Pikavalmistus avoimen koodin laitteilla

Merkitys ja käyttö

Risto Linturi

Teolliset vallankumouksetRifkin & al., endorsed by European Parliament in 20071. vallankumous – painokoneet ja laaja lukutaito höyrykoneiden avulla,

höyryvoimalla toimiva joukkoliikenne ja teollinen tuotanto2. vallankumous – sähköinen viestintä, öljypohjaiset koneet,

sarjatuotanto, esim. Fordin T-Malli, ihmisten ja tavaran mobilisaatio.3. vallankumous – uusiutuva energia, kasvava hajautettu sähkövoiman

tuotanto/varastointi/käyttö sekä pikavalmistuksen/3D-tulostuksen avulla paikalliseksi hajautettu ja yksilöllistetty tuotanto

http://en.wikipedia.org/wiki/The_Third_Industrial_Revolution

http://www.worldfinancialreview.com/?p=1547

Esimerkki: uudentyyppiset tuotteet

• Valmistus pikavalmistuslaitteella

• Kuvan latausteline ja kuori kaupassa hintaan 37E + 20E

• Keittiön pöydälle sopiva 10K-euron laitteisto voi valmistaa 5.000 kpl iPhonekuoria kuukaudessa, materiaalikustannus 2.000E

• Kuoret voivat olla yksilöllisesti nimikoituja, kuvioituja ja värjättyjä –esim. pöytäliinan mukaan

• Tuomarinpillejä voisi omakotitalossa valmistaa 10 KE investoinnilla noin puoli miljoonaa kappaletta vuodessa. Kauppahinta nyt 5 e/kpl.

Jotta tuote voisi olla edullinen, tulee tuotantokoneen olla nopea tai halpa!• Edulliset 3D-tulostimet järkeviä tuotteiden

valmistukseen, jos valmistusmäärät ja tuoteominaisuudet sopivia

• Huomattavaa: muovimuotin kustannus helposti 10KE. Jos sarjan koko on esim. tuhat kappaletta, muotin kustannus kappaletta kohden jo 10E.

• Edullisen 3D-tulostimen tuloste saadaan jälkikäsittelyllä viimeistellyksi

• Tuomarinpillin pääomakustannus pilliä kohden noin kaksi sentttiä, materiaali 2-20 senttiä riippuen siitä, tehdäänkö lanka itse

• Yksi käyttäjä hoitaa 20-40 konetta!

Uudentyyppinen t&k-prosessi, esim

• Crowd sourcing• verkon käyttäjät voivat esitellä

tuotteiden 3D-malleja asiakkaiden äänestettäväksi tai tilattavaksi

• Crowd sourcing hankala, jos käyttäjillä ei ole omia tulostimia

• Verkossa useita hankkeita, joissa ryhmä kehittää yhteistä laitetta, esimerkiksi kaappikelloa

Kotitulostus, koulut, kirjastot, tutkimus

• Valmiiden mallien tulostus• Harrasteet, oma mallinnus• Oppiminen / koulut, kirjastot• Kokeilut, kehittäminen modifiointi

• materiaalit• laiterakenteet• ohjelmistot

RepRap-projekti http://reprap.org/wiki/RepRap

• Stratasysin patenttien rauetessa Bathin yliopistossa kehitettiin termoplastisten muovien pursotukseen sopiva laite ja ohjelmistot• ohjelmistot ja elektroniikka kehitettiin avoimen koodin projektina• projektin suunnitelmiin perustuvia laitteita jo runsaasti markkinoilla, yhteinen

myynti on jo useita kymmeniä tuhansia, ohjelmistot edelleen yhteensopivia• Alkuvaiheen laitteita sukupuineen

• Darwin -> Mendel -> Huxley –avoimen koodin lipunkantaja RepRap-projekti• -> Makerbot Cupcake -> Thing O´Matic -> Replicator 2 (Makerbot)• -> Rapman -> 3D Touch -> CubeX (3D Systems)

• Makerbot ja 3D Systems osin sulkeneet kehitystyötään

Makibox – alkaen 200$

• Toimitukset alkavat 6/2013• Rakennussarja• Valmistaja honkongilainen

startup• 300$ versiossa lämmitetty

tulostusalusta, 350$ metallikuori• Tulostusmateriaalit PLA, ABS• Tulostusalue pieni

