Kuidas printida metalli?

„Kui 3D-printerid on juba mõnedes kodudes tavaliseks saamas, sest odavamad mudelid maksavad paarsada eurot ehk üsna tavalise printeri hinna, siis uus, ilmselt kunagi tulevikus ka kodudesse jõudev trend on metalliprinter,“ kirjutab tehnoloogiaajakirjanik Kaido Einama (AM.ee).

Tallinna Tehnikaülikool (TTÜ) soetas ühe kiire ja täpse metalliprinteri SLM 280 ja koostöös Maaülikooli ning nende kasutatava 3D-skannimisega on võimalik nüüd kasvõi metalldetaile Tartust Tallinna n-ö teleportida, ehkki see on üsna kallis ja aeganõudev. Aja osas võistlevad Tallinna ja Tartu vahemaa puhul veel 3D-metallitrükk või asja füüsiliselt autoga kohaletoimetamine. Aga see pole metalliprintimise puhul praegu kõige olulisem.

TTÜ teadlastel on mullu sügisest olemas uus metalli 3D-printimise süsteem ning paindtootmise ja robootika demokeskus. Suurte metallist objektide 3D-printimise laboris ProtoLab saab printida erinevatest metallidest, näiteks roostevabast terasest, titaanist ja alumiiniumist prototüüpe ning asju. See on parem kui keevitamine, aga kui läheb suuremaks masstootmiseks, siis muidugi võib traditsiooniline metallivalu 3D-printimisele ehk punktikaupa metalli kokkukeevitamisele nii hinna kui ajaga ära teha. Samas polegi printimine eriti massitoodanguks mõeldud. Paindtootmises, kus iga detail peab olema natuke erinev või kui on vaja ainult paarkümmend metallist juppi, on aga metallivalu ja keevitustöökojad omakorda kaotajad, kui on olemas korralik metalliprinter. Kõik liigub praegu selles suunas, et 3D-printimine metallitööstuses muutub aina konkurentsivõimelisemaks.

Kuidas 3D-metalliprintimine käib?

Paraku peab kohe tunnistama, et 3D-metalliprintimine kodudes veel niipea massiliseks ei saa. Põhjuseks on kõrged temperatuurid, mida selline seade vajab ning koos sellega ka kõrge energiatarve. Ka on seda tüüpi masinad veel pigem kapisuurused, mitte kirjutuslauale mahtuvad. Samas ennustatakse, et uus tehnoloogia saab 2020. aastatel hoo sisse ja siis ei peata enam miski ei mõõtmete, hinna ega energiatarbe vähendamist. Nii on ju juhtunud ka paljude teiste tehnoloogiatega.

Kui tulevikust rääkida, siis oleks dekaad või paar edasi kaugemas tulevikus ilmselt võimalik hakata kodus ka kihthaaval erinevatest materjalidest asju välja trükkima. Ja need pole lihtsalt asjad, vaid seadmed, millel on näiteks plastmassist korpus, metallist raam, hõbeda- ja vasesulamist elektroonikaskeemid, ränist ja süsinikust pooljuhtelemendid ning palju muud, mis ühes väljatrükis väljastatakse.

Aga tagasi metalliprintimise juurde tulles – Tallinna Tehnikaülikoolis olev printer kasutab laserkeevitustehnoloogiat, mis kihtlisandusega keevitab metallipuru kihthaaval vastavalt detaili 3D-mudelile kokku. 700 W võimsusega laser sulatab punkthaaval metallitükid üksteise külge. Mitteseotud pulber ei lähe raisku, vaid kasutatakse järgmise kihi keevitamisel ära.

Parem tulemus, kuid rohkem piiranguid

Plastmassdetailid võivad olla veidi ebatäpsed, sest neid saab ettenähtud kohta sobitamiseks pärast natuke deformeerida. Metallil aga sellist paindlikkust pole. Detail peab olema väga täpne ja väikseimgi kõrvalekalle tähendab, et asi ei lähe sinna auku või nišši, kuhu plaanitud.

Nii peabki detaili kohe alguses kindlalt paksule alusplaadile fikseerima. Samas on ka metallile vaja tugistruktuure, et väga õhukesed kihid paigal püsiksid ja printimise ajal ära ei vajuks. Pärast tuleb need toed mehaaniliselt maha lihvida. Seega vajab ka metalliprinteri tulemus järeltöötlust, kuid mitte nii palju kui varem: pinnad on juba üsna ideaalilähedaselt siledad ja vajavad vaid kergemat ülekäimist. Metallides tekib ka rohkem sisepingeid, mida tuleb detaili projekteerimise juures arvestada.

