissa käytettävä muovi. Sen heikkouksiksi luetaan huono tarttuvuus ja paha haju tulostettaessa, josta syystä keittiöstä tuli aina nopeasti viesti, että ei sitten käytetä. Vaikka askartelutilani on hyvin ilmastoitu (autotallin ovet auki), niin vaatteisiin haju tarttuu kuin tupakoitsijalla.

ABS on edelleen käytössä, koska se on jonkin verran joustavaa (ei venyvää) ja kohtuullisesti lämpöä kestävä muovi. Sitä voi liimata asetonilla ja samaisella nesteellä viimeistellä pinta kiiltäväksi. Muuten olisi siis ihan mukava käyttää, mutta tarttuvuus ja se haju yms. e-ville ei ainakaan vielä ole ottanut ABS filaa sivuilleen varmaan pienen kysynnän takia.

PLA on kehitetty jo alunperin 3d tulostamiseen. Siksi sillä on matala lämpötila ja ekologiset juuret (tehdään mm. maissista, huom. vain jotain promillen osia maissista käytetään muovin valmistukseen, joten eipä sillä ole vaikutusta ruuan tuotantoon). PLA on yleisin ja tietyin reunaehdoin käyttökelpoisin perusfilana. PLA (kuten kaikilla rakkailla lapsilla lisänimissä löytyy: PLO, Palestiina, Arafat yms.) ei voi eikä olekaan täydellinen. Sen vahvuudet ovat myös heikkouksia, kuten matala lämmön kesto, kova, joten hauras.

PLA haurastuu lisää ja muuttuu tulostuskelvottomaksi (imee itseensä ilman kosteutta ja kovettuu), jos sitä säilyttää avonaisena. Eri valmistajat lisäävät perusmuoviin hivenaineita (antioksidantteja 😈) ja siksi jotkut filat kestävät paremmin kuin toiset. Hyvä (lue: taloudellinen) tapa on säilyttää filat minigrip-tyylisissä pusseissa. Tukevat kaksoissulkijalla varustetut pussit ovat käyttökelpoisimpia ja kestävimpiä. Kelan mukana tuleva (jos tulee) silikoniraepussi on hyvä laittaa mukaan. Jos sitä ei ole ja/tai sen lisäksi kaupan lemmikkieläin hyllystä löytyy (harvemmin eläimiä) muutaman kilon pussi silikonirakeita, jotka on tarkoitettu kissan hiekaksi. Pari lusikallista rakeita sopivan harvaan kangaspussiin tai entisiin sukkahousuihin ja homman on hoidossa.

Tämä säilytystapa pätee kaikkiin filamentteihin.

PLA tarttuu pelkkään lasiin, kun (kuten mainittu jo aiemmin) korkeussäädöt ja lämmöt ovat kohdallaan. Valmistajat antavat yleensä 10-20 asteen lämpöalueen, jolla muovi toimii. Näihin arvoihin pitää suhtautua varauksellisesti. Vaikka tulostin (Repetier-Host) kertookin lämpötilat yhden desimaalin tarkkuudella, niin ei kyseessä ole tältä osin mikään tarkkuusinstrumentti. Kokemukseni mukaan uuden filan lämmöt pitää haarukoida muutamalla koetulosteella. Itse kokeilen ensin pedin tarttumislämpötilan (aika vakio) ja sitten tulostan PLA:n kohdalla 30 x 30 mm neliön yhden, kahden ja kolmen layerin paksuudella 190 asteesta ja katson, millaista jälkeä tulee ja lisään tai vähennän lämpöä viiden astein portain. Muutaman iteraation jälkeen sopiva lämpö löytyy. Jotkut ovat niin fiksuja, että kirjaavat eri filojen lämmöt taulukoksi.

