3D-tulostettu optiikka ja sen karakterisointi

3D-tulostettu optiikka ja sen karakterisointi

Heikki P¨ ol¨ onen

Pro gradu -tutkielma Marraskuu 2020

Fysiikan ja matematiikan laitos

It¨ a-Suomen yliopisto

Heikki P¨ol¨onen 3D-tulostettu optiikka ja sen karakterisointi, 57 sivua It¨a-Suomen yliopisto

Fyysikkokoulutus

Fotoniikan maisteriohjelma

Ty¨on ohjaajat Tutkimusp¨a¨allikk¨o Petri Karvinen Professori Markku Kuittinen

Tiivistelm¨ a

T¨ass¨a tutkielmassa valmistettiin eri 3D-tulostus- ja j¨alkik¨asittelymenetelmill¨a taso- peilej¨a ja paraboloideja heijastuspeilej¨a. Tutkielman yhten¨a tutkimuskohteena oli valmistettujen kappaleiden toimiminen peilein¨a ja niiden keskin¨ainen vertailu. Val- mistettujen tasopeilien tuloksia verrattiin lasipeiliin ja paraboloideja heijastuspeile- j¨a pinnoitettuun kaupalliseen peiliin. Tutkielmaan sis¨altyi kaksi erilaista mittausta, joista ensimm¨aisess¨a eri 3D-tulostus- ja j¨alkik¨asittelymenetelmin valmistetuille taso- peileille tehtiin pinnankarheus- ja heijastusmittaukset. N¨aiden tulosten perusteella valikoitiin toiseen mittaukseen hyvin ja huonosti peilein¨a toimivia valmistus- ja j¨al- kik¨asittelymenetelmi¨a paraboloidin heijastuspeilin valmistukseen, joille tehtiin op- tisesta akselista poikkeava (off-axis) heijastusmittaus. 3D-tulostettujen tasopeilien mittaukset toimivat v¨alitavoitteena kohti paraboloidien heijastuspeilien fokusointio- minaisuuksien tarkastelua.

Optiikassa paraboloidin heijastuspeilin parabolisen muodon ansiosta valons¨ateet voidaan fokusoida samaan polttopisteeseen. Optisesta akselista poikkeava mittaus valittiin tutkielmassa optisen akselin mukaisen mittauksen (on-axis) sijasta k¨ayt¨an- n¨on helppouden takia, sill¨a optisesta akselista poikkeavassa mittauksessa detektori ei ole tulevan valons¨ateen tiell¨a.

Avainsanat:Peilisysteemin suunnittelu, pinnankarheus, pinnan spektrofotometria, 3D-tulostus, tasopeili, paraboloidinen peili

Esipuhe

T¨am¨an tutkielman aiheesta allekirjoittaneella ei ollut aiempaa k¨ayt¨ann¨on kokemus- ta. Aiheen valikoituminen oli t¨ah¨an n¨ahden selke¨a, sill¨a edelliseen lis¨attyn¨a tekij¨an uteliaisuus ja mielenkiinto yleisesti 3D-tulostusta kohtaan ja sen merkityksest¨a op- tisten komponenttien valmistuksessa auttoivat valinnan tekemist¨a. Tutkielma edis- tyi COVID-19 koronaviruksen aikaansaaman poikkeusolojen aikana, vaikuttaen sa- malla tutkielman kulkuun siirt¨aen siihen liittyvi¨a mittauksia kuukausilla eteenp¨ain normaalitilanteeseen verrattuna. Tutkielman l¨apivientiin haasteita toi my¨os proses- sin aikana allekirjoittaneen muuttunut el¨am¨antilanne syntyneiden kaksosten my¨ot¨a.

Vaikka t¨am¨a muuttunut el¨am¨antilanne toi lis¨ahaasteita kirjoitusprosessiin, toi se samalla jaksamista prosessin saattamisessa loppuun. Haluan osoittaa kiitokseni kak- sosten lis¨aksi matkan aikana prosessissa kannustaneelle ja tukeneelle avopuolisolleni Noora H¨am¨al¨aiselle, joka jaksoi valaa uskoa minuun t¨am¨an tutkielman aikana. Kii- tos my¨os ohjaajilleni Petri Karviselle ja Markku Kuittiselle. Petrin laaja tietotaito sek¨a apu olivat prosessin l¨apiviennin kannalta merkityksellisess¨a osassa ja varsinkin Markun n¨akemys tutkielman loppuvaiheessa asiasis¨all¨on rakentamisessa lopulliseen muotoonsa oli t¨arke¨ass¨a roolissa.

