3D – prindime ruumi
Veiko Tamm
11.11.2014

3D on selle aastatuhande teise kümnendi moesõna. Aastal 2010 voogas meist üle 3D-kino ja -telerite laine, mis küll praeguseks on pea täielikult kadunud – tarbija 3D-d ei soosinud ega soovinud. Umbes samal ajal alustasid laiemat võidukäiku ka 3D-printerid. Tööstuses on nad end juba raudselt paika naelutanud, kuid kas tavatarbija tahab 3D-printerit, näitab aeg.

Elu tasapinnal on lihtne ja seda on inimkond praktiseerinud ammustest aegadest. Inimesed liikusid küll maitsi, küll meritsi, ent tasapinnast lahti rebida, selleks et sukelduda meresügavikesse või veelgi ketserlikumalt – lennata linnuna taevalaotusse – oli teema, millest isegi eriti unistada ei juletud. Alles 20. sajand tõi kaasa suuri arenguid ruumilises e 3D (kolmedimensioonilises) vallas liikumisele – inimene on suutnud sukelduda maailmamere sügavaimasse paika Mariaani süvikus, taevavallas on aga saavutused veelgi suuremad – esimesed inimese valmistatud ja teele saadetud kosmosesondid on juba lahkunud päikesesüsteemi piiridest ja lendavad kaugesse tundmatusse.
Midagi samalaadset võime täheldada ka trükikunsti vallas. Tuhandeid aastaid raiuti märke kivisse, maaliti neid pintsli või sulega papüürusele, pärgamendile või paberile, mis oli pikk ja aeganõudev ning iga kord unikaalne töö. Kuniks 15. sajandil võttis Guttenberg kasutusele trükipressi ja me saime hakata printima samalaadseid kirjutisi juba massilisemalt. Täiustudes lisandus trükiladu ja 19. sajandil valmisid esimesed trükimasinad, sellel alal said kuulsaks praegune suur arvutifirma IBM, relvatootja Remington jpt. Ka arvutimaailma esimesed püsiväljundid (st mitte ekraani kuva) olid algselt põhimõtteliselt trükimasinad. Selline valmis kujutistega klahvide järjestikuline tagumine paberile oli aga aeglane ja lubas kasutada ainult neid sümboleid, mis klahvil küljes. Paljud vanemast põlvkonnast mäletavad veel neid tähtedest-numbritest-ja-muudest-sümbolitest koostatud pseudograafilisi pilte.
Kui võeti kasutusele nõelprinterid (lihtsamad 9- ja keerukamad 24-nõelalised), siis moodustati vajalikke sümboleid (ja ka piltkujutisi) juba punktmaatriksi abil (siit ka nende teine nimi – maatriksprinter). Kasutades neljavärvilist linti (CMYK), suudeti isegi värvilist printi teha – oli endalgi selline isend 90ndate aastate alguses. Kontorid olid täis krigisevat kriiskamist, kui suurema kiirusega nõelprinterid end „trükimaterjalidest läbi saagisid”.
Areng edasise kujutise kvaliteedi ja trükikiiruse suunas toimus laser- ja tindiprinterite kaudu. Kuigi tindiprinterite arendus algas umbes kümme aastat varem kui laserprinteritel (ehk vastavalt 50ndatel ja 60ndatel aastatel), saabusid nad mõlemad praktilisse rakendusse 70ndate keskpaiku, makstes kõrget hinda. Ma mäletan veel Tartu observatooriumisse saabunud esimest HP-laserprinterit, mille eest saanuks osta neli uut Lada 2108 sõiduautot. Praegu leiame mõlema klassi odavamaid esindajaid juba alla 50 €.