• 15cm * 11 cm * 9cm

• Ramen – 100E pursottaa lankaa pelleteistä (toimitusaika?)

miniFactory – kotimainen 3D-tulostin790E + alv.• Tulostusala 150mm*150mm*155mm

• Tukeva viimeistelty ohutlevyrunko• Lämmitetty lasinen tulostusalusta• Kerrosväli 0.1mm, kohdistustarkkuus

0.01-0.016mm, pursotin 0.35mm• Pursotin ja lankapaksuus vaihdettavissa,

tulostusalusta helposti vaihdettavissa• Helppo huollettavuus• Toiminta avoimen koodin sovelluksilla• Pursotin, elektroniikka, mekaniikka ja

tulostusalusta kaikki omaa suunnittelua• Lämpötila-alue PLA, ABS, Nailon, HPDE

B9Creator noin 2.000 euroa• Erittäin tarkka harrastelaitteeksi• Avoimen lähdekoodin hanke• Tulostaa kovettamalla fotopolymeeriä

tavallisella dataprojektorilla• Tulotusalue 100mm*76mm*200mm• Tulostusmateriaalit kelpaavat

tarkkuusvaluun ja mm. korunvalmistus on demonstroitu

• Maksimitarkkuus 50 mikronia• http://b9creator.com/source-files/• Open source

resin printer

Avoimen koodin jauhelaite Pwdr 0.1

• Avoin design, osat hyllytavaraa, osien hinta noin 1.000 euroa

• Jauheen levitys, liimaaminen ja väritys. Kehitteillä myös laser-sintraukseen perustuva versio• Maximum build size: 125mm x

125mm x 125mm• Print resolution (3DP): 96DPI• Minimum vertical step size:

50 m• Speed (depending on printed

part): ±1 minute per layer

Muut materiaalit• Saven sovittaminen RepRap -perheen tulostimiin onnistuu

palveluntarjoajilta. Hienojakoinen savi pusertuu ja jähmettyy ohuinakin rakenteina, ja aihiot lasittuvat hyvin. Pikavalmistettu keramiikka on kaupallista toimintaa, mutta selvityksessä ei tullut esiin kaupallisia laitteita, jotka myytäisiin tähän tarkoitukseen.

• Suklaata on myös käytetty onnistuneesti tulostusmateriaalina. Pikavalmistetut yksilölliset suklaakoristeet eivät liene kovin tärkeä uuden teknologian sovellus, mutta mitä edullisemmaksi teknologia kehittyy, sitä arkisempia asioita sillä tehdään. • Essential Dynamics'n laite tukee kaikkia ruiskusta puristettavia materiaaleja kuten

silikoni, keraaminen savi, suklaa. Laitteen hinta n. 3.000$http://www.psfk.com/2012/01/3d-printer-chocolate-cupcake.html

• Lääketieteen käyttämät tulostusmateriaalit, elektroniikan pikavalmistus, elintarvikkeiden monimuotoisempi pikavalmistus ja monet muut tulevaisuuden visiot kokeillaan tyypillisesti modifioiduilla avoimen koodin laitteilla – suljetun koodin laitteiden modifiointi hankalaa.

Edullisten pursotinten hankaluuksia

• Tulostustilan lämpötila ei ole säädetty (Stratasysin patentti voimassa)• huonelämpötila vaikuttaa tulostuksen säätöihin• Osa muoveista kutistuu jäähtyessään (warping) eikä tulostusalustan

lämmitysvaikutus ulotu ylempiin kerroksiin aiheuttaen vääristymistä

• Vapaasti hankittavat materiaalit ja ohjelmistot aiheuttavat säätötarvetta• Erillinen tukimateriaali usein puuttuu tai toimii hankalasti• Laitevalmistajat eivät ole kovin pysyviä, koska IPR siirtyy helposti

yritykseltä toiselle – toisaalta osat ovat usein vaihtokelpoisia• Laatu vaihtelee ja rakennussarjat vaativat harrastuneisuutta• Osa laitteista selkeästi rajoittuneita, esim. vain PLA, vain ABS jne.

Avoimen koodin FDM-laitteiden etuja

• Ohjelmistot keskenään yhteensopivia• Ohjelmistot kehittyvät nopeasti• Ohjelmistot/laitteet modifioitavissa• Materiaali vapaasti hankittavissa ja

valikoima kasvaa jatkuvasti• nailon, laywood,...

• Tulostusmateriaali edullista, itse tehtävissä pelleteistä

• Laitteiden dimensiot ja materiaalit vaihdettavissa pienellä lisätyöllä

• Laitteiden rakentaminen itse mahdollista (kuvassa malli Sovelto)• elektroniikkaa, runko-osia, pursottimia

yleisesti saatavilla

Avoin elektroniikka ja firmware

• Arduino (Sanguino) – avoimen koodin elektroniikka, jota reprap-pohjaiset avoimen koodin laitteet käyttävät

• Kortilla ohjaukseen tarvittavat tulot, lähdöt, USB• lisäksi tarvitaan ohjauspiirit askelmoottoreille

• Arduino/Sanguino –kortille ladataan firmware• tavallisin firmware on Marlin – kehittyy nopeasti• (http://reprap.org/wiki/List_of_Firmware)• firmware saa loogiset ohjaukset kuoriohjelmalta

ja muuttaa ne fyysisiksi askelmoottorin,lämpövastusten ja tuulettimien ohjauksiksi

• Firmware yleensä yhteensopiva useidentai kaikkien eri kuoriohjelmien kanssa

• Firmwaren muokkaukseen omat sovelluksensa

Repetier Host – avoin kuoriohjelmaohjataan (vain) laitteita, joissa on Marlin-firmware• vaihtoehtona Pronterface tai ReplicatorG• http://solidoodletips.wordpress.com/2012/08/22/setting-up-repetier-host/

Slic3r – vaihtoehtona Skeinforge

• G-koodin tuottaminen STL-mallista, Slic3r helppokäyttöisempi ja nopeampi, mutta vaikeissa tilanteissa kumpi tahansa voi olla parempi

Sweet Feast Bertrand Benoit

3D-mallin tulostuskelpoisuuden tarkistus

• Tiedoston tulostuskelpoisuuden tarkistukseen tavallisimmat sovellukset ovat Netfabb Studio ja DeskArtes 3Data Expert

• Netfabb lukee mm. OBJ, AMF, STL, X3T ja eri kirjoitinkohtaisia tiedostoja• 3Data Expert lukee lisäksi

• VRML, IGES, 3DS ja DXF

• Tiedoston tulee olla "siisti" umpinainen kolmiopinta

• kolmiot eivät saa mennä sisäkkäin tai limittäin

• Netfabb ja 3Data Expert sisältävät välineitä, joilla virheitä voi korjata ja tuottaa tulostuskelpoisen tiedoston

Tulostustiedoston tekeminen• Varsinainen tulostimelle ohjattava tiedosto luodaan STL-tiedostosta tai

laitekohtaisesti muusta tiedostosta, johon muokkausohjelma on• RepRap-perheen laitteissa tulostustiedosto (g-koodi) sisältää tiedot

• tulostuskerroksen paksuus• kunkin pursottimen kulkema X,Y-polku kullakin tasolla• pursotinten kulkunopeus pursottaessa ja siirryttäessä• kunkin pursottimen lämpötila kussakin työn vaiheessa• pursotusnopeus kussakin työn vaiheessa• tuulettimien käyttö vaiheittain

• Tiedot ovat muokattavissa oletusarvoisesti materiaaleittain, mutta myös g-koodi on editoitavissa (hankalaa, koska koodi on usein massiivinen)

• Reprap-perheessä sovellus on Skeinforge, tai Slic3r, tulostinta ohjaamassa on Repetier Host, Pronterface tai ReplicatorG. Isommilla laitetoimittajilla on ainakin toistaiseksi ovat laitekohtaiset variaationsa, kuten BfB:n Axon 2

• Näillä ohjelmilla hoidetaan mm. kerrospaksuus, pintojen tulostusjärjestys, täyttökuvioiden asettaminen, tukirakenne, materiaalivalinta, sijoittelu yms., joista tiedoista osa välitetään slicer-ohjelmalle

Tulostamisen käytäntö• Säätämistä on melkoisesti

laitteissa, joissa on materiaalivalikoimaa, eikä olosuhdetta kontrolloida

• Säätäminen tehdään kaikkien materiaalien, tulostustarkkuuksien ja pintavahvuuksien osalta erikseen• systematiikka auttaa• kaverit auttavat

• Laadun, ajan ja materiaalin optimointi pursotin-tyyppisissä laitteissa melko aikaa viepää, mutta toistettavuus on hyvä