Joensuussa 30. marraskuuta 2020 Heikki P¨ol¨onen

Sis¨ alt¨ o

1 Johdanto 1

2 3D-tulostus 3

2.1 3D-tulostusprosessi . . . 4

2.2 3D-tulostusteknologiat . . . 5

2.2.1 Pursotustekniikka . . . 6

2.2.2 Stereolitografia . . . 12

2.2.3 Pietsos¨ahk¨omustetulostus . . . 14

2.2.4 Luxexcel:n Printoptical-teknologia. . . 16

2.3 J¨alkik¨asittelymenetelm¨at . . . 17

2.3.1 Hiominen . . . 17

2.3.2 Lakkaaminen . . . 18

2.3.3 Kiillottaminen. . . 18

2.3.4 Spinnaaminen . . . 20

2.3.5 Sputterointi . . . 21

3 Optiikka 22 3.1 Valon ja materiaalin v¨alinen vuorovaikutus . . . 22

3.2 Spekulaari- ja diffuusiheijastus . . . 23

3.3 Pinnankarheus. . . 24

3.4 Paraboloidi heijastuspeili . . . 24 3.5 Py¨ore¨an aukon diffraktio, spatiaalinen resoluutio ja puoliarvoleveys . 25

4 Laitteet 28

4.1 3D-tulostimet . . . 28

4.1.1 Ultimaker 3 . . . 28

4.1.2 Anycubic Photon . . . 29

4.1.3 Luxexcel . . . 31

4.2 Mittauslaitteet . . . 32

4.2.1 Spektrofotometri . . . 32

4.2.2 Mekaaninen profilometri . . . 33

5 Tulokset 35 5.1 Tasopeilit . . . 35

5.2 Spekulaari- ja diffuusiheijastusmittaukset . . . 38

5.3 Pinnankarheusmittaukset. . . 43

5.4 Off-axis -paraboloidipeilien heijastusmittaus . . . 45

5.5 Johtop¨a¨at¨oksi¨a mittauksista . . . 53

5.5.1 Tasopeilit . . . 53

5.5.2 Paraboloidit heijastuspeilit . . . 54

6 Yhteenveto 56 Viitteet 58 Liitteet 64 A Reflektanssikuvaajat 3D-tulostetuille kappaleille . . . 64

B Pinnankarheuskuvaajat 3D-tulostetuille kappaleille . . . 71

C Pinnankarheusmittausten hajontaluvut . . . 78

D Paraboloidien heijastuspeilien mittauksien kuvat . . . 79

E MATLAB-koodit tutkielmassa . . . 83

Luku I

Johdanto

3D-tulostus on mullistanut vuosien saatossa tuotantomaailmaa vankistaen samalla asemaansa yhten¨a suosituimpana tuotantomenetelm¨an¨a perinteisten tuotantolinjo- jen rinnalla. 3D-tulostus ei kuitenkaan yksinomaan korvaa perinteist¨a valmistusta, vaan se tuo erilaisia vaihtoehtoja sen rinnalle. 3D-tulostusta pidet¨a¨ankin yhten¨a tuotannon vallankumouksista sen aikaansaaman suosion ansiosta. 3D-tulostamisen suosion taustalla voidaan pit¨a¨a tulostuksen nopeutta ja komponenttien valmistamis- prosessin hintojen alenemista menetelm¨an suosion kasvaessa. T¨am¨a on vaikuttanut eritoten pienien ja kalliiden yksitt¨aiskomponenttien ja piensarjojen valmistamiseen, joiden hinnat ovat usein seurausta v¨ah¨aisist¨a tuotantom¨a¨arist¨a.

Optiikassa optisten komponenttien pintojen valmistuksessa pyrit¨a¨an mahdolli- simman pieniin pinnankarheus- ja sironta-arvoihin. Toisin sanoen, optisen kompo- nentin on oltava sellainen, jossa valon on mahdollista kulkea komponentin l¨api siroa- matta. 3D-tulostuksen merkitys optiikassa t¨ah¨an n¨ak¨okulmaan liittyen on ottanut viimeisien vuosikymmenien saatossa isoja harppauksia eteenp¨ain eritoten hollanti- laisten firmojen (Luximprint ja Luxexcel) ansiosta. Heid¨an k¨aytt¨amien teknologioi- den my¨ot¨a j¨alkik¨asittelylle ei ole 3D-tulostusprosessissa tarvetta ja erilaisten optis- ten komponenttien, kuten LED-valaistusvarusteiden, linssien, prismojen ja valojoh- teiden, valmistaminen on helpompaa ja v¨ahemm¨an aikaaviev¨a¨a. N¨aiden yritysten kehitt¨amien teknologioiden my¨ot¨a optiikassa komponenttien valmistukseen on saatu kaivattua laatua. [1]

T¨am¨an tutkielman yhten¨a p¨a¨am¨a¨ar¨an¨a, 3D-tulostettujen paraboloidien heijas- tuspeilien valmistuksen lis¨aksi, oli selvitt¨a¨a perinteisin 3D-tulostusmenetelmin val- mistettujen optisten komponenttien (tasopeilien) laatua verrattuna lasiseen tasopei-

liin ja Luxexcel:ll¨a valmistettuun peiliin. Tutkielma koostuu nelj¨ast¨a luvusta, joista ensimm¨aisess¨a esitet¨a¨an 3D-tulostusprosessin eteneminen aina objektin mallinnuk- sesta kappaleen j¨alkik¨asittelyyn. T¨am¨an lis¨aksi luvussa perehdyt¨a¨an tutkielmassa k¨aytettyjen tulostusmenetelmien toimintaperiaatteisiin. Toisessa luvussa k¨asitell¨a¨an teoriaa, joka sis¨alt¨a¨a esimerkiksi heijastus- ja pinnankarheusmittauksiin liittyv¨at eri- laiset optiset k¨asitteet. T¨am¨an toisen luvun aiheena ovat my¨os tutkielmassa k¨ayte- tyt 3D-tulostimet. Kolmannessa luvussa tuodaan julki tutkielman kannalta t¨arkeim- m¨at tulokset sis¨alt¨aen erityisesti tasopeilien heijastus- ja pinnankarheusmittaukset, joiden perusteella paraboloidien heijastuspeilien valmistusmenetelm¨at valikoituivat.

Viimeisess¨a luvussa analysoidaan tuloksia ja tutkielman onnistumista.

Luku II

3D-tulostus

T¨am¨an luvun p¨a¨apaino on 3D-tulostuksen teoriassa sek¨a tutkielmassa k¨aytettyjen erilaisten 3D-tulostusmenetelmien tekniikoissa. T¨arkeimp¨an¨a on ymm¨art¨a¨a ty¨oss¨a k¨aytettyjen kolmen eri 3D-tulostusmenetelm¨an, pursotustekniikan (FFF, fused fila- ment fabrication), stereolitografian (SLA, stererolithography) ja Luxexcel:n Printop- tical-teknologian, toimintaperiaatteet. T¨ass¨a osiossa keskityt¨a¨an tutkielmassa hy¨o- dynnettyjen 3D-tulostusmenetelmien lis¨aksi 3D-tulostusprosessin kulkuun, ja luvun lopussa esitell¨a¨an tutkielmassa k¨aytettyj¨a j¨alkik¨asittelymenetelmi¨a. T¨am¨a luku pi- t¨a¨a sis¨all¨a¨an my¨os tutkielmassa k¨aytetyt 3D-tulostimet.

3D-tulostuksella tarkoitetaan mink¨a tahansa muotoisen tai geometrian omaa- van (kolmiuloitteisen) objektin valmistusta tietokoneavusteisen suunnittelumallin (CAD, computer-aided design) pohjalta. 3D-tulostuksessa on kyse additiivisesta val- mistuksesta (AM, additive manufacturing), miss¨a tietokoneohjattu tulostin tulostaa (suuruusluokaltaan mikrometreist¨a millimetriin) per¨akk¨aisi¨a kerroksia halutun mal- lin mukaisesti. Lopputuloksena on suunnittelumallin mukainen kolmiuloitteinen ob- jekti. [2]

Tulostusmateriaaleina 3D-tulostuksessa k¨aytet¨a¨an yleisesti, metallia, muovia tai keraamia. Riippuen 3D-tulostusmenetelm¨ast¨a, materiaali johdetaan materiaalilo- kerosta eri koostumuksina tulostusp¨a¨ah¨an. T¨am¨an j¨alkeen materiaali tulostetaan my¨ohemmin haluttuun kohtaan ja kovetetaan, jolloin muodostuu lopullinen haluttu suunniteltu malli. [3]

2.1 3D-tulostusprosessi

3D-tulostusprosessiin kuuluu kolme erilaista vaihetta, jotka ovat 3D-tulostuskappa- leen mallintaminen, sen tulostus ja j¨alkik¨asittely. 3D-tulostusprosessi alkaa aina tie- tokoneavusteisella mallintamisella. 3D-tulostusvaiheessa voidaan apuna my¨os k¨ayt- t¨a¨a 3D-skanneria, jota k¨aytet¨a¨an erityisesti massaprojekteissa valmistusprosessin no- peuttamiseksi [4].