Erikoisfiloja on, kuten All3dp:n taulukosta näkyy, aika lailla ja lisää tulee jatkuvasti.

e-villen neljän erikoisfilan paketissa ovat seuraavat:

Hiilikuitufila (yläkuvassa musta fila) on jo pinnaltaan karhea. Valmistajat ja myyjät varoittavat, että pronssinen suutin kuluu nopeammin kuin perusPLA:n kanssa. Olen tulostanut toistaiseksi niin vähän hiilikuitufilalla, että kulumista ei ole mitattavissa. Mutta kun PLA:n joukossa on n. 20% hiilikuituja, niin vääjäämättömästi, joku pienistä partikkeleista myös raapii suutinta, vaikka olisikin pehmeän muovin mukana.

En löytänyt hetimiten mistään tietoa, kuinka paljon lujempi tuloste on verrattuna PLA:n. Niinpä tein alkeellisen testin, tulostin mustasta PLA:sta ja hiilikuitufilasta 150x3x2 mm tikkuja. Jo käsivaraisesti hiilikuitufila oli joustavampi (toivottavasti myös kestävämpi, so. suurempi murtolujuus). Sitten kalamiehen, siis erittäin tarkalla ja luotettavalla, jousivaakalla vedin molemmista päistä kiinnitetyt tikut poikki. Testin toistin kolme kertaa (heh, heh).

Tulos (perin epätieteellinen) oli sikäli yllättävä että murtolujuus oli kiinnityksen jälkeen jännevälillä 110 mm yli 5 kg. Hiilikuidun ja perusPLAn suurin ero oli siinä, että perusPLA napsahti poikki kerralla (n. 5,1 kg vedolla), hiilikuitu versio taipui ja taittui 5-10% kovemmalla vedolla, muttei mennyt katkipoikki. Pitää jossain vaiheessa hakea lennokkikaupasta sopivaa hiilikuiturima ja verrata siihen eli täydennän tätä joskus... (ehkä).

POMin tarttuvuustestaus

POM, polyoxymethylene, (yläkuvassa valkoinen fila) on oma lukunsa sinällään. Kuten e-ville sivut kertovat, että sen pitäisi sopia esim. leikkiautojen hammasrattaisiin. Materiaali on tähän tarkoitukseen erityisen tervetullut. Valmiiden "joululahja-autojen" rattaat ovat nailonia, mutta niin heppoisia, että rikkoutuvat aivan liian nopeasti. Jotkut thingiversen autot ovat enemmän tai vähemmän yli-insinöörättyjä. Joten piskuisten tasauspyörästöjen teko vaatii pienen suuttimen (0.2) ja ohuen layerin (=< 0.1) ja hillittömästi kärsivällisyyttä.

POM tulostui aluksi mukavasti 80/240 lämmöillä (eli peti/fila). Testauksessa huomasin, että muidenkin kokemukset pitivät paikkansa. POM tarttuu ja pysyy huonosti lasilla, jos ollenkaan. Pedin lämmön pitää olla reilusti enemmän, brim on käytännössä välttämätön ja kaikki tarttumista auttavat jipot on otettava käyttöön, sitten alkaa (ehkä) saada käyttökelpoista jälkeä. Lyhyesti: POM on hyvä, mutta hankala materiaali.

Leluauton rengas sisämitta 50 mm.

Flex-fila

Minulla ei ole e-villen flexin materiaalista (yläkuvassa sininen fila) sen tarkempaa tietoa, kun myyjän sivuilta löytyy. Flex-filoja on karkeasti otettuna (nyt) kolmea sorttia. 

