Metallide 3D-printimine ehk lisandustehnoloogia Eestis

Möödas on need ajad, kus diplomitöö kirjutamine tähendas kraaditaotlejale pakitäit paberlehti, sulepead ja joonlauda. Isegi kirjanikud on nüüdseks varem või hiljem sunnitud oma järjekordset šedöövrit digitaalkujule seadma ning kuhugi pilve riputama. Et oma meistriteost füüsilisel kujul katsuda saaks, on abiks printer, mis on tuttav kõigile kontoritööga rohkem või vähem seotud inimestele.

Kõiki kaasaegse printimiskeskuse võimalusi kontoris vaevalt et keegi teab ning siiani ei suuda nad ka millegipärast kohvi valmistamisega hakkama saada. Sellele vaatamata on inimestel põhiline arusaam printimise protsessist olemas – idee peas digitaliseerida, oma dokument printimiseks ette valmistada viisil, millest printer aru saab printer käivitada, milleks tuleb vahetevahel kasutada kirumistaktikat printeri motiveerimiseks. Peale tehnikaimesid mustas kastis jääb üle vaid oma töö printerist välja võtta.

Mõeldes printimisele kolmes mõõtmes jäävad läbitavad sammud samaks, kasutatakse lihtsalt veidi teistsuguseid vahendeid. Kui nüüd korraks pikemalt mõelda, siis on enamus täiskasvanud inimesi printinud mitut paberit korraga, olgu see siis magistritöö, emakeele tunni referaat või midagi muud. Võttes selle tuhandete trükitud tähtedega paberipaki kätte, siis hoiab ta enda ees vägagi keerukat prinditud võrgustikku. Valge paber jääb küll tavaliselt esiplaanile ning oma trükitud J. Pollock’i stiilis disainist ei näe te rohkem, kui kõige pealmist kihti, kuid see ei tähenda, et ta reaalselt selles pakis ei eksisteeriks. Printereid, mis loovad kolmemõõtmelisi objekte, kasutades tavalist paberit ja värvitinti, eksisteerib maailmas juba mitmeid aastaid. Tavaprinterist erinevad nad eelkõige selle poolest, et töö käigus lisatakse objektile liimi ning igast paberikihist lõigatakse noaga mudeli kontuur välja.

Esimene metalli 3D-printer. Kõikvõimalike kaasaegsete meediakanalite kaudu on tänapäeva inimene tahes-tahtmata kokku puutunud terminiga „3D-printimine“. Selle nime all mõeldakse üldjuhul plastist prototüüpe ja mänguasju, millel võib väga huvitav kuju olla, kui on disainiga vaeva nähtud. Ka Eestis ei ole plastide printimine enam midagi totaalselt uut või enneolematut. Tallinna Tehnikaülikooli üks esimesi suuremaid 3D-printereid on masinaehituse instituudis olnud alates 2008. aastast. Nüüdseks on TTÜ-s plastiprintereid ligemale 50 ning neid tekib juurde nagu seeni peale sügisest uduvihma. Lisaks ülikoolidele leiab printereid tööstuses, värsketes start-up ettevõtetes ja ka nooremate koolilaste klassiruumides. Seni aga ei olnud veel Eesti pinnale jõudnud printerit, mis suudaks keerulise mudeli valmis teha, kasutades lähtematerjalina metalli.

Sosinad esimesest võimalikust metalliprinterist Tallinna Tehnikaülikoolis kõlasid 2013. aastal ning riigihange kuulutati välja käesoleva aasta alguses. Püüdmaks tasa teha viimase 15 aasta arendustööd metallide printimise vallas, kupatati ka üks TTÜ doktorant Saksamaale lisandustehnoloogiaga tutvuma, praktilisi kogemusi saama ning kontakte looma oma ala tippekspertidega. Peale rohket digitaalset ja paberkujul dokumendimajandust ja õhinal olevate teadurite kannatuse proovile panemist jõudis metalliprinter veel kestva aasta suvekuudel Tallinnasse. Tehnoloogia on kohalikele veel väga värske ning Saksamaa, Suurbritannia ja Ameerika Ühendriikide printimisgurudele järele jõudmine vajab palju loomingulist tööd. Eestlased on õnneks leidlikud ning innovaatilised ideed, mille kaudu  printimisemaailma uudsust tuua, on mõtteis juba olemas.

Tallinna Tehnikaülikooli metalliprinter rakendab endas selektiivset lasersulatust, mis on üks mitmetest lisandustehnoloogia variantidest. Siinkohal on mõistlik tuua välja olulised ringluses olevad terminid. Ennist sai välja toodud mõiste „3D-printimine“, mille puhul annab otsingumootor usinale veebisurfarile vastuseks suure koguse plastiprinteriga valmistatud esemeid.

Printerit ootab tulevikus täiustamine. Metallist detailide leidmiseks on kõige lihtsam kasutada inglise keelset väljendit „additive manufacturing“, mille eesti keelseks vastandiks on pakutud sõna „lisandustehnoloogia“. TTÜ lisandustehnoloogia seade SLM-50 on projekteeritud saksa inseneride poolt Realizer GmbH’s ning on oma mõõtudelt ideaalne teadustöö tegemiseks ja uute materjalide arendamiseks. Sellele vaatamata on koostöös seadme tootjatega lähitulevikus plaanis printeri täiustamine, et suurendada printimismahtu. Selleks käigus tõstetakse 7-sentimeetrise läbimõõduga silindri kõrgust 4 sentimeetrilt 8 sentimeetrile. Seadme tööpõhimõte seisneb järgnevas. Ette tuleb ette valmistada prinditav töö ning see printimistarkvarasse laadida. Printimiskamber täidetakse inertse gaasiga, et prinditav materjal ei reageeriks kambris oleva hapnikuga. Kambri alusplaat kaetakse õhukese pulbri kihiga etteandemehhanismi poolt, mis idee poolest sarnaneb auto kojamehe põhimõttega. Siiski, põhilisteks erinevusteks auto kojamehe ning printeri etteandemehhanismi vahel on järgmised: esiteks, kojamees pühib autoklaasilt ära vett ja mustust, printeris on pühitavaks materjaliks peen metallipuru; teiseks, kui kojamees püüab kõik prahi klaasilt minema ajada, siis pulbri dosaator jätab tahtlikult õhukese pulbrikihi alusplaadile. Seejärel lülitatakse sisse laserkiir, mis väga täpsete läätsede ja peeglite liigutamise abil suunatakse seda sama pulbrikihti punkt punkti haaval ülesse sulatama. Laserkiir liigub  samal ajal kärmelt juba järgmisesse punkti, et sulatada üles kogu pulber, mis antud kihi raames on arvutis oleva mudeliga ette määratud. Tegevus käib ülikiirelt, kuid keevitusele sarnaselt eralduva valguse tõttu on näha laserkiire sulatustäpi trajektoor, mis mööda  pulbrikihti ringi jookseb. Kui antud kiht on lõpetatud, langeb alusplaat sammu võrra madalamale lastes kojamehe sugulasel taas värsket pulbrit vedada. Olles eelnevaid tegevusi piisav arv kordi läbitud, on printimise protsess valmis, ning järele jääb vaid oma detail masinast välja võtta, alusplaadilt eemaldada ning puhastada. Lähtuvalt vajadusest võib järgneda veel järeltöötlus, mille alla kuulub pinna poleerimine, kriitiliste sõlmede lõiketöötlus, poorsuse vähendamine surve ja temperatuuri abil jne.

Tööstusettevõtetelt oodatakse märguannet vajalike ainete kohta. Ühtlasi on TTÜ materjalitehnika instituudis toimumas pidev materjalide valiku suurendamine. Lisandustehnoloogia printerite materjalivalikust leiab mitmeid erinevaid metallide sulameid: näiteks roostevaba- ja tööriistateras, alumiiniumi-, titaani-, nikli- ja koobalt-kroomi sulamid. Ehtetööstus kasutab kullast, hõbedast ja plaatinast toodete valmistamiseks sama seadet. Ülikoolis kõiki neid sulameid kohe riiulilt võtta ei ole, siinkohal on oluline osa tööstusettevõtetel, kes annaksid märku materjalidest, mis  Eesti tööstuses vajalikud on. Jalad tuleb maa peale tuua ka geomeetria võimaluste osas. Nimelt võimaldab printimine küll oluliselt keerukamat disaini, kuid piirangutega peab siiski arvestama. Selleks peavad tellija ja printija omavahel soovidest ja võimalustest teadmisi jagama ning koostöös sobiva disainilahenduse leidma.

Iga uue seadme ja tehnoloogiaga kaasneb suurem või väiksem õppimiskõver ning lisandustehnoloogia ei ole siinkohal erand. Tehnikaülikooli inimesed on metalliprintimise õppimisega alustanud, kuid kindlasti on efektiivsem õppida üheskoos praeguste ja tulevaste inseneride ja disaineritega. Tallinna Tehnikaülikooli põhiliseks eesmärgiks on arendada lisandustehnoloogia valdkonda Eesti ühiskonnale ja tööstusele vajalikus suunas.

NB! TTÜ metalliprinteri ostu rahastas SA Archimedes Euroopa Liidu struktuuritoetuste vahenditest.

Autor: Marek Jõeleht (nooremteadur/doktorant), Lauri Kollo (vanemteadur/laborijuhataja), Meelis Pohlak (vanemteadur), Renno Veinthal (teadusprorektor)