Tietokoneavusteisia suunnitteluohjelmia l¨oytyy markkinoilta monia erilaisia, se- k¨a ilmaisia ett¨a maksullisia. Esimerkkein¨a aloittelijoille erilaisista suunnitteluohjel- mista ovat TinkerCad, FreeCAD, Autodesk ja AutoCAD Fusion 360, jota t¨ass¨a tut- kielmassa k¨aytet¨a¨an [5]. Yrityksiss¨a ja teollisuudessa tietokoneavusteisista ohjelmis- ta AutoCAD-ohjelmiston lis¨aksi k¨aytet¨a¨an SolidWorks-, Catia- ja Creo-ohjelmistoja [6]. Kappaleen suunnittelumalli voidaan tallentaa suunnittelun lopuksi erilaisiin tie- dostomuotoihin, joita ovat esimerkiksi .stl-, .obj-, .amf- ja .3mf-tiedostomuodot [7].

T¨ass¨a tutkielmassa suunniteltu malli tallennetaan .stl-tiedostomuotoon.

Mallintamisen j¨alkeen 3D-tulostusprosessissa seuraavana tulee tuotteen tulosta- misen tulostusalustalle. Tulostusteknologioita on erilaisia, joita esitet¨a¨an t¨ass¨a tut- kielmassa my¨ohemmin. Kappaleen tulostuminen ei ole aina yksinkertaista, sill¨a tu- lostamisprosessin aikana saattaa ilmet¨a erilaisia ongelmia liittyen erityisesti tutkiel- massakin k¨aytettyyn .stl-tiedostomuotoon. .Stl-tiedostomuodolle on ominaista kuva- ta mallinnettu digitaalinen kappaleen pinta CAD-ohjelmalla niin kutsuttuina ”kol- mioverkkoina”. N¨am¨a kolmioverkot muodostuvat kolmesta eri elementist¨a; pisteist¨a, pisteiden v¨alisist¨a reunoista (edges) ja n¨aiden muodostamista pinnoista, joihin on- gelmat yleens¨a kohdistuvat [8]. Viisi yleisint¨a virhett¨a muunnettaessa suunnittelu- malli .stl-tiedostoksi tietokoneohjatusta suunnitteluohjelmasta ovat rei¨at tai aukot kolmioiden verkossa, yl¨osalaisin k¨a¨antyneet kolmioiden normaalivektorit, yhdistyv¨at tai p¨a¨allekk¨aiset kolmiot, huonot reunat tai mallin ulkopuolisien kerroksien aiheut- tamat h¨airi¨ot (noise shells) [8].

3D-tulostusprosessin muotoutuessa halutuksi, on tulostusvaiheessa t¨arke¨a ottaa huomioon tiettyj¨a parametrej¨a, joita ovat esimerkiksi kerrospaksuus,x−y-resoluutio ja reunojen pehmennys (spatial anti-aliasing). 3D-tulostimilla tulostettu kerrospak- suus vaihtelee tulostimittain noin 16 µm:st¨a 330 µm:iin, mist¨a tyypillisin on 100 µm [9]. Resoluutio kuvaa tulostimen suuttimen pienint¨a liikett¨a x−y -suunnassa yhdess¨a kerroksessa. Mit¨a pienempi resoluutio on, sit¨a tarkempi yleisesti ottaen on

ty¨on lopputulos. Resoluution yksikk¨on¨a k¨aytet¨a¨an joko dpi:¨a (dots per inch) tai mik- rometri¨a. Avaruudellista reunojen pehmennyst¨a k¨aytet¨a¨an tulostimissa suunnittelun aikana aiheutuneen piksel¨oitymisen pehment¨amiseksi [10].

3D-tulostusprosessin viimeinen j¨alkik¨asittelyn vaihe tulee kappaleen tulostami- sen j¨alkeen, mink¨a tarkoituksena on saada tulostuksessa ilmenneet ep¨atasaisuudet korjattua. Eri j¨alkik¨asittelymenetelmi¨a k¨asitell¨a¨an tarkemmin t¨am¨an luvun lopussa (2.3).

2.2 3D-tulostusteknologiat

T¨ass¨a kappaleessa k¨asitell¨a¨an olemassaolevia 3D-tulostusprosesseja ja -teknologioita.

Tutkielmassa k¨aytettyjen 3D-tulostusteknologioiden (FFF:n, SLA:n ja Luxexcel:n Printoptical-teknologia:n) toiminnat esitet¨a¨an luvussa tarkemmin. Kyseisiin tulos- tusteknologioihin perustuvat tulostimet esitet¨a¨an my¨ohemmin 4.1.

Yleisesti erilaiset 3D-tulostusteknologiat ovat kategorisoitu tietyn 3D-tulostuspro- sessin alle, ja yhden 3D-tulostusprosessin alle voi kuulua monta erilaista teknologi- aa [11]. Taulukossa2.1on esitetty maailmalla k¨aytettyj¨a 3D-tulostusteknologioita ja -prosesseja.

Taulukko 2.1

3D-tulostusprosesseja ja -teknologioita. [12]

3D-tulostusprosessi 3D-tulostusteknologia

Materiaalin pursotus FFF

Nesteen polymerointi

SLA DLP LCD Sideaineruiskutus Sideaineruiskutus Materiaaliruiskutus Materiaaliruiskutus

