3D-tulostus

Näytteiden digitointi 3D-malleiksi mahdollistaa museoesineiden tutkimisen ja tarkastelun digitaalisesti mistä vain. Lisäksi 3D-tulostimien yleistymisen myötä tarkkojen replikoiden luomisesta kotona, koulussa, tai kirjastossa on tullut helppoa ja edullista. Tässä artikkelissa käydään läpi skannatun kappaleen tulostaminen lähtien hyvin perustasolta.

3D-tulostettu museoesineen replika mahdollistaa aiempaa monipuolisemman tutustumisen kulttuurihistoriallisiin esineisiin. Tulosteita voi koskea ja kokeilla huoletta. Käyttöesineiden ja työkalujen replikoja voidaan kokeilla oikeissa käyttösovelluksissaan ja pohtia miltä esivanhempiemme arki on kenties tuntunut. Kouriintuntuva museoesine antaa myös näkövammaiselle yleisölle mahdollisuuden tutustua esineiden muotoihin ja piirteisiin. Historiasta kiinnostuneille kulttuuriperintömme 3D-tulostus avaa myös mahdollisuuden uniikkien ja räätälöityjen koriste-esineiden luomiseen!

3D-mallit

Sata3D-hankkeessa luodut mallit löytyvät europeana-sivuilta (https://www.europeana.eu/en/collections/organisation/2247-satakunta-museum-collection-finland?page=1) josta löytyy useita muitakin kulttuurihistoriallisia 3D-malleja. Lisäksi netistä löytyy useita 3D-mallinnukseen ja -tulostukseen erikoistuvia sivustoja, kuten esim. Sketchfab, Printables, ja Thingiverse, jotka kukin sisältävät jopa satoja tuhansia 3D-malleja. Sketchfab-sivustolta löytyy monien museoiden itse luomia kokoelmia. Lisäksi historiallisten esineiden malleja löytyy mm. seuraavilta sivuilta; Smithsonian 3D (https://3d.si.edu/), ScanTheWorld (https://www.myminifactory.com/scantheworld/), MorphoSource (https://www.morphosource.org/), Europeana (https://www.europeana.eu/en) sekä joidenkin museoiden kotisivuilta.

Skannausdataa löytyy useissa eri formaateissa:

STL (tiedostonimi.stl) on 3D-tulostuksen perinteinen vakiomuoto. STL-tiedosto sisältää ainoastaan kappaleen geometrian. Se ei sisällä ei väri-, tekstuuri- eikä materiaalitietoa. STL sisältää pelkän muodon joka on valmis avattavaksi suoraan tulostukseen tarvittavassa viipalointiohjelmassa (slicer) ongelmitta.

OBJ on monipuolisempi muoto, joka sisältää geometrian lisäksi UV-koordinaatit eli tiedon siitä, miten 2D-kuva kääritään 3D-pinnan ympärille. Pelkkä .obj -tiedosto on STL-tiedoston tavoin itse geometria. OBJ-tiedoston kaverina saattaa olla .mtl-tiedostossa joka sisältää materiaalitiedot, ja .jpg tai .png-tiedosto, joka sisältää valokuvatekstuurit, jotka on kartoitettu kappaleen pinnalle, mutta näistä ei ole 3D-tulostuksessa iloa. Tulostuksen kannalta OBJ-tiedostot vastaavat STL:ää.

PLY on yleinen tiedostomuoto erityisesti akateemisissa ja tutkimuskäyttöön tarkoitetuissa skannausarkistoissa (esim. MorphoSource). PLY voi sisältää geometrian lisäksi kappaleen värin ilman erillistä väritiedostoa. Jotkut slicerit eivät tue PLY-tiedostoja, mutta muunnos STL- tai OBJ-muotoon onnistuu helposti ilmaisella MeshLabilla tai MeshMixerillä. Väritieto tietenkin häviää STL-muotoon muunnettaessa.

3MF on STL:n nykyaikaisempi korvaaja, jota slicerit yleensä tukevat hyvin. 3MF voi sisältää yhdessä tiedostossa geometrian, väri- ja materiaalitiedot, ja tulostusasetuksia.

GLTF/GLB-tiedostoja käytetään 3D-näkymien esittämiseen erityisesti verkkosivuilla. Yleensä tämä tiedosto ei ole tulostettavissa suoraan, mutta voidaan muuntaa Blender-ohjelmassa STL tai OBJ -muotoon ja tulostaa sitten. GLTF/GLB -muotoja ei suositella tulostukseen jos muita vaihtoehtoja on saatavilla.