3D astub prindivalda
Ja nagu ringireisimise vallas sai 3D kättesaadavaks alles hiljutistel aegadel, nii on ka 3D-printimine trükikunstis alles hiljutiseks leiutiseks. Tõsi, esimesi teoreetilisi ja praktilisi katsetusi alustati juba 80ndatel aastatel. Neist tuntuimaks sai Chuck Hulli poolt firmas 3D Systems Corp. arendatud protsess nimega stereolitograafia. Tema idee järgi jagati ruumilised 3D-objektid mudelites õhukesteks lõikudeks, mida siis reas ülestikku üles ehitama hakati. Hull kasutas stüreeni baasil vedelat lähteainet, mis ultravioletlaseri kiirguse toimel polümeriseerus ja tahkestus. Hull on ka STL (STereoLithography) failiformaadi autoriks, mis on kasutusel enamiku tänapäevaste 3D-printerite juures. Algselt kasutati selliseid kergsulavaid materjale nagu erinevad plastikud, kuid kaasajal on jõutud juba ka raskesti sulavate metallide 3D-printimise juurde. Kuigi faktiliselt juba kolmkümmend aastat vana, on 3D-printimine laiemat praktilist rakendust hakanud leidma just 2010ndatel aastatel. Seda nii plastmaterjale kasutatavate „odavate” laiatarbeprinterite puhul kui ka keerukate tööstuslike karme metallsulameid printivate seadmete vallas, mille hind ulatub mitmetesse miljonitesse. Näiteks hinnati aastal 2012 ülemaailmseks 3D-printerite ja teenuste turu mahuks 2,2 miljardit dollarit.

Alustame 3D-printimist
Selleks, et alustada 3D-printimisega, on meil vaja, nagu ülal juba mainitud, prinditava eseme mudelit (STL-faili). Selle võib ise luua 3D CAD-tarkvara abil, mida on tänapäeval palju leida, nii tasulisi kui tasuta, nii lihtsaid kui keerukaid. Kuid me võime ruumilisi objekte ka skaneerida spetsiaalsete 3D-skannerite abil ja siis saadud mudeleid töödelda, vähendada, suurendada jne. Kui meil on nüüd olemas STL-fail, siis peame ta esmalt „ära viilutama” õhukesteks kihtideks spetsiaalse „viilutajaks” (slicer) kutsutava tarkvara abil. Neid on leida ka vabavaralistena, nt Skeinforge, Slic3r, KISSlicer, Cura jt. Ja viimase etapina loome (või teeb seda juba printer ise) nn G-code faili, milles on need viilud ühendatud printerispetsiifiliste juhistega, ning printimine võib alata.
Kui tavaliste 2D-printerite trükikvaliteeti hinnatakse nende lahutusvõimega (harilikult dpi – dots per inch ehk punkti tollile), siis sama on ka 3D-printerite puhul. Siin on aga sageli kasutusel mõõtmed mikromeetrites ja eraldi esitatakse lahutust kihi paksuses ja lahutust X-Y pinnalaotusel. Levinud tavalahutuse paksuseks on 100 µm (250 dpi), kuid mõningad tippsüsteemid nagu Object Connex ja 3D Systems ProJet suudavad trükkida isegi 16 µm (1600 dpi). X-Y lahutus on sarnane kaasaegsete laserprinterite omale (600–1200 dpi).

Kellel oleks vaja 3D-d?
Paljud disainerid (nii professionaalid kui amatöörid) saaksid oma loomingu kohe materjali „valada” ja seda praktikas uurida, teha muudatusi ja taas uue versiooni printida. Kui toota näidiseid tavameetoditega, on see kulukas ja aeganõudev. Ka väiketiraažide tootmine on 3D-printeritega odavam kui neid tehasest tellida. Me ei pea ka enam oma äripartnerile teises maailma otsas oma tootepartiid saatma, piisab vaid ainult oma STL-faili läkitamisest talle ja ta kas trükib ise vajaliku koguse toodet või tellib selle 3D-printimisteenust pakkuvalt firmalt. Meil Eestiski on huvilistel võimalus endale 3D-printer soetada Büroomaailmast, kelle valikus on juba viis printerit firmadelt 3D Systems ja Cubify. Soodsaima printeri eest on vaja välja käia vaid 1299 €, mis on keskklassi laserprinteri hind. Ka saab neilt 3D-skannereid, millest odavaima, Sense’i hind on ainult 425 €.

Siemensi raskekaallased Finspångis
Septembri keskel oli mul võimalus külastada Siemens Industrial Turbomachinery AB tootmis- ja uurimiskeskust väikeses Rootsi linnakeses Finspång, kus Siemens pakub tööd kolmandikule elanikkonnast. Seal on viimastel aastatel alustatud metallide 3D-printimise laiemat juurutamist tootmisesse. Kui senini oli peamiseks metalltoodete loomise meetodiks (kui kõrvale jätta metallivalu) liigse metalli eemaldamine toorikust treimise, freesimise, puurimise vm meetodiga, siis nüüd luuakse objekt imepeent metallitolmu laseriga kokku sulatades. Tehnoloogiaks on SLM (Selective Laser Melting).
Toome väikese arvutusliku näite – meil on vaja terasest seest õõnsat kera raadiusega 10 cm ning seinapaksusega 2 mm. Kui me nüüd võtame teraskuubi mõõtmetega 20 x 20 x 20 cm, siis kaalub see 8000 cm3 ruumalaga klots 64 kg. Peale kera valmistreimist, selle poolitamist, seest õõnsaks treimist ja kokku keevitamist on ta ruumala 246 cm3 ja kaal 1,97 kg. Seega, tavameetodiga õõneskera loomisel raiskasime me treilaastudena 97% materjalist ja lisaks on sel keral keevisõmblus. Selline toode pole kunagi nii tugev kui ühest tükist loodud.
Kuna Siemensi Rootsi tehas toodab gaasiturbiine soojuselektrijaamade tarbeks, siis on nende suunitlus 3D-printimise vallas selge: kõige keerukamad ja raskeimates tingimustes töötavad turbiinidetailid – põlemiskambrite pihustite pead, turbiinilabad jms. Kui me koolist mäletame soojuselektrijaamu kui ülimadala kasuteguriga maailma soojaks kütvaid komplekse, siis tänapäevaste uuringutega on viidud juba ainuüksi gaasiturbiini kasutegur 50% ligidale, aga täiskomplekssed lahendused on kasuteguri poolest ületanud 90% piiri.
Teine asi kasuteguri kasvatamise kõrval on optimaalse vastupidavuse ja tööaja saavutamine. Gaasiturbiini rootori labad on töökeskkonnas vaat et sulamistemperatuuri lähedal ning nende labade tipud liiguvad helikiirusega – seal toimib ikka kolossaalne tsentrifugaaljõud. Jõud aga, nagu me koolifüüsikast teame, on massi ja kiirenduse korrutis. Seega laba massi vähendamine 2–3 korda pole ainult kulutatud materjalis kokkuhoid, vaid ka kokkuhoid laba „läbipõlemise” kiiruses.
Kui senini valmistati turbiini rootorite labad täismetallist, siis nüüd on võetud malliks linnuriik. Just nimelt need tiivulised õhuruumi piloodid. Teadlased on uurinud lindude luid ja leidnud, et need on tänu sisemisele kärgkarkassile ülimalt tugevad, kuid samas kerged. Luua selliseid labasid tavameetoditega on võimatu (või siis koletult kallis), samas aga 3D-printeriga on see kümnete tundide küsimus.
Või võtame turbiini põlemiskambri gaasi-õhu pihusti pea – sinna on puuritud 2300 ülipeenikest 0,3 mm läbimõõduga auku. Kui kaua aega ja millist täpsust nõuab see taas tavatootmises? Ning lisaks lubab SKM tehnoloogia neid auke „puurida” koonusjalt, või suisa spiraalikujuliselt. Millise puuriga suudaksite te metalliplokki kõvera augu teha? Loomulikult on hetkel need printerid veel väga kallid – Rootsis nähtute hind oli 1,8 miljonit eurot, aga on selge, et kui nende järele on suurem nõudlus, tootmismahud kasvavad, tehnoloogiad täiustuvad, siis saab 3D-printer nii suurtes kui väikestes ettevõtetes sama levinuks kui trei- või puurpink praegu.

Sarnased artiklid