3D-tulostimen hankinta peruskoulussa

3D-tulostus on yksi nopeimmin kehittyviä ja kasvavia valmistusteknologiota. Kyseessä on valmistusteknologia, joka jo tällä hetkellä koskee jokaisen ihmisen elämää jollain tavalla. Kouluprojekteihin 3D-tulostus avaa ihan oman ulottuvuuden. Yhtäkkiä onkin mahdollista tehdä asioita, joista ei ole osannut edes uneksia. Kirjoituksen tarkoituksena on avata aihealuetta kokonaisuutena. Jutussa on paljon linkkejä, joista voi syventää tietämystään tulostukseen liittyvissä asioissa sekä löytää materiaalia oman opetustyön tueksi.

3D-tulostuksen perustoimintaperiaate on kolmiulotteisen kappaleen rakentaminen kerroksittain ainetta lisäämällä. Kappale tulostetaan tietokoneella suunnitellun 3D-mallin mukaan. Toimivia materiaaleja on paljon: mm. lukemattomat muovit, teräs, titaani, alumiini, lasi, betoni sekä erilaiset komposiitit kuten hiilikuidun ja eri muovien yhdistelmät. Peruskoulukäytössä tulostetaan käytännössä muoveja.

Tällä hetkellä 3D-tulostusta käytetään teollisuudessa ennen kaikkea tuotesuunnittelussa prototyyppien valmistukseen. Lisääntyvissä määrin sitä käytetään myös pienissä tuotantosarjoissa ja varaosien tulostamisessa. Myös yhä useammasta kodista löytyy tulostin, harrastajaluokan laitteiden muututtua halvemmiksi viime vuosien aikana.

Mitä hyötyä 3D-tulostuksen opettamisesta on ja mitä sen kautta voi oppia?

Tässä joitain asioita, jotka liittyvät 3D-tulostukseen ja sen avulla oppimiseen:

Tietokone avusteinen suunnittelu (CAD)
3D-mallinnus ja kolmiulotteinen hahmottaminen
Geometria, muodot, mittaaminen ja päässälasku
Muotoilu
Prototyyppien valmistus tuotesuunnitteluprosessissa
Materiaalitekniikka (muovit ja komposiitit)
Erilaiset rakenteet ja lujuusoppi
Tutustuminen 3D-tulostuksen eri käyttösovelluksiin mm. teollisuudessa, lääketieteessä ja rakentamisessa

Esimerkkiprojekteja

Omien tuotteiden valmistamien 3D-tulostimella sisältää kaksi osiota: 3D-mallintamisen ja 3D-tulostamisen. Useimmiten oppilaiden projekteissa n. 80% ajasta ja vaivasta kuluu mallintamiseen, ja loput tulostamiseen. Projektien keskiössä on siis 3D-mallinnus ja tulostimet tekevät parhaassa tapauksessa sen mitä käsketään.

Alakoulun puolella 3D-tulostimet ovat olleet teknologiapainotteisten luokkiemme käytössä. Toteutettu on mm. kuvataiteen, äidinkielen ja teknisen työn yhteisprojekti, missä oppilaat käsikirjoittivat tarinan, suunnittelivat tarinan hahmojen ulkoasun sekä mallinsivat hahmot tietokoneella. 3D-mallit tulostettiin 3D-printterillä ja maalattiin. Lopuksi oppilaat tekivät hahmoilla animaatioelokuvan käsikirjoituksen mukaisesti. Teknisessä käsityössä kaikille oppilaille opetetaan 3D-mallinnuksen perusteet ja tulostetaan pieni itsesuunniteltu tuote. (https://rajakylatekno.wordpress.com/2014/04/09/suunnitelmasta-tuotteeksi/)

Yläkoulun puolella 3D-tulostusta on käytetty eniten teknisen käsityön opetuksessa. Seitsemännen luokan oppilaiden kanssa on harjoiteltu 3D-mallinnusta koruprojektin avulla. Toinen hyvä 6.-7.luokkien projekti on ollut leimasimen valmistaminen kankaanpainantaan. 8.- ja 9.-luokan valinnaisissa on tehty osia oppilaiden omiin projekteihin. 3D-tulostusta voi hyödyntää myös kuvataiteen muotoiluun liittyvissä tehtävissä. Tekstiilityössä puolestaan voi tulostaa vaikkapa uniikit napit omaan asuun ja molemmissa edellä mainituissa hyödyntää tulostettuja painolaattoja ja -rullia.