Tiedoston käsittely ja ohjelmistot

3D-skannerin tuottama geometria koostuu kolmioilla muodostetusta verkosta (eng. mesh), joka esittää kappaleen pintaa. Tämä verkkopinta voi toisinaan olla ”rikkonainen”, sisältäen reikiä tai muita virheitä. Skannaukset ovat monesti myös liian tarkkoja suhteessa 3D-tulostimen tarkkuuteen, eli verkko on muodostettu hyvin suuresta määrästä turhan pieniä kolmioita. Tämä kasvattaa tiedostokokoa ja tekee tiedoston käsittelystä hidasta.

Ennen tulostusta tarvitaan niinsanottu viipalointi- eli ”slicer”-ohjelma. Slicer ottaa 3D-mallin, viipaloi sen kerroksiin, ja luo jokaiselle kerrokselle 3D-tulostimen tarvitsemat liikeradat, eli GCODE-tiedoston. Tämä tiedosto on siis käytännössä pitkä lista liikeohjeita 3D-tulostimelle joita seuraamalla haluttu kappale saadaan tulostettua. GCODE-tiedosto syötetään tulostimeen esim. muistitikulla, ja tulostus voidaan aloittaa. Useimmat kuluttajakäyttöön suunnitellut slicerit ja 3D-tulostimet ovat äärimmäisen helppokäyttöisiä. Kokeneemmat käyttäjät säätävät tulostusasetuksia itse parantaakseen tulosteen laatua tai vähentääkseen ajan- tai materiaalinkäyttöä, mutta slicer-ohjelman valmisasetukset ovat usein varsin kelvollisia. Kehittyneemmät ilmaiseksi saatavilla olevat slicerit kuten PrusaSlicer tai Cura sisältävät yllättävän hyviä ja helppoja työkaluja verkon korjaamiseen ja mallien muokkaamiseen. Näitä kannattaakin kokeilla mikäli verkko on viallinen tai mallia halutaan muokata. Koriste-esineitä tehtäessä saatetaan myös haluta yhdistää 3D-malliin muuta geometriaa, esimerkiksi sisäänrakennettu jalusta, ripustuslenkki, tai tekstiä. Tällaiset muokkaukset onnistuvat useimmissa slicereissä helposti, mutta ne voidaan tehdä myös 3D-mallinnusohjelmissa.

Mikäli 3D-mallissa on suurempia vikoja eikä slicer osaa käsitellä sitä, tulee se korjata ennen sliceriin tuontia. Onneksi tähän on saatavilla useita ilmaisia ja melko tehokkaita ohjelmistoja, kuten MeshMixer, MeshLab, Blender. Näistä MeshMixer on kenties helpompikäyttöisempi ja MeshLab tehokkaampi. Blender on tarkoitettu ennemmin 3D-mallinnukseen, mutta on monipuolinen ja tehokas.

Tulostusmenetelmän ja materiaalin valinta

Tyypillisin ja tunnetuin muovin 3D-tulostusteknologia on pursotus. Englanniksi tämä tunnetaan kauppanimellä FDM tai FFF, mutta ISO-standardoitu termi on Material Extrusion (MEX). Kuluttajakäyttöön suunniteltuja pursotuslaitteita on saatavilla hintahaitarilla 100 – 1000 €. Pursotukseen perustuva muovin tulostus on halpaa, nopeaa ja helppoa. Tekniikan etu on monipuolisuus ja joustavuus, sekä laaja materiaalivalikoima. Tulostettavaa muovia saa kivi-, puu-, tai metallijauhetta sisältävinä, jolloin tulosteen ulkonäkö muistuttaa vahvasti kiveä/puuta/metallia. Jotkut pursotuslaitteet kykenevät myös moniväritulostukseen. Toisaalta menetelmä jättää kappaleisiin silminnähtävät kerrosviivat, eikä välttämättä riitä kaikkein pienimpien piirteiden tuottamiseen. Kannattaa myös huomioida että monissa museoesineissä kuten työkaluissa on teräviä reunoja jotka eivät välttämättä tällä tekniikalla toistu todenmukaisesti.

Toinen kuluttajille helposti saatavilla oleva teknologia on valokovetus, joka perustuu nestemäisen valokovettuvan muovin käyttöön. Englanniksi usein käytetään kauppanimiä stereolithography, SLA, tai DLP. ISO-standarditermi on Vat Photopolymerisation (VPP). Hintahaitari on samaa luokkaa kuin pursotuksessa, mutta menetelmä tuottaa huomattavasti hienompaa ja tarkempaa jälkeä. Haittapuolia ovat kalliimmat ja myrkylliset materiaalit, hankalampi jälkikäsittely, ja tulostettujen kappaleiden pienempi maksimikoko.

Aloittelijalle voidaan ehkä suositella pursotustekniikkaa. Valokovetus taas on perusteltua mikäli halutaan tulostaa pieniä mutta erittäin tarkkoja, korkean resoluution kappaleita, eikä monimutkainen jälkikäsittely tai myrkyllisten aineiden käsittely ole ongelma.

Muihin tekniikoihin perustuvat 3D-tulostimet ovat selvästi kalliimpia, mutta näitäkin voidaan hyödyntää tilaamalla kappale tulostinpalvelua tarjoavalta firmalta. Esimerkiksi muovijauheen sulatukseen perustuvilla menetelmillä (yleisiä kauppanimiä mm. SLS, MJF) voidaan luoda hyvinkin tarkkoja ja hienon näköisiä osia ilman muotoon liittyviä rajoitteita. Myös metallin 3D-tulostuksella voidaan luoda erittäin tarkkoja kappaleita, mutta tekniikka on selkeästi kalliimpi. Suomestakin löytyy kourallinen muovi- ja metallitulostuspalvelua tarjoavia yrityksiä.

Myös erilaisten keraamien ja jopa saven tulostaminen onnistuu, tosin nämä laitteet ja materiaalit ovat ainakin toistaiseksi harvinaisempia ja kalliimpia.

Kuva 1. Ruostumattomasta teräksestä 3D-tulostettuja museoesineitä.

Turvallisuus

Kappaleita tulostaessa on menetelmästä riippumatta tärkeää kiinnittää huomiota työturvallisuuteen. Muovin 3D-tulostuksen terveyshaittoja ei ole kattavasti tutkittu pitkällä aikavälillä, mutta yleisesti voidaan sanoa että pursotusprosessissa vapautuu materiaalista riippuen erilaisia kaasuja ja mikromuoveja hengitysilmaan. Nämä ovat ihmiselle haitallisia myös biopohjaisia PLA-muoveja käyttäessä. Varsinkin pitkäjaksoisen tai säännöllisen tulostuksen tapauksessa on suositeltavaa siirtää tulostin omaan kaappiinsa, josta on koneellinen poistoilma ulos tai HEPA-suodattimen läpi huoneilmaan. Monet tulostimet ovat ns. suljettuja, eli laite itse on suljettu laatikko jonka sisällä tulostus tapahtuu. Tällöin kannattaa varmistaa että poistoilma menee suodattimen läpi, eikä palaudu sellaisenaan huoneeseen.

Valokovetusprosessissa käytettävät UV-kovettuvat hartsit ovat myrkyllisiä, ja niiden käsittelyssä tulee noudattaa varovaisuutta. Materiaalien käsittely ja valmiiden kappaleiden pesu/kovetus tulisi tehdä hyvin tuuletetussa tilassa käsineitä ja suojalaseja käyttäen.

Vinkit tulostukseen ja jälkikäsittelyyn

Käsin luonnonmateriaaleista valmistettujen kuttuurihistoriallisten esineiden 3D-tulostuksen haasteena on niiden epäsäännöllinen muoto ja suorien pintojen puute. Nämä rajoitteet ja seuraavat ohjeet pätevät pursotus- ja valokovetustekniikoihin. 3D-tulostuksessa kappaleen tulee kiinnittyä tukevasti tulostimen alustaan, joka edellyttää ainakin yhtä tasaista pintaa. Mikäli kappaleessa ei tällaista ole, voidaan tulostaa ensin tukirakenteet (eng. support) joiden päälle varsinainen kappale valmistuu. Slicer-ohjelmat kykenevät tuottamaan nämä rakenteet automaattisesti kappaleen ja alustan välille. Tukirakenteet tarvitaan myös ”ilmassa roikkuvien” tai alle ~30-45 asteen kulmassa vaakatasosta olevien rakenteiden alle, jottei pursotettu muovi tipahda tai romahda alustalle kesken tulostuksen. Tukirakenteiden irroitus jälkikäteen voi olla haastavaa, varsinkin jos tuettu osa on heiveröinen. Lisäksi tukirakenteen kiinnityskohta jättää yleensä ”arven” osan pintaan. Tukirakenteita kannattaakin välttää, ja etsiä slicerissa kappaletta pyörittelemällä asento jossa roikkuvia, tuettavia pintoja on mahdollisimman vähän. Alla on esitetty muutama kuvakaappaus slicer-ohjelmasta joissa näytetään eri vaihtoehtoja kivikirveen mallin tulostussuunnille.

Kuva 2. Vaakasuunta. Itse kappale on esitetty oranssilla ja tukirakenteet vihreällä. Tämä on nopein (kts ”estimated printing time” oikeassa alakulmassa) ja vakain tulostussuunta, ts. kappale ei todennäköisesti liikahda tai kaadu kesken tulostuksen, johtuen laajasta kosketuspinnasta tulostusalustaan. Toisaalta kappaleessa on suuri kosketuspinta tukirakenteisiin joka jättää rumat arvet koko alapintaan.

Kuva 3. Pystysuunta. Tässä suunnassa on minimoitu tukirakenteiden kosketuspinta. Huomaa puutyyppisten (eng. ”tree” tai ”organic” support) tukirakenteiden käyttö, jotka rakentuvat ainoastaan tulostusalustasta ja kaartuvat reiän sisään, sen sijaan että tukirakenne alkaisi reiän alapinnasta. Tämä suunta on toisaalta hyvin epävakaa ja on mahdollista että kappale kaatuu kesken tulostuksen. Tilanne on hieman parempi jos kappaleen kääntää tylppä pää alaspäin, mutta kaatumisen tai heilumisen riski on suuri. Pystysuunta on myös hitain tulostaa.

Kuva 4. Kallistettu. Tämä tulostussuunta on vakauden, tulostusajan, ja tuetun pinnan osalta jotain pysty- ja vaakavaihtoehtojen väliltä. Kappaleen kallistus on monissa tapauksissa hyvä kompromissi, mutta tämä on tietenkin hyvin tapauskohtaista.

Kappaletta käännellessä kannattaa myös huomioida, että pystysuunnassa muoto on ”porrasmainen” johtuen päällekkäisistä kerroksista, kun taas sivusuunnassa muodot ovat luonnollisempia. Tätä porrasefektiä on havainnollisesttu allaolevissa kuvissa. Lisäksi kerrosten rajat ovat heikkoja kohtia, ts. pystyyn tulostettu pitkä kappale katkeaa kovassa käytössä helpommin kuin lappeelleen tai kallelleen tulostettu. Mikäli tyydyttävää kompromissia tulostussuunnalle ei löydy, voi olla helpointa halkaista kappale slicerissa kahteen osaan jotka tulostetaan erikseen ja liimataan yhteen.

Kuva 5. Lähikuva kirveestä Kuvassa 2.  Vaakasuunnassa terän muoto on luonnollisempi, mutta kuvan vasemmassa reunassa muodon loiventuessa porrasmuoto korostuu.

Kuva 6. Lähikuva pystyyn tulostetusta kirveestä. Pystysuuntaan tulostetussa kirveessä terän muoto on selvästi porrastettu, etenkin mitä loivemmassa kulmassa terä on tulostettu.

Slicerit tekevät 3D-tulostetuista kappaleista aina onttoja (ja generoivat kappaleen sisälle jonkunlaisen tukevan ristikko- tai gyroidirakenteen, eng. infill), sillä muutoin tulostus kestäisi todella kauan ja veisi paljon muovia. Mikäli kappaleeseen halutaan enemmän painoa, voi harkita onton kappaleen täyttöä esim. hartsilla tai hiekalla. Vaihtoehtoisesti voidaan tulostaa osan negatiivi (muotti) ja valaa osa vaikka betonista.

Tulostettu osa ei välttämättä ole sellaisenaan vakuuttavan näköinen, johtuen tukirakenteista, näkyvistä kerroksista, tai kappaleessa olevista muovihaituvista tai muista virheistä. Tähän on suureksi avuksi pihdit, lämpöpuhallin, ja kevyt hionta hienolla (120-240) hiekkapaperilla (muista käyttää hengityssuojainta). Erilaiset esim. pienoismallien maalaukseen kehitetyt pintakäsittelyt ja maalaustekniikat soveltuvat myös mainiosti antamaan eloa tulostetuille kappaleille.