TalTechi Tartu kolledži avalike suhete juht
TalTechi Tartu kolledži äsja lõpetanud Ott-Kaarel Vääni bakalaureusetöö näitas, et õigesti valmistatud 3D-prinditud korpus võib pakkuda Eesti karmides ilmaoludes tööstuslikule lahendusele arvestatavat alternatiivi.
Kui ilmajaam, liikumisandur või keskkonnaseireseade keset talve ootamatult rivist välja langeb, ei pruugi süüdi olla elektroonika. Põhjus võib peituda hoopis seadet kaitsma mõeldud plastkorpuses, mis ei suuda takistada niiskuse sissetungi. See tõstatab praktilise küsimuse: kas tänapäevane, s.t kolmemõõtmelise ehk 3D-printimise abil valmistatud korpus suudaks asendada tehases toodetud tööstuslikku lahendust?
Üks levinumaid 3D-printimise viise on sulatatud materjali kihilise sadestamise tehnoloogia, inglise keeles fused deposition modeling (FDM). Printer sulatab plastmaterjali ning kannab selle düüsi kaudu kihthaaval soovitud kujule. See võimaldab valmistada detaile otse digitaalse kolmemõõtmelise mudeli põhjal.
Tallinna Tehnikaülikooli Tartu kolledži arukate süsteemide ja rakendusinfotehnoloogia õppekava värske lõpetaja Ott-Kaarel Vään otsis oma bakalaureusetöös vastust küsimusele, kas sellisel viisil valmistatud korpus suudaks pidada vastu Eesti kliima karmidele tingimustele.
Tänapäeval kasutatakse peaaegu kõikjal asjade internetil põhinevaid seadmeid. Asjade internet tähendab omavahel võrgu kaudu suhtlevaid füüsilisi seadmeid, mis koguvad, edastavad või töötlevad kõikvõimalikke andmeid. Selliseid seadmeid leidub hulgaliselt juba kõikjalt maailmast – linnaruumist, tööstusest, keskkonnaseirest ja transpordisüsteemidest.
Kui ettevõte arendab uut toodet või valmistab väikestes kogustes seadmeid, võib olla sobivat korpust ootamatult keeruline toota. Klassikaline lahendus on survevalu: tootmisviis, mille puhul surutakse sulatatud plast spetsiaalsesse vormi, kus sel lastakse tahkuda. See võimaldab valmistada tugevaid ja ühesuguseid detaile, olgugi et iga suurema disainimuudatusega võib kaasneda vajadus uue vormi järele, rääkimata lisakuludest ja pikemast ooteajast.
3D-printimise suurteks eelisteks on seevastu kiirus ja paindlikkus. Kui insener muudab hommikul detaili digitaalset mudelit, võib uus korpus olla tal juba õhtuks valmis. Küsimus on ainult selles, kuivõrd vastupidavaks kiiresti ja paindlikult valmistatud korpus praktikas osutub.
„Bakalaureusetöö teema tekkis minu ametialasest praktilisest vajadusest. Ettevõtte HexTech Solutionsi seadmed töötavad aasta ringi katustel ja mastidel, kus need peavad taluma vihma, lund, külma ja suuri temperatuurikõikumisi. Väikeettevõttena oleme kasutanud 3D-prinditud korpuseid, sest need võimaldavad valmistada kiiresti ja kulutõhusalt nii toote katseeksemplare ehk prototüüpe kui ka igapäevaselt kasutatavaid seadmeid. Seni puudus aga sõltumatu labori kinnitus, et sellised korpused vastavad välitingimustes kasutamiseks vajalikele nõuetele. Just välitingimuste taluvusvõime küsimusele püüdiski mu bakalaureusetöö vastust leida,“ selgitas Vään.
„Seni puudus aga sõltumatu labori kinnitus, et sellised korpused vastavad välitingimustes kasutamiseks vajalikele nõuetele. Just välitingimuste taluvusvõime küsimusele püüdiski mu bakalaureusetöö vastust leida.“
Katsetes kasutatud 3D-prinditud korpused. Korpused valmistati eri plastmaterjalidest ning osa neist järeltöödeldi, et võrrelda materjali ja pinnatöötluse mõju veekindlusele. Foto: TalTech
Niiskus pääseb sisse kihtide vahelt
3D-prinditud detailide üheks suurimaks võimalikuks nõrkuseks peetakse nende kihilist ehitust. Erinevalt survevalu teel valmistatud plastdetailidest tehakse neid üksteise peale kantud õhukestest plastikihtidest, mille vahele võivad jääda mikroskoopilised poorid. Need imepisikesed tühimikud hakkavad teoorias toimima tillukeste kanalitena, mille kaudu jõuab niiskus korpuse sisemusse ning elektroonikani.
Lõputöö käigus valmistati korpusi kolmest 3D-printimises laialt kasutatavast plastmaterjalist. Need on akrüülnitriil-stüreen-akrülaat (ASA); akrüülnitriil-butadieen-stüreen (ABS) ning glükooliga modifitseeritud polüetüleentereftalaat (PETG). Kõik kolm on olemuselt termoplastid, mis kuumutamisel pehmenevad ja jahtudes taas tahkuvad.
Mõnda korpust järeltöödeldi atsetooniaurudega. Sedakaudu sooviti siluda ja tihendada plastdetaili välispinda, et vähendada kihtide vahele jäänud väikeste pooride mõju. Seejärel saadeti korpused Metroserdi akrediteeritud laborisse, milles tehtavate katsete pädevus on sõltumatult hinnatud ja kinnitatud.
„Need imepisikesed tühimikud hakkavad teoorias toimima tillukeste kanalitena, mille kaudu jõuab niiskus korpuse sisemusse ning elektroonikani.“
Järeltöötluse mõju korpuse pinnale. Vasakul on töötlemata ja paremal siledama pinnaga järeltöödeldud 3D-prinditud korpus. Foto: TalTech
Eesti ilma matkinud katsed andsid üllatavalt hea tulemuse
Laboris pidid korpused taluma temperatuuritsükleid ehk korduvalt vahelduvat külma ja sooja, suurt õhuniiskust ning tugevat veesurvet. Teisisõnu koheldi neid üsna sarnaselt sellele, mida Eesti ilm võib välitingimustes töötava seadmega aastate jooksul teha.
Tulemused olid üle ootuste head. Kõik ASA-st ja ABS-ist valmistatud korpused suutsid läbida tugevat vihma simuleeriva katse. Samuti ei pannud temperatuuritsüklid korpusi pragunema ega tekitanud muid ehituslikke kahjustusi. Glükooliga modifitseeritud PETG-ist korpused andsid mõnevõrra nõrgemaid tulemusi, ent neidki ei saa kanda ebaõnnestumiste hulka.
Uputamiskatses, mille käigus asetati katsekehad kindlaks ajaks vee alla, ilmnes siiski oluline erinevus. Kõigi otse printerist tulnud, s.t järeltöötlemata katsekehade puhul jõudis vesi 30 minuti jooksul mikropooride kaudu karbi sisemusse. Atsetooniaurudega järeltöödeldud korpused suutsid saavutada seevastu täieliku veekindluse.
„Atsetooniaurudega järeltöödeldud korpused suutsid saavutada seevastu täieliku veekindluse.“
Vesi leidis tee korpuse sisemusse. Uputamiskatse näitas, et töötlemata 3D-prinditud detailide mikropooride kaudu võib niiskus korpusesse imbuda. Foto: TalTech
Veekindluse määras tihendi paigaldus
Kõige huvitavam avastus tuli aga hoopis teisest kohast. Selgus, et katsetes mängis olulist rolli mitte niivõrd korpuse materjal, kuivõrd tihendi korrektne paigaldus.
Tihend on korpuse osade vahele paigutatav elastne detail, mis peab takistama veel ja niiskusel liitekohtadest korpuse sisemusse pääseda. Mõnelgi juhul mõjutas just tihendi paigaldus veekindlust rohkem kui korpuse materjal või valmistusviis. See on sobiv meeldetuletus, et inseneritöö tulemus sõltub sageli kõige väiksematest detailidest.
Uuring näitas, et korpused, mida 3D-prinditi sulatatud materjali kihilise sadestamise tehnoloogiaga, võivad pakkuda prototüüpide, väikeseeriatootmise ja eriotstarbeliste seadmete tootmiseks täiesti arvestatavat lahendust. Eriti kasulikuks võib see osutuda kiiret tegutsemist eeldava arenduse korral, kui iga võimaliku muudatusega ei tohiks kaasneda suuri lisakulusid.
„Järgmise sammuna tuleks uurida korpuste pikaajalist vastupidavust välitingimustes ning hinnata, kuidas võib hakata plastmaterjalide omadusi aja jooksul muutma päikesevalgus, eriti just ultraviolettkiirgus,“ ütles Vään.
Praegused tulemused näitavad selgelt, et 3D-printer pole enam üksnes hobiinseneride mänguasi, vaid praktiline tööriist. Õigesti projekteeritud ja valmistatud korpus võib pakkuda täiesti tõsiseltvõetavat alternatiivi tavapärastele tööstuslikele lahendustele. HexTech Solutionsi senise kogemuse kõrval kinnitavad nüüd ka laborikatsed, et korralikult valmistatud 3D-prinditud korpus saab Eesti vihma, niiskuse ja pakasega üllatavalt hästi hakkama.
„Mõnelgi juhul mõjutas just tihendi paigaldus veekindlust rohkem kui korpuse materjal või valmistusviis.“