Võimsusel on piir

Paraku pole meil veel „Tähesõdade“ stiilis ülivõimsaid lasereid, mis metalli kergelt aurustavad. Olemasolevaid ei saa lõpmatuseni suurendada ja tootlikkuse tõstmiseks tuleb kasutada teisi lahendusi. Näiteks suurema jõudlusega seadmetes on kasutusel mitu laserit, et kiiremini toode välja trükkida. Üks keevitatav „piksel“ on 40–50-mikronise suurusega, üks lisatav metallikiht 30–100 mikroni paksune. Kui nüüd tarkvaraliselt need pikslid ühes kihis mitme laseri vahel ära jaotada, võib väljatrükikiirust mitmekordistada.

Teleportimine – jah, peaaegu võimalik

Kujutame nüüd ette olukorda, kus TTÜ-s on vaja mingit detaili, mis on Maaülikoolis olemas. 3D-metalliprinter Mustamäel on ühes süsteemis Eesti Maaülikoolis asuva 3D-kompuutertomograafiga, mille abil saab metallidest ja muudest materjalidest valmistatud tooteid mittepurustavalt mõõta ja kihthaaval punktiparvena salvestada. See aga tähendab, et teoorias võiks mõne Tartus asuva keerulise metalldetaili Tallinna „teleportida“, trükkides selle samal kujul TTÜ-s välja.

Kahel ülikoolil ongi plaanis panna seadmed tööle nii, et mõlema ülikooli teadlased saavad neid distantsilt ning liitreaalsuse vahendeid kasutades rist-kasutada. Nii võib tulevikus vähendada kulutusi teadus- ja tootmistaristutele ja seadmete vaba ressurssi jagada.

Võre sobib proteeside jaoks väga hästi

3D-printeriga saab välja trükkida õhulisi struktuure, mis on arvutuste põhjal disainitud maksimaalse tugevusega – mitu korda väiksema materjalikuluga saab luua võre, mis on sama tugev kui täismetallist detail. Selline poorne struktuur sobib aga eriti hästi meditsiinis proteeside tegemiseks – tihti on probleem sellega, et metallist proteesi ei seota organismi kudedega. Kompuutertomograafiaga mõõdetakse ära patsiendi keha ja 3D-metalliprinteriga saab välja trükkida organismile sobiva õhulise ja kerge proteesi. Selleks, et organism võõrkeha ei hülgaks, ongi hea võrestruktuuriga protees, mille tühimikesse saab inimese enda kude kasvada.

Printimine maksab

Metalli väljaprintimisel ei arvestata masina kasutamise hinnaks mitte trükitu kaalu ega detaili suurust, vaid aega. Tund printimist maksab umbes 75 eurot, tavaliselt kulub ühe tüki väljatrükiks mitu tundi. Suuremate ja keerulisemate detailidega läheb aga 8–10 tundi, mis teeb metalldetaili omahinna üsna kalliks. Kuid seda hinda annab kordades vähendada – mõistlik on korraga ühel alusel välja trükkida nii palju detaile, kui võimalik.

POOLT JA VASTU

Metalliprindi eelised

• Võimalik on trükkida tavalisest kergemaid poorseid materjale (väga hea lennuki- ja kosmosetööstuse ning meditsiinis proteeside jaoks)
• Vaatamata väiksemale materjalikulule on detailid pea sama tugevad kui täismetallist
• Võimalik on välja trükkida detaile, mille kuju pole valu või keevitusega võimalik saavutada – näiteks detailid üksteise sees, ülipeene struktuuri ja avadega detailid jne
• Täpne kuju ja pinnadefektide puudumine
• Väga väike materjalikadu – pea kogu metallipuru kasutatakse väljatrükil ära

Metalliprindi puudused

• Nõuab tugikonstruktsioone, mis tuleb pärast mehaaniliselt eemaldada
• Massitoodang on veel liiga kallis ja ajamahukas
• Suured detailid on ebapraktiliselt kallid välja trükkida, teatud suurusest edasi polegi võimalik 3D-metalliprintimist (veel) kasutada