• Ensimmäiseksi tulivat markkinoille hyvin joustavat ja vaikeasti tulostettavat filat. Niiden valmistajat eivät edes luvanneet, että bowden-päillä tulostus onnistuisi. Fila ruttaantuu bowden-putkeen. Normaalillakin tulostumekanismilla luvattiin hakaluuksia ja niinpä markkinoille tuli flex-päitä. Kuten arvata saattaa ne olivat arvokkaita. Pienellä kotikutoisella tavallisen tulostuspään muutoksella myös näiden pehmeiden flexien tulostaminen onnistuu.
• Kun flex-filoja kehitettiin tuli markkinoille uusia materiaaleja ja entisten viilauksia. Muodostui runsaasti joustavat filat, jotka olivat vähän kovempia ja paljon käyttäjäystävällisempiä kuin edelliset.
• Kolmannessa aallossa tulivat siten nämä polyuretaanista johdetut TPE (thermoplastic elastomer) filat. Ne tunnistaa siitä, että ovat tulostettuina joustavia, mutta eivät enää kovin kimmoisia (kumipallomaisia). Näille filoille annetaan yleisimmin jo kovuusastekin, Shore kovuus D45, mikä on aika kova noin arkikielellä ilmaistuna. Muiden flexien kovuudesta mainostoimiston tekstinkirjoittaja yleensä runoilee, mitä sattuu tai jättää sanomatta mitään.

e-villen flexi on taipuisa

 e-villen Flex sopii parhaiten tähän kolmosryhmään. Se on lankana pehmeää ja taipuisaa ja venyykin vähän eikä vaadi tulostuspäältä mitään erikoista. Vain langan syötössä pitää olla tarkkana, koska vetorulla ja vastalaakeri ohjaavat filat vähän vasemmalle (vetorullan alle). Hyväksi syöttämismenetelmäksi osoittautui ainakin se, että ensin syöttää 10 mm filaa, sitten muutamalla millin syötöllä ja tavallisen PLA:n pätkällä ohjaa flexin oikeaan koloon.

Eri myyjien ja valmistajien sivuilla suositellaan syöttöä kasvatettavaksi jonnekin 105-115%  paikkeille ja nopeudeksi jopa vain 5-10 mm/s (ja siitä ylöspäin, joku 20-30 mm/s toimii ehkä hyvin, yksi valmistaja antaa ylärajaksi 115 mm/s, no huh huh!). Laitoin ekoihin tulosteisiin 110% syötön, mutta se oli liikaa (säädä veto aika kevyelle paineelle ja kokeile tarvitsetko lisäsyöttöä ollenkaan). Flexi on niin joustavaa, ettei pystynyt tunkemaan ylimääräistä filaa suuttimeen lisätäkseen painetta, vaan etsi helpomman tien. Tässä tapauksessa alkoi puskea lenkkiä heti vetorullan alta ulos päin (tämä ongelma on yritetty korjata ns. flexipäissä). Kuten Helsingin yliopisto ensimmäinen iso tietokone (ruhtinaallisesti jotain 8 kt työmuistia!) Burroughs oli ohjelmoitu "sympaattisesti" ilmoittamaan epäonnitunut eräajo: Pieleen meni, yritä uudestaan. (Kuvassa näkyy myös x-remmin kiristin.)

Toinen "hauska" ominaisuus korostuu pienen kelan takia. Kaikki filat tuppaavat kiertymään tulostettaessa. Isolla keloilla kierroksia tulee niin vähän, ettei venkuilusta ole haittaa. Flex menee pidemmässä (yli 10-15g) tulostuksessa kierteiseksi. Kun tulostamisen lopettaa ja flexin peruuttaa takaisin kelalle, se purkaa kierroksensa kuin kumilenkki.

Flexi tarttuu helposti (hyvin olisi väärä sana) omalla lötköllä tavallaan. Kun esim. o-renkaan mallisen kappaleen tartuntapinta on pieni, niin brimin käyttö on hyvä ratkaisu. 

Kokeiluissani flexi tulostui parhaiten 215-220 asteen lämmöllä 60-70 pedille.

Glow-filaan (yläkuvassa vaalea beige fila) on lisätty valoa "imevää" ja sitten säteilemää ainetta. Jotkut sivut käyttävät Glow-filasta UV-filan nimeä. Se on hämäävää, koska UV-fila voi tarkoittaa myös:

• UV-valoa kestävää filaa (UV resistant),
•  UV-valossa väriään muuttavaa filaa (UV reactive, UV sensitive)  
• jotkut tarkoittavat sillä Glow-filaa.