DOD Jauhepetimenetelm¨a metalleille

DMLS SLM EBM Jauhepetimenetelm¨a polymeereille SLS

3D-tulostusprosesseista materiaalin pursotuksesta, nesteen polymeroinnista ja ma- teriaaliruiskutuksesta kerrotaan tutkielmassa tarkemmin my¨ohemmin k¨aytettyjen FFF-, SLA- ja Luxexcel:n Printoptical-teknologioiden my¨ot¨a. Muita 3D-tulostuspro- sesseja edell¨a mainittujen lis¨aksi ovat sideaineruiskutus (binder jetting) ja jauhepeti- menetelm¨a (powder bed fusion) sek¨a metalleille ett¨a polymeereille. Sideaineruiskutus- prosessin alle kuuluvat sek¨a metallin ett¨a hiekan sideaineruiskutus -teknologiat (me- tal binder jetting, sand binder jetting). Polymeerien jauhepetimenetelm¨an alle kuu- luu ainoastaan SLS-teknologia (selective laser sintering), kun taas metallien jauhe- petimenetelm¨a pit¨a¨a sis¨all¨a¨an useita teknologioita. N¨am¨a teknologiat ovat nimel- t¨a¨an DED (directed energy deposition), DMLS (direct metal laser sintering), SLM (selective laser melting) ja EBM (electrom beam melting). Metallien jauhepetime- netelm¨ass¨a materiaaleina k¨aytet¨a¨an yleens¨a metallijauheista alumiinia, titaania tai ruostumatonta ter¨ast¨a. [11]

2.2.1 Pursotustekniikka

Kirjallisuutta tarkasteltaessa pursotustekniikat (FFF, fused filament fabrication ja FDM, fused deposition modeling) tarkoittavat samaa 3D-tulostusmenetelm¨a¨a. Pur- sotustekniikka kuuluu materiaalipursotuksen (material extrusion) 3D-tulostusproses- sin alle. Pursotusmenetelm¨ass¨a tulostusprosessi alkaa termoplastisen muovin johta- misella tulostusp¨a¨ah¨an jatkuvana tulostuslankana (filamenttina), jonka paksuus on tyypillisesti joko 1.75 mm tai 2.85 mm [13]. Prosessin seuraavassa vaiheessa t¨am¨a filamentti sy¨otet¨a¨an kuuman suuttimen l¨api, josta se pursottuu tulostuslustalle ku- van2.1 mukaisesti. T¨am¨an j¨alkeen filamentti kovettuu kerros kerrokselta haluttuun muotoon [13].

Kuva 2.1: FFF:n toimintaperiaate.

Pursotusmenetelm¨a on maailmanlaajuisesti, erityisesti toimistoymp¨arist¨oss¨a, yksi suosituimmista 3D-tulostusmenetelmist¨a. Menetelm¨an hy¨otyihin kuuluu esimerkiksi tulostimien helppok¨aytt¨oisyys ja yll¨apito, mik¨a tukee menetelm¨an suosiota. Mui- ta hy¨otyj¨a ovat muun muassa tulostimien komponenttien edulliset k¨aytt¨o- ja yl- l¨apitokustannukset, materiaalivalikoiman monipuolisuus, sek¨a voimakkaiden kemi- kaalien k¨aytt¨am¨att¨omyys. Voimakkaiden kemikaalien k¨aytt¨am¨att¨omyys on ehdot- tamasti suuri etu verrattuna esimerkiksi stereolitografiaan, jossa niit¨a joudutaan k¨aytt¨am¨a¨an. Pursotusmenetelm¨an haittapuolena voidaan mainita, ett¨a kerrosrajat erottuvat selke¨asti ilman j¨alkik¨asittely¨a. T¨am¨a voi johtua monestakin eri syyst¨a, kuten tulostusalustan v¨a¨ar¨ast¨a l¨amp¨otilasta, huonosta filamentin laadusta, suuresta kerrospaksuudesta ja suuttimen koosta tai ylipursotuksesta. [13,14]

FFF-menetelm¨ass¨a filamentin materiaalina k¨aytet¨a¨an monenlaisia muovimateri- aaleja, joista esimerkkein¨a polypropeeni (PP), polyvinyyliasetaatti (PVA), akryyli- nitriilibutadieenistyreeni (ABS) ja polylaktidi (PLA) [15]. Uutena materiaalina FFF- menetelm¨a¨an k¨aytett¨av¨aksi tuli Polymaker-yrityksen toimesta toukokuussa 2016 markkinoille lanseerattu PolySmooth-filamentti, joka on tehty polyvinyylibutyraa- lista (PVB). PolySmooth:n etu muihin perinteisiin filamentteihin on merkitt¨av¨a, sil- l¨a PVB:n alkoholiliukoisuuden ansiosta se liukenee my¨ohemmin esitellyn Polysher- laitteessa (2.3.3) k¨aytetyn isopropanoliin samalla silottaen 3D-tulostusprosessissa muodostuneita kerrosten v¨alisi¨a eroja. PolySmooth-filamentin paksuus poikkeaa hie- man tyypillisist¨a FFF-menetelm¨ass¨a k¨aytetyist¨a filamenttien paksuuksista ollen 2.75 mm. N¨aiden lis¨aksi PolySmooth:lla on selke¨asti parempi paineensietoresistanssi ver- rattuna perinteisiin ABS- tai PLA-materiaaleihin. [16]

FFF-teknologiaan perustuvien 3D-tulostimien t¨arkeimm¨at komponentit on esi- telty kuvassa2.2. 3D-tulostimen t¨arkeimpiin komponentteihin voidaan lukea lineaa- rinen robotti, termoplastinen puristin, tulostusalusta, kehys ja virtakatkaisimet [17].

Kuva 2.2: FFF-tulostimen t¨arkeimpi¨a komponentteja.

Lineaarinen robotti ja lineaarinen liike

Lineaarinen robotti on yksi 3D-tulostimen keskeisimmist¨a osista, jota tietokoneavus- teinen suunnitteluohjelma ohjaa. Nimens¨a mukaisesti lineaarista robottia liikutetaan koordinaattien mukaan jokaiseen x-, y- ja z-koordinaatin suuntaan. Robotti sis¨al- t¨a¨a pieni¨a moottoreita, joiden avulla robottia liikutetaan t¨asm¨allisesti ja tarkasti.

