Jokaisella meistä on työssämme tietty osaaminen. Yleensä ammattiosaaminen on sellaisella tasolla, että ne ihan alkeellisimmat perusasiat ja säännöt ovat meille itsestäänselvyyksiä, eikä niitä juuri tule tietoisesti edes ajateltua, vaikka ottaisikin ne huomioon. Mikäs vaara siinä sitten on, jos perusasioista tulee itsestäänselvyyksiä? Omassa työssä tulee joskus eteen tilanteita, missä työsuorituksen tulos ei vastaakaan odotuksia, seuraus voi olla jopa täydellinen epäonnistuminen. Syvältä oman alansa tietopohjasta ammentava asiantuntija voi hyvinkin olla niin pahasti jonkin uuden teorian tai tekniikan pauloissa, että ne perusasiat unohtuvat kokonaan, koska ovat itsestäänselvyyksiä. Aloittelijalla samanlaista vaaraa ei normaalisti ole, unohduksen siis, tietopohjan riittämättömyys voi toki silloinkin aiheuttaa saman lopputuloksen. Erona on lähinnä ammattilaisen hämmennys. ”Mitä just tapahtui…? – Ai niin, tietysti! Kyllähän minä tuon tiesin…”. Aloittelija taas ei välttämättä ole omaan epäonnistumiseensa syyllinen ollenkaan, vaan se ammattilainen, joka ei aloittelijaa tehtävään ohjeistaessaan huomaa kertoa niitä perusasioita ja -sääntöjä, nehän ovat itsestäänselvyyksiä. Paitsi etteivät ole sille aloittelijalle.
Opettajan pitäisi olla tässä erityisen tarkkana, hänellä kun yleensä asiantuntemus omassa opetusaineessaan on huippuluokkaa (ja ne perusasiat itsestäänselvyyksiä), mutta opiskelijat puolestaan ovat täysin aloittelijoita. Eivät opiskelijat voi mistään itsestäänselvyyksistä tietää, ellei niitä heille ensin opeteta. Moni on varmasti joskus istunut kuuntelemassa esitelmää, luentoa, puhetta, josta ei ymmärrä yhtään mitään. Puhuja ei silloin ymmärrä kuuntelijan lähtötasoa ja joko olettaa kaikkien tuntevan ne itsestäänselvyydet tai ei edes osaa kiinnittää asiaan minkäänlaista huomiota. Opettaja onneksi oppii kokemuksen myötä tunnistamaan millä tasolla asiansa esittää, koska kiinnittää siihen huomiota, sehän on hänen työtään – kunhan hän muistaa ja tunnistaa olevansa opettaja eikä pelkästään asiantuntija. Sen sijaan tilanteessa, missä asiantuntija on asiantuntijan roolissa, itsestäänselvyyksiä ei välttämättä tule ajateltua, ja vaikka rutiininomaisesti ottaisi ne ”aina” huomioon, joskus ei vaan huomaa. Seuraavassa muutamia esimerkkejä millaisia ongelmia voi 3D-tulostuksessa syntyä, kun perusasiat jäävätkin huomioimatta fokuksen ollessa jossain ”hienommassa”.
Kontaminaatio
3D-tulostuksen maailmassa kontaminaatiolla tarkoitetaan tilannetta, jossa tulostettava materiaali on jotenkin ”pilaantunut”. Yleisimmin tämä ilmenee materiaalin pilaantumisena ilmankosteuden takia. [1]
Osa tulostusmateriaaleista, erityisesti pulverimateriaalit, ovat hyvinkin herkkiä oikealle kosteudelle, tai pikemminkin kuivuudelle. Liika kosteus materiaalissa tekee siitä tulostuskelvottoman. Pursotusmenetelmää käyttävissä tulostimissa materiaali on lankamaisessa muodossa, filamenttina. Jos filamentti on liian kosteaa, pääsee kosteus höyrystymään tulostimen kuumassa (yleensä 200-250℃) suuttimessa ja höyrystyessään jättää lopulliseen materiaalin onkaloita, eli huokoisuutta [3]. Huokoisuus taas tehokkaasti heikentää kappaleen lujuutta, erityisesti väsymislujuutta, eli kappale käytännössä epäonnistuu. Huokoisuus voi myös aiheuttaa sen, ettei seuraava kerros tartu edelliseen kunnolla, ja koko tulostus epäonnistuu. Jo normaali huoneilman kosteus imeytyy herkimpiin materiaaleihin, kuten erityisesti erilaiset polyamidit (nylonit) ja PVA-pohjaiset vesiliukoiset tukimateriaalit, tehden niistä jo muutamassa päivässä tulostuskelvottomia [1]. Normaalisti materiaalikeloja säilytetäänkin ilmatiiviissä pussissa ja mieluiten pimeässä.
Esimerkkikappaleessa tulostusasento oli kappaleen lujuusvaatimusten johdosta sellainen, että kappaleen sisälle oli pakko tulostaa merkittävä määrä PVA-tukimateriaalia. Alkuun tulostus sujuikin mainiosti, olihan tukimateriaalikela ihan tuore, juuri ennen tulostusta avatusta ilmatiivistä pussista otettu. Materiaalia kului kuitenkin sen verran paljon, että materiaalikela tyhjeni ennen kuin tulostus oli valmis. Oikeaoppisesti toimittaessa tässä vaiheessa otetaan avaamattomasta pussista uusi, tuore materiaalikela. Syystä tai toisesta nyt käteen sattuikin materiaalikaapissa irrallaan lojunut puolikas kelallinen vastaavaa materiaalia. Halu saada tulostus mahdollisimman nopeasti valmiiksi yksinkertaisesti vaiensi kaikki varoituskellot. Miksi kela oli irrallaan? Kauanko se on ollut huoneilmassa? Onkohan se liian kosteaa? Eipä tullut moisia kysymyksiä mieleen siinä vaiheessa. Kun tulostusta jatkoi ”uudella” materiaalikelalla, erheen huomasi kyllä välittömästi. Kuului hyvin selvästi rits, rats ja poks kun materiaaliin ilmasta absorboitunut kosteus höyrystyi suuttimessa. No, kosteakin materiaali tuntui tarttuvan kiinni ja tukimateriaali liuotettaisiin joka tapauksessa pois, joten tulostuksen annettiin jatkua valmiiksi asti. Lopputuloksessa näkyy selkeästi missä vaiheessa materiaalikela on vaihdettu, kun lievästi läpikuultavasta materiaalista tuli huokoisuuden takia täysin läpinäkymätöntä. Normaalisti kovahko materiaali murenikin tällä kertaa sormissa. Kontaminaatio sekä sen syyt ja seuraukset olivat kyllä teoriatasolla tulostajalle itsestäänselvyyksiä, mutta kun unohtui… Nyt selvisi asian merkitys myös käytännössä, eikä unohdu enää…
Warping
Termi ”warping” tarkoittaa tulostetun kappaleen käpristymistä epätasaisen jäähtymisen seurauksena. Yleensä kappale tahtoo nopeammin jäähtyvistä kulmista käpristyä ja joskus käpristymisen voima on niin suuri, että kulma irtoaa tulostusalustasta. Hyvällä tuurilla tulostus onnistuu silti ja kappalekin saattaa olla käyttökelpoinen, joskin hieman muotopuoli. Huonommalla tuurilla kappale irtoaa alustasta kokonaan joko suoraan käpristymisen takia tai koska tulostimen suutin törmää käpristyneeseen kappaleeseen ja tönäisee sen irti tulostusalustasta. Tällöin kyseinen tulostus epäonnistuu, mutta isompaa vahinkoa ei yleensä tule. Pahimmassa tapauksessa käpristynyt kappale on kuitenkin osin niin lujasti alustassa kiinni, että törmääminen tulostimen osiin ei irrotakaan sitä alustasta, vaan rikkoo tulostimen. Käpristyminen on jossain määrin vaarana kaikilla tulostusmateriaaleilla, useimmilla kuitenkin lähinnä kuriositeettina, eikä siihen useimmiten tarvitse kiinnittää huomiota. Eniten käpristymiselle herkkiä materiaaleja ovat polyamidit, kuten esimerkin kappaleessa. Polyamidit ovat erityisen tarkkoja oikeasta jäähtymisnopeudesta ja lämpötilasta, jopa ohikulkevien ihmisten aiheuttama ilmavirta voi ääritapauksissa aiheuttaa epätasaista jäähtymistä ja siten käpristymistä. Käpristymistä voi ennaltaehkäistä sopivilla tulostusparametreilla ja tulostettavan kappaleen muotoilulla. Laajat ja paljon massaa sisältävät levymäiset ”umpinaiset” kohdat käpristyvät helpommin kuin vaikkapa ohutseinämäinen verkkorakenne. [2]
Esimerkin kappale on konetekniikan 2. vuosikurssin opiskelijoiden harjoitustyö, ja se oli tarkoitus koneistaa jälkikäteen tarkkaan mittaan, joten siihen jätettiin suunnitteluvaiheessa koneistusvaraa. Koneistusvarasta, yhdessä kappaleen pohjan kanssa muodostui laaja, paljon massaa sisältävä levymäinen umpinainen rakenne. Ensimmäinen tulostus epäonnistui ja kappale irtosi alustasta melko pian tulostuksen aloittamisesta. Koska tulostettava polyamidimateriaali ei nyt niin tuttu vielä ollut, ajateltiin irtoamisen johtuneen likaisesta alustasta (tai näin opettaja-asiantuntija asian opiskelijoille esitti), joten alusta pestiin ja liimattiin huolella ennen seuraavaa tulostusta. Sama lopputulos, mutta nyt myös tulostusalusta oli siirtynyt koneen sisällä joitain senttejä. Edelleenkään se luonnollisin vaihtoehto, eli warping, ei tullut asiantuntijan mieleen, vaan ihmeteltiin, olisiko tulostusalustan kiinnitykset jotenkin löystyneet. Eli haetaan isompi leka, käytännössä siis teipattiin tulostusalusta kunnolla koneeseen kiinni. No nyt tottelee kone isäntää! Eli tulostus näytti sujuvan ongelmitta. Pitkähköä (13h) tulostusta ei voinut koneen viereen jäädä vahtimaan, joten tulostin jätettiin hoitamaan työnsä loppuun yön yli. Aamulla labrassa odottikin mielenkiintoinen näky. Puolivalmis käpristynyt tuloste lojui koneen sisällä, kiinni teipattu tulostusalusta oli taas siirtynyt muutaman sentin ja tulostuspää puski nurkassa lisää materiaalia revenneistä liitoksistaan. Kun taas ensi-ihmetyksen jälkeen pysähtyi miettimään tapahtunutta, muistui lopultakin mieleen sellainen itsestäänselvyys kuin warping. Kappale oli taas yön aikana käpristynyt, irronnut osin alustasta ja suutin törmäsi ylhäällä törröttävään kulmaan…, mutta nyt kappale pysyikin itsestäänselvyyden unohtamisen seurauksena tehdyistä virheistä johtuen alustassa aiempaa lujemmin kiinni ja alustakin pisti vastaan, joten törmäyksen seurauksena tulostuspäätä liikuttelevat hammashihnat hyppäsivät pois paikoiltaan. Kone jatkoi ”tulostamista” normaalisti (moottorithan pyörivät esteettä, joten tulostin ei tajunnut mitään ongelmaa olevan), mutta koska suutin oli juuttunut vasten tulostusalustaa, koneen suuttimeen pakkosyöttämä materiaali pursusi kaikista mahdollisista tulostuspäässä olevista rakosista, lopulta rikkoen tulostuspään korjauskelvottomaksi. Muutama tunti tuli vietettyä konetta korjaillen ja putsaillen, taisi siinä kiroillessa warpingin mahdollisuus syöpyä mieleen niin hyvin, ettei se enää pääse unohtumaan, kun uusien rakenteiden tulostettavuutta kommentoi opiskelijoille ennen tulostuksen käynnistämistä.
Metalleja tulostettaessa vastaava lämpöjännityksistä johtuva käpristyminen on jopa edellistä esimerkkiä huomattavampaa – ja suuremmista voimista johtuen vaarallisempaa. Senpä takia siihen ei suhtauduta itsestäänselvyytenä, vaan asiaan paneudutaan huolella jo ennen tulostamista mm. simulointien avulla. Tokihan uteliaan pitää nekin virheet tehdä, tällä kertaa kuitenkin tietoisesti, joten se tarina saakoon palstatilansa ihan oman juttunaan. Stay tuned for more stupid mistakes…