Koruprojekti https://www.youtube.com/watch?v=MEcvuBwnKVM

Tällä videolla enemmän koulumme tulostusprojekteja https://www.youtube.com/watch?v=6kKCTKTn2cM

3D-mallinnusohjelmat

Kaikki lähtee liikkeelle 3D-mallinnuksesta. Peruskoulukäyttöön soveltuvia ilmaisia mallinnusohjelmia on jo useita. Tällä hetkellä käytämme 3.-5. luokilla selainpohjaista TinkerCad:ia ja siitä eteenpäin SketchUpMake-ohjelmaa. Googlen palveluja hyödyntäville kouluille kätevä on selainpohjainen SketchUp. Joissain koulussa käytetään DesingSpark- tai Fusion 360-ohjelmia.

Ensimmäinen aloituskerta on yleensä täysin opettajajohtoinen, mutta ainakin SketchUpin kanssa on hyvä käyttää tutoriaalivideoita opiskeluun. Tällöin oppilaat voivat edetä harjoittelussa omaan tahtiin ja oppilaiden auttaminen on myös helpompaa. Suurin osa seitsemännen luokan oppilaista on oppinut SketchUp:in peruskäytön siten, että pystyvät suunnittelemaan omia töitään sen avulla. Seitsemännellä luokalla olemme perusharjoitteluun käyttäneet 3-4 x 135min. Hyödynnämme SketchUp-ohjelmaa teknisessä käsityössä paitsi 3D-tulostus kappaleiden mallintamiseen, niin myös mittapiirustusten tekoon lähes kaikissa yläkoulun projekteissa. Oppilaan mallinnettua oman työnsä, hän merkkaa siihen mitat ja tulostaa mittapiirustukset paperille.

Tästä linkistä löytyy materiaalia 3D-mallinnuksen ja 3D-tulostuksen perusteiden opettamiseen. Lisäksi tuolta löytyy SketchUp-itseopiskeluohje, jossa tallennusosio on O365 ympäristöön. Näitä voi vapaasti muokata opetuskäyttöön kunhan alkuperä näkyy. https://rajakylatekno.wordpress.com/opettajan-materiaalipankki/3d-mallinnus-ja-tulostus/

Linkit mallinnusohjelmiin

TinkerCad: https://www.tinkercad.com/#/

Selainpohjainen SketchUp: https://www.sketchup.com/products/sketchup-free

SketchUp: https://www.sketchup.com/download/all

DesingSpark: https://www.rs-online.com/designspark/mechanical-download-and-installation

Fusion 360: https://www.autodesk.com/products/fusion-360/students-teachers-educators

Tulostimien ohjausohjelmat

Tulostimien ohjausohjelmat kehittyvät nopeasti ja ovat jo sillä tasolla, että yläkoulun oppilaat pystyvät käyttämään niitä lyhyellä perehdytyksellä tulostamisessa. Perusjuttuja pystyy tekemään melko helposti, mutta toisaalta 3D-tulostuksessa on todella paljon erilaisia muuttujia ja säätömahdollisuuksia. Esimerkiksi haastavampien muotojen tulostaminen, tai eri materiaalin käyttö vaatii aikaa perehtymiseen.

Kolme yleisintä tulostimien ohjausohjelmaa ovat RepetierHost, Cura ja Simplify 3D. RepetierHost ja Cura ovat ilmaisia ja Simplify 3D maksullinen. Kaikki ohjelmat toimivat koulukäytössä hyvin, mutta omasta mielestäni RepetierHost on intuitiivisin oppilaille.

Oman näkemykseni mukaan on pedagogisesti hyvä, että 3D-tulostin on kiinni tietokoneessa. Tällöin kappaleen tulostimen lämpötilojen ohjaus, yms. on reaaliaikaista ja havainnollista. Toinen vaihtoehto on siis säätää tulostettavan kappaleen asetukset suunnittelukoneella ja siirtää tulostettava tiedosto muistikortilla, muistitikulla tai wifi-yhteydellä itsenäisesti toimivalle tulostimelle. Toki niitäkin pystyy yleensä säätämään tulostuksen aikana, jos tulostimessa on näyttö.