 Siksi käytän tässä vain termiä Glow-fila tarkoittamaan pimeässä hohtavaa filaa. Se reagoi muihinkin valon taajuuksiin kuin UV-alueeseen.

Glow-efektiin käytetään netistä löydetyn tiedon mukaan kolmea eri ainetta (zinc sulfide, calcium sulfide or strontium aluminate), olettaisin eri väreihin. Joidenkin mukaan tuo vihreä tuottaa parhaan tuloksen (strontium aluminaatti). Sininenkin on vielä kelvollinen, mutta keltainen ja punainen tuottavat tulostajalle vain pettymyksen.

Glow-fila tarttuu vähän heikommin kuin perusPLA, mutta ei vaadi sen kummempaa tulostamisessa. Glow-efekti (taskulampulla pari minuuttia "ladattu") hiipuu 15 minuutissa jo ehkä puoleen. Aurinkoa ei ole juuri näkynyt, mutta muutkin valonlähteet siis kelpaavat auttavasti. Käytin vattista led-taskaria kokeilussa. En ole vielä löytänyt juttua, jossa olisi kerrottu missä ajassa ja millä teholla glow-efekti saavuttaa saturaatiopisteensä. 

Kokeilua varten tein hymyemoijin, jonka parametrit: suutin 0.4, leyer 0.25, pinnat 1.25 (= 5 kerrosta), seinät 0.8 (= 2 viivaa), fill 30% paksuus 5 mm. Taskari valaisi 5 mm hymyn läpikotaisin, molemmat puolet hehkuvat myös samalla lailla.  

Uusiofila nGen

nGen filaa tai vastaavaa ei (ainakaan toistaiseksi) saa e-villen kautta. Se on Colorfabbin (Euroopan johtava filatehdas Hollannissa) kehittämä "uuden sukupolven" fila, johon on yhdistetty PLAn ja ABS:n parhaat ominaisuudet. Kuulostaa hyvältä ja myös on sitä. nGen vaatii vähän enemmän lämpöjä, mutta muuten tulostuu yhtä helposti kuin PLA. Se myös kestää PLAta enemmän lämpöä ja on samalla lailla vähän taipuisaa kuin ABS (eli ei ihan niin kovaa kuin PLA).  nGenillä saa nättiä pintaa helpolla, ehkä siksi että se on juoksevampaa kuin PLA. Kokemukseni mukaan nGen olisi kaiken kaikkiaan onnistunut tuote yleisfilaksi, jos se olisi edullisempaa. Nykyisin (eipä juuri kilpailijoita) se maksaa tuplasti verrattuna PLAhan. Harmi, harmi, iso harmi. Perusoptimistina ajattelen, että filojen kehitystahti on niin kova, että vastaavia tuotteita tullee muualtakin saataville (mitähän esim. NaturalWorks tekee...).

Erittäin lyhyesti suuttimista

Suuttimia on helposti saatavilla 0.2-1.0 mm. Kokoamani e-villen Prusa i3 kloonin mukana tuli 0.3 suutin. Se on hyvä kompromissi. 

Kokeilin myös 0.2 ja 0.4 suuttimia. 
Suuttimeen on onneksi stanssattu sen koko, joten oikea koko löytyy, jos säilyttää suuttimia samassa lokerossa, laatikossa tms. Niistä 0.2 tekee 0.3 verrattuna terävämmät kulmat, joten piskuisten hammasrattaitten tekoon oiva väline. Suuremmalla suuttimella, kuten 0.4, on omat etunsa. Sillä tulosta syntyy nopeammin, kuin pienemmillä (yllätys, yllätys), tarttuvuus kasvaa jne. Suuttimen koko vaikutta voimakkaasti tulostusaikaan. 