Robottia liikuteltaessa puhutaan askeleesta, jolloin robottia saadaan tulostuksessa kierretty¨a akselinsa suhteen tyypillisesti noin 1.8 astetta. N¨am¨a askeleet on linkitetty vastaamaan 3D-tulostimelle vastaavaa resoluutiota. [17]

3D-tulostimen lineaarinen liike ja lineaarinen robotti ovat vahvasti yhteyksis- s¨a toisiinsa. Lineaarinen liike on tulostimen toimintakyvyn kannalta todella t¨arke¨a mittari. Tulostimen lineaarinen liike paljastaa asioita tulostimen laadusta, sill¨a tu- lostuksen tehokkuus, t¨asm¨allisyys ja nopeus tulevat usein esiin liikkeen avulla. Line- aarinen liike saa my¨os esiin tulostimen yll¨apitoon liittyvi¨a ongelmia. Jos tulostinta ei ole huollettu asianmukaisesti, niin todenn¨ak¨oisesti tulostimen liike ei ole sujuvaa ja sit¨a my¨oten tulostimen pitk¨aik¨aisyys k¨arsii. [17]

Termoplastinen puristin

Kuvassa2.3on esitettyn¨a termoplastinen puristin, joka on 3D-tulostimen toinen kes- keisimmist¨a komponenteista. Sen teht¨av¨an¨a on yhdess¨a robotin kanssa saada tulos- timessa k¨aytetty materiaali puristettua tulostusalustalle. Termoplastinen puristin koostuu kahdesta p¨a¨akomponentista, materiaaliajurista ja l¨amp¨op¨a¨ast¨a tai l¨amp¨o- kammiosta. Materiaaliajurin teht¨av¨an¨a on ohjata materiaali kohti l¨amp¨op¨a¨at¨a vaih- teistomoottoroidun mekanismin avulla. Vaihteistomoottori sis¨alt¨a¨a moottorin ja pie- ni¨a rattaita, jotka takaavat riitt¨av¨an suuren voiman ohjatakseen materiaalin l¨amp¨o- p¨a¨at¨a kohti. [17]

Kuva 2.3: Termoplastinen puristin sis¨alt¨aen materiaaliajurin ja l¨amp¨op¨a¨an.

Termoplastisen puristimen toinen t¨arke¨a osa, l¨amp¨okammio, on eristetty muista ter- moplastisen puristimen komponenteista. Sen eristysmateriaalina k¨aytet¨a¨an yleens¨a alumiinia, jonka sis¨all¨a l¨ammitysydin sijaitsee. L¨amp¨okammion teht¨av¨an¨a on yk- sinkertaisesti tulostusmateriaalin sulatus tulostusalustalle. Yleens¨a l¨amp¨okammion sulatusl¨amp¨otila vaihtelee materiaalista riippuen 170^◦:n ja 320^◦:n v¨alilt¨a [17,18].

Tulostusalusta

Termoplastisen puristimen ja lineaarisen robotin lis¨aksi tulostusalusta on yksi t¨ar- keimmist¨a 3D-tulostimen osista FFF-menetelm¨ass¨a, sill¨a siihen lopulta suunniteltu kolmiulotteinen kappale rakentuu. Tulostusalustan sivun koko vaihtelee tulostimit- tain, tyypillisesti noin (200 mm - 260 mm) ·(200 mm - 260 mm) :n v¨alilt¨a. [19]

Kappaleen tulostuminen alustalle vaatii tulostusalustalta tiettyj¨a ominaisuuksia.

Yksi tulostusalustan t¨arkeimmist¨a ominaisuuksista on est¨a¨a kappaleen aiheuttamia v¨a¨annelmi¨a ja halkeamia alustaan sen j¨a¨ahtyess¨a. Toinen t¨arke¨a tulostusalustan omi-

naisuus on lis¨at¨a alustan ja materiaalin kiinnittymist¨a toisiinsa paremmin, ettei kap- pale irtoaisi tulostuksen aikana. L¨ammitett¨av¨an tulostusalustan materiaalina k¨ayte- t¨a¨an tasaisen l¨amm¨on levi¨amisen vuoksi, sek¨a tasaisen ett¨a pehme¨an lopputuloksen takaamiseksi l¨amp¨o¨a johtavaa materiaalia, yleisesti joko lasia tai alumiinia. [17].

Kehys ja virtakatkaisimet

3D-tulostimen kehys on yksinkertaisuudessaan 3D-tulostimen yksi t¨arkeimmist¨a osis- ta. Sen koon avulla pystyt¨a¨an mahdollistamaan tulostettavan kappaleen erilaiset suunnitteluvaihtoehdot. Kehyksen t¨arkeimp¨an¨a ominaisuutena voidaan pit¨a¨a sen j¨a- m¨akkyytt¨a, sill¨a t¨am¨an tuen ansiosta esimerkiksi lineaarinen robotti olisi v¨ahemm¨an lineaarinen tulostusprosessisssa esiintyvien t¨arin¨oiden ja v¨a¨antyilyjen takia. [20]

Muista 3D-tulostimen komponenteista virtakatkaisimet on syyt¨a mainita. Jokai- selle kartesiolaiselle koordinaatille on olemassa oma virtakatkaisijansa ja jokaisen vir- takatkaisimen avulla m¨a¨aritet¨a¨an referenssisysteemi jokaiselle akselille. Virtakatkai- simien yksi t¨arkeimmist¨a rooleista on tulostimien laitteistovaurioiden ehk¨aiseminen.

Virtakatkaisimet sijaitsevat yleens¨a 3D-tulostimen akseleiden takaosissa est¨a¨akseen ja tunnistaakseen mahdollisten tulostimen fyysisien rajojen ylitykset. Virtakatkai- simet jaetaan sek¨a laitteisto-, ett¨a ohjelmistovirtakatkaisimiin, joista yleisimm¨at ja k¨aytetyimm¨at ovat laitteistovirtakatkaisimia [21]. Kuvassa2.4 yleisimm¨at laitteisto- virtakatkaisimet ovat esitettyin¨a.

Kuva 2.4: Yleisimm¨at virtakatkaisimet 3D-tulostimissa vasemmalta oikeal- le: mikrokatkaisin, optinen katkaisin ja magneettinen Hall-katkaisin.

2.2.2 Stereolitografia

Stereolitografia eli SLA poikkeaa monin tavoin toimintaperiaatteiltaan FFF-menetel- m¨ast¨a. Stereolitografiassa valmistusmateriaalina k¨aytet¨a¨an fotopolymeerej¨a (resii- ni¨a) [11]. Prosessissa k¨aytetty resiini kaadetaan tulostusaltaaseen, jossa my¨os tulos- tusalusta sijaitsee. Fotopolymeerit kovetetaan menetelm¨ass¨a tulostusalustalle k¨ayt- t¨aen UV-laseria, jonka valopiste kohdistetaan usean pienen peilin kautta tulostusa- lustaan. N¨ait¨a UV-laserin kohdistuksessa k¨aytett¨avi¨a pieni¨a peilej¨a ohjataan me- netelm¨ass¨a pienill¨a moottoreilla, joita kutsutaan galvanometreiksi. Galvanometrit eroavat muista moottoreista siten, ett¨a sen mahdollistaman silmukan takaisinkyt- kenn¨an ansiosta galvanometri pystyy eritt¨ain nopeaan ja tarkkaan liikkeeseen. Tu- lostusalustaa nostetaan altaasta prosessin edetess¨a jokaisen kerroksen j¨alkeen ja t¨a- m¨a toistuu siihen asti kunnes kappale on valmis. Stereolitografiaan perustuvissa tulostimissa tulostuskapppale vaatii l¨ahes aina tukipilareiden valmistamista tulos- tusalustaan varmistaakseen kappaleen kiinnittymisen [22]. Kuvassa 2.5 on esitetty stereolitografian toimintaperiaate. [13,23]

Kuva 2.5: SLA:n toimintaperiaate.

Stereolitografia on yksi nesteen polymeroinnin 3D-tulostusprosesseista. Nesteen po- lymeroinnin tulostusprosessin alle kuuluvat my¨os DLP (direct light processing) ja LCD (LCD-n¨aytt¨o¨on perustuva resiinin kovettamisprosessi). Kaikki nesteen poly- merointi -teknologiat ovat siin¨a suhteessa samanlaisia, sill¨a jokaisessa k¨aytet¨a¨an va- laisuna UV-valaisua. Suurin ero n¨aiden teknologioiden v¨alill¨a on se, ett¨a SLA:ssa resiini kovetetaan UV-laserilla piste pisteelt¨a, kun taas DLP- ja LCD-teknologioissa resiini kovetetaan koko kerros kerrallaan joko DLP- tai LCD-teknologian UV-ledein varustetuilla projektoreilla [24]. Kuvassa2.6 Nesteen polymerointi -teknologioiden erot ovat esitettyn¨a.

Kuva 2.6: Nesteen polymerointi -teknologioiden erot.

Kuten kaikilla muillakin 3D-tulostusteknologioilla, on stereolitografialla my¨os eri- laisia haitta- ja hy¨otyn¨ak¨okulmia. Yhten¨a hy¨otyn¨ak¨okulmana voidaan pit¨a¨a sit¨a, ett¨a SLA:lla valmistetut tuotteet kelpaavat moniin eri k¨aytt¨otarkoituksiin. SLA:lla pystyt¨a¨an tuottamaan hyv¨a¨an pinnanlaatuun ja tarkkoihin yksityiskohtiin tulos- tettuja kappaleita. Esimerkiksi stereolitografiaa verrattaessa FFF-menetelm¨a¨an ja Printoptical-teknologiaan, FFF-menetelm¨ass¨a kerrospaksuus on yleens¨a noin 100 µm:n luokkaa ja Printoptical-teknologiassa tulostuspisaran levi¨amisen ansiosta noin alle 1 µm:n luokkaa. T¨ah¨an nojaten SLA:lla p¨a¨ast¨a¨an noin 10 µm:n suuruusluok- kaan. Joten verrattuna perinteiseen FFF-menetelm¨a¨an SLA-teknologiassa p¨a¨ast¨a¨an tarkempiin yksityiskohtiin.

Stereolitografialla on kappaleiden valmistuksen suhteen lukuisia haittapuolia. En-

siksi, materiaaleja ei ole turvallista k¨aytt¨a¨a ilman suojavarusteita ja materiaalit ovat usein ep¨amiellytt¨av¨an hajusia. Toiseksi, valmistetut kappaleet t¨aytyy j¨alkikovettaa UV-kammiossa ja resiinit ovat hankalia puhdistaa pinnoista. Kolmanneksi, tukira- kenteet ovat prosessissa pakollisia ja niiden poistamiseen kuluu aikaa. Tukirakenteet ovat tehty samasta materiaalista mist¨a itse kappale, sill¨a kahden materiaalin tulos- teet eiv¨at onnistu SLA:lla. T¨am¨a onkin yksi suurimmista rajoitteista t¨all¨a menetel- m¨all¨a. Tukimateriaalit j¨att¨av¨at usein my¨os j¨aljet tulostettuun kappaleeseen, mik¨a vaatii kappaleelle j¨alkik¨asittely¨a. [13]

Markkinoilla on tarjolla erilaisia nesteen polymerointi -teknologian alle perustu- via 3D-tulostinmerkkej¨a. Tulostimien hintatasoon vaikuttaa eniten tulostusnopeus, resoluutio ja tulostustilavuus. Pieni kerrospaksuus yleens¨a takaa tarkimman loppu- tuloksen, mutta nopea tulostus ei v¨altt¨am¨att¨a aina takaa parasta lopputulosta [25].

Yleisimpi¨a nesteen polymerointi -teknologialla toimivia 3D-tulostinmerkkej¨a ovat pienen budjetin Sparkmaker, Anet N4 ja Elegoo Mars. Isomman budjetin tulosti- mien valmistajia ovat esimerkiksi Peopoly, Uniz, Zortrax, Formlabs ja Prusa. [24]

2.2.3 Pietsos¨ahk¨omustetulostus

Tutkielmassa k¨aytetty Luxexcel:n Printoptical-teknologia perustuu mustesuihkutu- lostukseen (DOD, drop on demand) ja se kuuluu materiaaliruiskutusprosesseihin (MJ, material jetting) [11]. DOD-tulostusteknologia voidaan jakaa sen tulostusp¨a¨an tekniikan mukaan nelj¨a¨an erilaiseen tekniikkaan, joita ovat l¨amp¨omustesuihkutulos- tus (thermal DOD inkjet printing), pietsos¨ahk¨omustetulostus (piezoelectric DOD inkjet printing), elektrostaattinen mustesuihkutulostus (electrostatic DOD inkjet printing) ja akustinen mustesuihkutulostus (acoustic DOD inkjet printing). N¨ais- t¨a yleisimm¨at ja maailmalle eniten k¨aytetyimm¨at ovat pietsos¨ahk¨omustetulostus ja l¨amp¨omustesuihkutulostus [26]. Pietsos¨ahk¨omustetulostus esitet¨a¨an t¨ass¨a tarkem- min, sill¨a siihen perustuu Luxexcel:n kehitt¨am¨a Printoptical-teknologiaa k¨aytt¨av¨a tulostin (2.2.4), jota k¨aytet¨a¨an yhten¨a tulostimena tutkielmassa.

Kuva 2.7: Mikro Piezo -teknologia perustuu painamisohjaimeen, miss¨a sys- teemin edestakainen liike saa mustepisaran irtoamaan.