Tulostusnopeus voi olla joskus pullonkaula, mutta siinä auttaa useampi tulostin. Jos koko opetusryhmä tekee jotain tulostettavaa, on pedagogisesti järkevää olla vähintään kaksi tulostinta, joita käytetään yhtä aikaa. Useammastakaan ei ole haittaa. Tällä hetkellä koulullamme on kolme tulostinta, jolloin itse tulostus ei ole yleensä hidasta projekteja. Koruprojektissa olen rajannut kappaleen maksimikooksi noin 5x40x40mm. Keskimääräinen tulostusaika projektissa on ollut n.10 min. Isommissa projekteissa isompien kappaleiden tulostaminen vie helposti useita tunteja, joten tulostus käynnistetään tunnilla ja tulostuksen aikana työstetään projektin muita osa-alueita eteenpäin.

Tulostusnopeuteen pystyy vaikuttamaan myös eri asetuksilla. Tärkeimmät kaksi ovat tulostuksen kerrospaksuus ja kappaleen täyttöaste. Yleisimmät kerrospaksuudet koulukäytössä ovat 0.1, 0.2 ja 0.3mm. 0,1mm kerrospaksuus on paikallaan kun halutaan sileä sivupinta (esim. korun valumalli) ja 0,3mm kun halutaan mahdollisimman nopea tulostus ja pinnan laadulla ei ole niin väliä (esim. leimasin). Aika ja kerrospaksuus ovat kääntäen verrannollisia. Esim. yhden tunnin tulostus 0,3 mm kerrospaksuudella muuttuu lähes kolmen tunnin tulostukseksi, kun kerrospaksuus pudotetaan 0,1mm:iin. Täyttöasteprosentti kertoo puolestaan kuinka suuri osa kappaleen sisuksesta täytetään tulostettaessa. Mitä suurempi osa kappaleen sisuksista täytetään, sitä kauemmin aikaa tulostamiseen tietenkin kuluu. Käytämme oppilastöiden tulostukseen pääsääntöisesti 15%:in täytöastetta, jolloin tulostus on nopeaa ja kappaleen kestävyys on yleensä riittävä. Tällä täyttöasteella kappaleen sisälle tulostuu tukiverkko, jonka silmäkoko on n. 5x5mm. Suurempaa lujuutta vaativissa kappaleisssa täyttöasteen voi nostaa vaikka 100%:iin.

3D-tulostus on hyvä apu moneen tuotesuunnittelu- ja muotoiluprojektiin. Se mahdollistaa rakenteet, joita ei ole aikaisemmin pystynyt kouluympäristössä tekemään, kuten oppilaan itse suunnittelemat persoonalliset elektroniikan laitekotelot. Oppilaiden motivaatiotaso on myös ollut tulostusprojekteissa korkea. Kaiken kaikkiaan 3D-tulostus avaa kokonaan uuden ja mielenkiintoisen maailman.

3D-tulostimen hankinnassa huomioitavaa

Selvitä seuraavat asiat ennen ostopäätöstä:

Käyttäjien ja käytön määrä? Yksi vai useampia tulostimia?
Yksi vai useampia tulostussuuttimia? Kahden suuttimen suurin etu on tällä hetkellä veteen liukenevan tms. tukimateriaalin käyttö. Kaksiväritulostus on ohjelmallisesti vielä liian hankalaa suurimmalle osalle oppilaista ja opettajista.
Käytetäänkö tietokonetta tulostimen ohjaamiseen vai käytetäänkö tulostinta itsenäisenä yksikkönä?
Tapahtuuko tiedostojen siirto Wifillä, USB-tikulla, muistikortilla vai onko tietokone kiinni tulostimessa? Tarkista yhteensopivuudet.
Käyttöönoton helppous?
Perehdytyskoulutuksen saatavuus? Jos aikaisempaa kokemusta ei ole, niin hanki perehdytyskoulutus. Hinnat 150-800€ riippuen tarjoajasta ja koulutuksen pituudesta.
Tulostimen kalibroinnin helppous?
Tulostuslangan vaihdon helppous?
Tuetut tulostusmateriaalit? Useampi parempi.
Onko mahdollisuus käyttää yleistä 1.75mm tulostuslankaa vai onko tulostinvalmistajalla oma lanka-/kasettijärjestelmä?
Toimintavarmuus?
Tulostimessa pitäisi olla lämmitettävä tulostusalusta.
Tulostusalueen suuresta koosta ei koulukäytön aikaresurssin takia ole paljoa hyötyä. 150mm tai 200mm suuntaansa mielestäni riittää.
Laitteen perushuollon helppous ja varaosien saatavuus?
Kotimaisuus ja kotimainen tuotetuki?
Miten takuuajan huolto/korjaus on järjestetty?
Miten Huollot ja korjaukset onnistuu takuuajan jälkeen?
Hinta?
Kuinka äänekäs? Hiljaisen työskentelyn tilaan ei kaikkia tulostimia voi sijoittaa.
Tulostimelle pitää koulukäytössä olla kohdepoisto, tai muuten huomioitava käry ja pienhiukkaspäästöt. https://www.ttl.fi/uudet-ohjeet-nain-tyoskentelet-turvallisesti-3d-tulostinten/

Esimerkki tulostimien kärynpoiston järjestämisestä. Kuva Tuomo Einiö

Tulostimien vertailua

Eri tulostinmalleja on suomessakin saatavana useita kymmeniä, tai jopa satoja erilaisia. Koostin alla olevaan taulukkoon perustietoa itse testaamistani tulostinmalleista. Lisäksi olen keskustellut joka koneen kohdalla vähintään kahden konetta käyttäneen kanssa. Jokaista näitä laitetta on käytössä suomen peruskouluissa ja minkä tahansa laitteen voi hankkia. Jokaisessa laitteessa on omat hyvät ja huonot puolensa, joita yritän valaista alla olevassa taulukossa. Tällä hetkellä kaikkia tulostimia saa Suomesta, tuotetuki on Suomessa ja huolto toimii ainakin jollakin tavalla.

Mielenkiintoista on ollut myös se, että jokaisesta listalla olevasta tulostinmallista on sekä hyviä, että huonoja kokemuksia. Ulkomaisissa koneissa ongelmat ovat yleensä liittyneet kokoonpanon laatuun ja siihen liittyviin virheisiin sekä toisaalta varaosien hitaaseen saatavuuteen ja takuuhuoltojen hitauteen. Kotimaisilla koneilla ongelmat ovat liittyneet valmistussarjojen alkupään koneisiin, joiden lastentauteja on korjattu. Nyt laitteet on saatu toimimaan jo hyvin. Toisaalta myös kaikenlainen tuotetuki varaosineen ja huoltoineen on toiminut kotimaisilla koneilla kokemusten mukaan hieman paremmin.

Kaikkiin taulukossa oleviin tulostimiin on myös saatavissa perehdytyskoulutus Anycubicia lukuunottamatta. Toisaalta siihenkin löytyy hyvät ohjeet ja koneen käyttöönotto oli kohtalaisen helppoa. Kaksi seitsemännen luokan tyttöä kasasi tulostimen yhdellä oppitunnilla ja ohjelmien asentamiseen ohjeiden mukaan sekä kalibrointiin meni n. 20min. Tämän jälkeen tulostin oli käyttövalmis.

Taulukon viimeisenä on Minifactory MF3, jonka valmistus on jo lopetettu. Otin se taulukkoon kuitenkin vertailun vuoksi, koska se on edelleen yksi yleisimpiä tulostimia peruskouluissa ja itsellä on eniten kokemusta siitä. Toinen taulukon ”ulkopuolinen” on XYZ Da Vinci 1.0 pro 3in1, jossa on tulostin, 3D-skanneri ja pienitehoinen laserkaiverrin yhdessä. Pelkäksi tulostimeksi en laitetta suosittele, mutta pienen koulun yleislaitteena sekin menettelee.

Jos ulkomailta tilaaminen onnistuu, niin hyviä koulukäyttökokemuksia löytyy mm. Prusa i3 mk2- ja mk3-tulostimista. Yksi harkinnan arvoinen laite voisi olla myös RoboxDual. Ensimmäinen Robox oli susi mekaanisen laadun osalta, mutta yhden käyttäjäkokemuksen perusteella ensimmäisen version laatuongelmat on saatu korjattua uuteen Dual-versioon.

Opiskele 3D-tulostuksesta lisää MiniFactory:n erinomaisilta soittolistoilta YouTube:ssa. Kaikille soveltuvia ovat mm. materiaalit ja ongelmatilanteet. https://www.youtube.com/user/miniFactoryFI/playlists