Otetaan esimerkiksi 30x30x2.4 mm kiinteä kappale.

Tulostusajat karvalakki-Curan mukaan, kun muutetaan vain layerin korkeutta vastaamaan suutinta ja pidetään muut parametrit samoina, ovat seuraavat:

• 0.2 suutin ja 0.1 layer = 1 tunti 7 min
• 0.3 suutin ja 0.2 layer = 24 min
• 0.4 suutin ja 0.3 layer = 13 min

Layerin korkeus vaikuttaa tulostusajan lisäksi myös tuloksen laatuun, esim. 0.4 suutin ja 0.1 layer käyttää aikaa 34 min ja tekee siistiä jälkeä. Slicerin parametreilla valitaan sitten sopivin kompromissi tulostusajan ja -laadun suhteen.

Kuten mainitsin, suuttimen koko vaikuttaa myös tarttuvuuteen kahdella tavalla. Ensiksikin suuremmalla suuttimella tulee leveämpää nauhaa, jolloin tarttumispintaa tulee lisää. Toiseksi suuremmalla suuttimella voi tehdä paksumpia layereitä (ainakin eka kerros), jolloin pedin korkeussäätövirheitä saa vähän anteeksi.

Kun suuttimen vaihtaa, kokemukseni mukaan, se onnistuu helpohkosti ja turvallisesti seuraavasti (rohkeimmat ovat onnistuneesti vaihtaneet suuttimen irroittamatta koko lämmityselementtiä, lycka till):

1. Lämmitä suutin normaaliin filan lämpöön (kiinteäksi jämähtänyt fila suuttimessa vaatii "vähän" enemmän voimaa irrottamiseen)
2. Suojaa peti (pahvilla tms).
3. Nosta kelkkaa ja siten päätä  n. 50 mm, katkaise virrat ja irrota jäähdytyselementti kokonaisena tulostuskelkasta (kaksi ruuvia ja varo murjomasta mitään ja polttamasta sormiasi).
4. Tarvitset pään irroittamiseen kaksi kiintoavainta: lämmitysblokkiin kelpaa 17 mm ja itse suuttimeen 7 mm avain
5. Kierrä suutin irti (se on edelleen kuuma!!!)
6. Ruuvaa uusi tilalle ja kiristä se kunnolla, tarkista myös että jäähdytyselementti ja sen sisällä oleva putki on kireästi suutinta vasten. Niiden välissä ei ole mitään tiivistettä, joten ole tarkka ja tarvittaessa irroita putkikin, niin voit putsata sen pään filasta. Suuttimen saa kireälle kiertämällä sen loppuun asti kiinni vain lämmitysblokkiin, mutta em. putken ja suuttimen väliin voi silti jäädä rako, josta fila pursuaa sitten "hauskasti" pitkin lämmitysblokkia ja tipat pilaavat tulosteen.
7. Kiinnitä koko jäähdytyselementti takaisin tulostuskelkkaan. Mikäli oikeanpuoleinen pultti ei ala vetää, niin edessä on lisää purettavaa. Oikeanpuoleisen pultin mutteri (kuten hyvin muistat kokoamista 😀) on syvällä omassa tunnelissaan. Se muljahtaa helposti paikaltaan. Ei auta, kuin irrottaa koko tulostuskelkka niillä pulteilla, jotka kiinnittävät sen laakerointi levyyn, ravistella mutteri jne...

Hiilikuitufilan kanssa valmistajat suosittelevat terässuuttimia. Ne maksavat vain hiukan pronssisia enemmän (pronssiset vähän alle ja teräksiset vähän yli €:n). Terässuuttimista a) puhutaan ja b) tarjotaan varsin vähän netissä, joten oletan c) etteivät ne ole kovin kummoinen parannus. Tarttis varmaan kokeilla jotakin, kuten ei vielä entinen, mutta ei niin kauhean hyvin työssään onnistunut mies sanoisi.