Pietsos¨ahk¨omustesuihkutulostus perustuu pietsos¨ahk¨oiseen ilmi¨o¨on, miss¨a mustes¨ai- li¨on taakse on sijoitettuna pieni pietsos¨ahk¨oinen kide. T¨ah¨an anisotrooppisesta ma- teriaalista koostuvaan kiteeseen kohdistettu s¨ahk¨ovirta aiheuttaa kiteen muodon- muutoksen aikaansaaden samalla musteen puristumaan suulakkeen l¨api. Pietsos¨ah- k¨omustesuihkutulostus voidaan viel¨a kategorisoida sen suhteen, kuinka eri tavoil- la kide lopulta muuttaa muotoaan erilaisten mekanismien (ohjaimien) avulla. N¨a- m¨a ohjaimet ovat puristusohjain (squeeze actuator), murtumisohjain (shear actua- tor), painamisohjain (push actuator) ja taipumisohjain (bend actuator). Jokaises- sa ohjaimessa j¨annitteen suuruudella vaikutetaan tulostuspisaran suuruuteen [27].

Luxexcel:n kehitt¨am¨ass¨a Printoptical-teknologiassa ohjaimena k¨aytet¨a¨an painami- sohjainta muistuttavaa Epsonin Mikro Piezo -teknologiaa [28], josta seuraavaksi hie- man tarkemmin.

Epsonin Mikro Piezo -teknologia nojautuu painamisohjaimeen, jossa k¨aytet¨a¨an pietsos¨ahk¨oisest¨a materiaalista tehty¨a tappia. Tapin teht¨av¨an¨a on laajentaa v¨aris- tysv¨alikalvoa saaden tulostuspisaran lopulta irtoamaan (Kuva2.7). Teoriassa piet- sos¨ahk¨oisen tappi voi olla kosketuksissa suoraan musteeseen saaden tulostuspisaran irtoamaan, mutta k¨ayt¨ant¨o on osoittanut, ett¨a ilman v¨aristysv¨alikalvoa prosessissa esiintyy turhia vuorovaikutuksia musteen ja painamisohjaimen komponenttien v¨a- lill¨a. V¨aristysv¨alikalvo on t¨ass¨a suhteessa t¨arke¨a osa t¨at¨a teknologiaa, mink¨a avulla

on saatu estetty¨a n¨ait¨a ei-haluttuja vuorovaikutuksia. Epsonin lis¨aksi esimerkik- si yritykset DataProducts ja Trident ovat onnistuneet kehitt¨am¨a¨an samankaltaista teknologiaa k¨aytt¨avi¨a tulostimia. [27,28]

2.2.4 Luxexcel:n Printoptical-teknologia

Hollantilaisen Luxexcel:n, jonka p¨a¨akonttori sijaitsee Goes’ssa, kehitt¨am¨a Printopti- cal-teknologia perustuu2.2.3aikaisemmin esitettyyn Epsonin Mikro Piezo -teknologi- aan. Luxexcel:n kehitt¨am¨a Printoptical-teknologia havainnollistetaan tarkemmin ku- vassa2.8.

Printoptical-teknologia on tuonut ainutlaatuisuudellaan fotoniikkaan uuden ulot- tuvuuden, sill¨a optisten komponenttien valmistukseen ei tarvita teknologiassa min- k¨a¨anlaista j¨alkik¨asittely¨a. Pinnanlaadun heikkous on vaivannut fotoniikan alaa jo pitk¨a¨an, eik¨a erilaisilla tulostus- ja j¨alkik¨asittelymenetelmill¨a ole v¨altt¨am¨att¨a aina saatu haluttuja lopputuloksia. Fotoniikassa pinnanlaadun merkitys on t¨arke¨ass¨a roo- lissa, sill¨a ep¨atasainen pinta aiheuttaa valon osuessa siihen sironnan ja sit¨a kautta laadun heikkenemist¨a. Printoptical-teknologia tuo fotoniikan alalle laatua ja tarjoaa optisten komponenttien pikavalmistusta [29]. Materiaalina optisien komponenttien valmistuksessa k¨aytet¨a¨an Luxexcel:n omaa Lux-Opticlear UV-kovettuvaa polymee- ri¨a [30]. Tutkielmassa k¨aytetty Luxexcel:n valmistama tulostin on esitetty 4.1.3.

Kuva 2.8: Luxexcel:n toimintaperiaate, jossa 1. tulostusalusta, 2. ovat pi- sarat, 3. on LED-valonl¨ahde, 4. on UV-valo, 5. on ensimm¨ainen kerros ja 6.

ovat useampi kerros.

2.3 J¨ alkik¨ asittelymenetelm¨ at

J¨alkik¨asittelyll¨a on suuri merkitys 3D-tulostusprosessin lopputuloksen kannalta. T¨as- s¨a luvussa esitet¨a¨an erilaisia j¨alkik¨asittelymenetelmi¨a, joita FFF- ja SLA-tulostimilla valmistettuja kappaleita varten tutkielmassa tarvitaan. J¨alkik¨asittelymenetelmi¨a on olemassa useita erilaisia, joita ovat muun muassa peseminen, hiominen, lakkaami- nen, v¨arj¨a¨aminen, maalaminen, kiillottaminen, spinnaaminen sek¨a metallilla pinnoit- taminen (sputterointi). T¨ass¨a tutkielmassa j¨alkik¨asittelymenetelm¨at FFF- ja SLA- menetelm¨all¨a valmistettujen kappaleiden tapauksissa ovat m¨ark¨ahiominen, lakkaa- minen, kiillottaminen ja spinnaaminen. Lopuksi n¨aill¨a edell¨a mainituilla menetel- mill¨a k¨asitellyt kappaleet pinnoitetaan hopealla (sputteroidaan).

2.3.1 Hiominen

Hiominen on yksi yleisimmist¨a j¨alkik¨asittelymenetelmist¨a. Paras tekniikka parhaan lopputuloksen saamiseen on k¨aytt¨a¨a erilaisia hiomapapereita, jotka ovat luokiteltu

sen karkeusluvun mukaan. Kun puhutaan karkeusluvuista, puhutaan usein P-arvosta tai Cami-arvosta. Mit¨a suurempi karkeusluku, sit¨a hienojakoisempaa hiomapaperi on ja sit¨a sile¨amp¨a¨a j¨alke¨a hiomapaperi tekee. T¨all¨oin my¨os hiomapaperin raekoko (µm) on pienempi. Tutkielmassa k¨aytettiin hienojakoisia hiomapapereita, joiden Cami- arvo vaihteli 120:n ja 600:n v¨alilt¨a. [31]

Hiomisessa on t¨arkeint¨a olla k¨aytt¨am¨att¨a hiomakoneita, sill¨a niiden t¨arin¨a ai- heuttaa helposti 3D-tulostuskappaleiden sulamista ja rikkoontumista. K¨asin hioessa on syyt¨a my¨os olla varovainen, sill¨a varsinkin voimakkaiden hiomisliikkeiden my¨o- t¨a syntyy l¨amp¨oenergiaa. Paras ratkaisu hiomiseen onkin m¨ark¨apaperi (wet/dry - hiomapaperi), sill¨a sen avulla pystyt¨a¨an hiomisen lis¨aksi viilent¨am¨a¨an tulostuskap- paleen pintaa. Toinen m¨ark¨ahiomisen hyvist¨a puolista on prosessin aikana synty- neiden pienten muovinpalasten leijumisen hillitseminen. M¨ark¨ahiomapaperi erottuu muista hiomapapereista yleens¨a mustasta ulkoasustaan. Hiomisk¨asittelyn j¨alkeen tulostuskappaleesta huuhdotaan syntyneet partikkelit pois parhaan lopputuloksen saamiseksi. [32]

2.3.2 Lakkaaminen

Lakkaaminen on my¨os yksi k¨aytetyimmist¨a j¨alkik¨asittelymenetelmist¨a ja se tehd¨a¨an yleens¨a hiomisk¨asittelyn j¨alkeen. Lakkaamisessa k¨aytet¨a¨an usein mineraali¨oljy¨a tai spraymaalia, joiden ansiosta pystyt¨a¨an t¨aytt¨am¨a¨an 3D-tulostettuun kappaleeseen j¨a¨aneet aukot hiomisprosessin j¨aljilt¨a. Lakkaamista k¨aytet¨a¨an erityisesti mekaanis- ten osien valmistuksessa, sill¨a lakkaaminen voitelee pinnan ja v¨ahent¨a¨a huomattavas- ti kitkaa. Lakkaamisen suosiota tukee yleisesti sen hieno ja tasainen lopputulos. Niin kuin muillakin j¨alkik¨asittelymenetelmill¨a, on lakkauksellakin haittapuolensa. Joskus prosessin aikana ¨oljy tai maali ei aina tartu hyvin lakattavan kohteen pintaan ja se voi aiheuttaa valumaj¨alki¨a kappaleen pintaan. [33]

2.3.3 Kiillottaminen

T¨ass¨a tutkielmassa osa FFF- ja SLA-menetelm¨all¨a valmistetuista kappaleista kiil- lotetaan tulostuksen j¨alkeen. Yleisimm¨at kiillotusmenetelm¨at ovat h¨oyryn k¨ayt- t¨o¨on perustuvalla asetonih¨oyrykiillottamisella (acetone vapour smoothing) ja isopro- panolin (nesteen) k¨aytt¨o¨on perustuvalla Polymaker-yrityksen keksim¨all¨a Polysher- laiteella, jossa nesteen¨a k¨aytet¨a¨an isopropanolia. Polysher-laitteen toiminta perus- tuu laitteen kykyyn tuottaa isopropanoliaerosolia 3D-tulostetun kappaleen pinnan

tasoittamiseksi. Kuvassa2.9 on esitettyn¨a Polysher-laite. Asetonih¨oyrykiillotukseen verrattuna Polysher-laitteella tehty kiillottaminen tapahtuu paljon nopeammin, mi- k¨a tukee menetelm¨an suosiota [16].

Kuva 2.9: Polysher-laite. [34]

2.3.4 Spinnaaminen

Yhten¨a tapana j¨alkik¨asitell¨a on spinnata eli py¨oritt¨a¨a 3D-tulostettua kappaletta li- s¨aten samalla haluttua t¨ayteainetta. Spinnatessa kappale kiinnitet¨a¨an alipaineen avulla n¨aytteenpitimeen, mihin saadaan aikaan alipaine tyhji¨opumpun avulla. Kiin- nityksess¨a merkityksess¨a osassa ovat n¨aytteenpitimess¨a sijaitsevat rei¨at, joiden kaut- ta tyhji¨opumpun imu saavuttaa kappaleen. Kappaleen p¨a¨alle lis¨at¨a¨an tasaisuudesta riippuen pisara tai enemm¨an pinnoitusmateriaalia, jotta se saataisiin py¨orityksell¨a levi¨am¨a¨an tasaisesti joka paikkaan. Mit¨a tasaisempi pinta, sit¨a v¨ahemm¨an pinnoi- tusmateriaalia tarvitaan. Laitettu t¨ayteaine levi¨a¨a keskeisvoiman ansiosta tasaisesti kappaleen p¨a¨alle laitteen py¨oritt¨aess¨a n¨aytett¨a suurella nopeudella. Lopuksi n¨ayte kovetetaan UV-valolla pinnoitusmateriaalin kovettamiseksi. Spinnaamisen j¨alkeen spinnauslaite on syyt¨a puhdistaa huolellisesti seuraavia k¨aytt¨okertoja varten. Ku- vassa2.10 on esitettyn¨a spinnausprosessin kulku.

Spinnausta k¨aytet¨a¨an usein j¨alkik¨asittelymenetelm¨an¨a stereolitografialla valmis- tetuille kappaleille ja pinnoitusmateriaalina k¨aytet¨a¨an usein samaa resiini¨a ohutkal- voefektien v¨altt¨amiseksi. Spinnaamista voi my¨os k¨aytt¨a¨a muille 3D-tulostusmenetel- mill¨a valmistetuille kappaleille, mutta silloin lopputulos ei v¨altt¨am¨att¨a ole haluttu pinnoitusmateriaalin ja valmistusmateriaalin eroavaisuuksien vuoksi.

Kuva 2.10: Spinnausprosessin kulku.

2.3.5 Sputterointi

Sputteroinnissa on kyse ilmi¨ost¨a, jossa mikroskooppiset partikkelit irtoavat mate- riaalin pinnalta, kun materiaalia pommitetaan korkeaenergisill¨a ioneilla (plasmal- la, yleens¨a Argon-ioneilla) [35]. Sputterointilaitteita kutsutaan magnetroneiksi, jos- sa plasma tiivistet¨a¨an n¨aytteen alla sijaitsevien magneettien avulla kappaleen pin- taan. Magnetroneja voi olla joko DC- (direct current) tai RF-magnetroneja (radio frequency). DC-magnetroneissa k¨aytet¨a¨an tasavirtaa ja sen avulla voidaan sputteroi- da vain johtavia materiaaleja, muutoin pintavaraus est¨a¨a uusien ionien saapumisen n¨aytteelle. RF-magnetroneissa k¨aytet¨a¨an vaihtovirtaa, joka oskilloi radiotaajuuksi- la. RF-magnetronien avulla pystyt¨a¨an sputteroimaan s¨ahk¨o¨a erist¨avi¨a (dielektrisi¨a) materiaaleja. