Kolmiulotteinen tulostus

pienoiskuva
pienoiskuva|RepRap 2 Mendel -mallinen avoimen lähdekoodin kotitulostin.
Kolmiulotteinen tulostus tai 3D-tulostus on esineiden valmistamista 3D-tulostimen avulla. 3D-tulostimen käyttäjä rakentaa tietokoneella esinettä kuvaavan kolmiulotteisen mallin, jonka perusteella 3D-tulostin tuottaa konkreettisen esineen. 

3D-tulostimen voi toteuttaa monella eri tavalla. 3D-tulostin voi käyttää tulosteensa materiaalina esimerkiksi muovia, metallia, keraamia tai lasia. Tämä tulostusmateriaali johdetaan laitteen tulostuspäähän esimerkiksi nauhan tai jauheen muodossa. Tulostuspää sulattaa tai liuottaa tulostusmateriaalin haluttuun kohtaan alustalle, johon aine kovettuu ohueksi kerrokseksi. Sen jälkeen laite tulostaa kerroksen päälle uusia kerroksia. Esine muodostuu näin useista päällekkäisistä kerroksista.

Kolmiulotteisella tulostuksella voidaan tulostaa jopa taloja. Tällöin materiaalina on betoni.

 Historiaa 
Ensimmäiset kookkaat, kalliit ja tulostusmateriaaleiltaan rajoittuneet 3D-tulostimet tulivat käyttöön 1980-luvulla. 3D-tulostimien ilmaantumista edesauttoi merkittävästi Chuck Hull, joka patentoi vuonna 1987 stereolitografian.

 Käyttökohteet 
pienoiskuva|Hyperboloidin tulostus sulasta muovista. Nopeutettu video.

Tulostimien tuotekehitys on madaltanut kotikäytön ja ammattikäytön rajaa ja tulevaisuuden tulostimet saattavat olla huomattavasti edullisempia, koska avoimeen lähdekoodiin ja avoimeen suunnitteluun perustuvat yhteisöt ovat kehittäneet edullisia tulostimia kotikäyttäjille. Myös monet isot tulostinvalmistajat kehittävät edullisia malleja kotikäyttöön.

 Tulostus kotioloissa tai kirjastoissa 
Kolmiulotteisen tulostuksen kehityksen myötä tulostaminen on melko yksinkertaista kotioloissa ja teknologia on levinnyt laajalle käyttäjäjoukolle edullisten tulostimien myötä. Tulostimia on kehitetty myös avoimen lähdekoodin periaatteilla, joten yksityiskäyttöön tarkoitettuja tulostimia on mahdollista hankkia suhteellisen edullisesti verrattuna kaupallisiin tulostimiin. Kolmiulotteisia malleja voi tilata myös tulostuspalveluja tarjoavilta yrityksiltä. Suomessa on 3D-tulostimia hankittu myös kunnallisiin kirjastoihin, joissa voi omakustannushintaan tulostaa 3D-esineitä.

 Ammattikäyttö 
Kolmiulotteisia tulostimia on käytetty ammattikäytössä esimerkiksi pikamallien valmistamiseen CAD / CAM -jyrsinnän ohella esimerkiksi arkkitehtuuri-, tuotemuotoilu- ja konesuunnittelun luonnoksissa. Teknisen kehityksen myötä tulostimia on käytetty suoraan valmiiden tuotekappaleiden valmistamiseen..

Valmiskappaleiden tulostusta käytetään esimerkiksi koruteollisuuden, hammastekniikan ja veistostaiteen aloilla.

Vuonna 2016 yhdysvaltalaiset tutkijat Wake Forest Universityn tutkimuslaitoksella onnistuivat tulostamaan ensimmäistä kertaa elävää kudosta, joka istutettiin koe-eläimeen.

Esimerkiksi The Economist -lehden artikkelissa Print me a Stradivarius on hahmoteltu kolmiulotteisen tulostimen mahdollisuuksia synnyttää uusi teollinen vallankumous. Aiemmin kappaleiden ja tuotteiden valmistus on vaatinut usein suuria tehtaita ja uuden tekniikan avulla saattaa koko käsitys ja tuotantotapa muuttua valtavasti, jolloin kotikäyttäjä voi suunnitella ja tulostaa itselleen suoraan tuotteita kotioloissa.

 Koulutuksessa 
Suomessa 3D-tulostusta hyödynnetään eri koulutusasteilla, kuten varhaiskasvatuksessa, esi- ja perusopetuksessa, lukioissa, toisen asteen ammatillisessa koulutuksessa sekä korkeakouluissa. Ammatillisella toisella asteella 3D-tulostus on usein osa esimerkiksi elektroniikka-asentajien koulutusta.

 Teolliset käyttökohteet 

 Vaatetus 
3D-tulostuksella on mahdollista tulostaa vaatekappaleita, kuten esimerkiksi kenkiä, mekkoja ja silmälasien kehyksiä. 3D-tulostuksen etuna on muutostentekomahdollisuus etenkin kenkien kohdalla.

 Ajoneuvot 
Ruotsalainen superautovalmistaja Koenigsegg julkaisi ”the One:1” -superauton, jossa käytetään 3D-tulostettuja sivupeilejä, imusarjaa, titaanisia pakoputkikomponentteja ja turboahdin-kokoonpanoja. Toukokuussa 2015 Airbus ilmoitti uuden Airbus A350 XWB -lentokoneen sisältävän yli tuhat komponenttia, jotka on valmistettu 3D-tulostuksella. 3D-tulostuksella voidaan valmistaa varaosia ajoneuvoihin, joiden varaosavalmistus on lopetettu tai muutoin hankalaa.

 Rakentaminen ja arkkitehtuuri 
3D-tulostuksen myötä arkkitehtien ei tarvitse enää tehdä projektien pienoismalleja käsin. On mahdollista tehdä mittakaavassa olevia malleja asiakkaille lyhyessä ajassa. Suunnittelun alla on tulostimia, joilla voi tehdä isoja kokonaisuuksia, esimerkiksi talon tulostaminen betonia pursottavan suuttimen avulla.

Euroopan ensimmäinen 3D-tulostettu omakotitalo otettiin käyttöön Eindhovenissa keväällä 2021. Talo koostettiin useista betonielementeistä, jotka tulostettiin sisätiloissa ja liitettiin toisiinsa rakennuspaikalla. Myöhemmin taloja tullaan tulostamaan niiden rakennuspaikalla.

 Lääketiede 
3D-tulostuksen avulla voidaan valmistaa potilaskohtaisia proteeseja, laitteita ja kudosta lääketieteelliseen käyttöön. Etenkin hammasproteesien ja kuulolaitteiden odotetaan olevan tulevaisuuden suurin kehityksen kohde. Kehityksen alla on metodi, jolla voidaan tehdä tarkkoja kopioita elimistä kuten luista, korvista, verisuonista ja nivelistä.

 Avaruus 
NASA Marshall Space Flight Center (MSFC) ja Made In Space Incorporated suunnittelivat ensimmäisen 3D-tulostimen ”Zero-G Printer”, joka toimii painovoimattomassa tilassa. Syyskuussa 2014 SpaceX-projekti toimitti tulostimen kansainväliselle avaruusasemalle. Joulukuussa 2014 tehtiin ensimmäinen tulostus, jossa CAD-piirustuksesta valmistettiin hylsyavain.

 Sisustus 
3D-tulostamalla voidaan tehdä mielenkiintoisia sisustusobjekteja, kuten kukkien suojaruukkuja, joiden valmistaminen ei ole ollut kannattavaa tai mahdollista muilla menetelmillä.

 Tulostinvalmistajat 
Tulostintekniikka jaetaan usein kahteen ryhmään valmistusmenetelmän mukaan: niin sanoittuihin Selective Laser Sintering ja Laminated object manufacturing. Kotikäyttöiset tulostimet toimivat yleensä laminointi-periaatteella ja tulostimen voi rakentaa melko helposti kotioloissa.

 Avoimen lähdekoodin tulostimet 
Tulostimia voi tilata kotikäyttöön valmiiksi koottuina tai kokoomasarjoina. Tulostimia voi myös ns. uudelleentulostaa, jolloin tulostimeen tarvittavat kappaleet tulostetaan toisella tulostimella. Tulostimien kotirakennussarjat maksavat 200 – 3 000 euroa.

 MakerBot Industries valmistaa edullisia avoimen lähdekoodin rakennussarjoja (esimerkiksi Thing-o-matic-tulostin). 
 RepRap on avoimeen suunnitteluun perustuva yhteistyöprojekti, jonka tavoite on kehittää edullisia tulostimia, jotka pystyvät tulostamaan ison osan omasta rakenteestaan.
 Ultimaker on avoimen suunnittelun tulostin.
 Contraptor on monitoimisen laitteen avoin suunnitteluprojekti, johon kuuluu osana mahdollinen 3D-tulostin.

 Tulostintekniikkaa 
Taulukko kolmiulotteisten kappaleiden pikavalmistusmenetelmien nimityksistä ja tekniikoista:

PikavalmistusmenetelmätMateriaalitSelective laser sintering (SLS)Termoplastinen muovi, metallijauheDirect metal laser sintering (DMLS) lähes kaikki metalliseoksetFused deposition modeling (FDM)Termoplastinen muovi, Eutektinen metalliseosStereolithography (SLA) Photo-polymeeri Laminated object manufacturing (LOM)Paperi, muovi, metallitElectron beam melting (EBM)Titaani-metalliseos3D tulostin, 3D printing (3DP)metallit, muovit, kipsi, betoni, ym.

 Katso myös 
 Tietokoneavusteinen valmistus
 Kolmiulotteinen mallinnus

 Lähteet 

 Aiheesta muualla 

Jorma Vihinen: 3D-tulostustekniikat, Tampereen teknillinen yliopisto, 2015-09-17 (pdf)
Pasi Puukko, Petri Laakso, Pentti Eklund, Magnus Simons, Erin Komi, VTT: Metallien 3D-tulostus – uudet liiketoimintamahdollisuudet, 17.9.2015 (pdf)
VTT: 3D-tulostus

Sergei Chekurov | Aalto-yliopisto • Pentti Eklund, Veli Kujanpää | VTT Joonas Pekkarinen | LUT • Kai Syrjälä | DIMECC • Jorma Vihinen | TUT: 3D-tulostuksen suunnittelu- ja päätöksenteko-opas yrityksille, DIMECC PUBLICATIONS SERIES NO. 12,Tampere, 2017  (pdf)
European Powder Metallurgy Association 2015, 1st Edition: Introduction to Additive Manufacturing Technology, A guide for Designers and Engineers  (pdf)


Luokka:Tietokoneavusteinen suunnittelu
Luokka:Suunnittelu ja innovaatio
Luokka:Tulostaminen
Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit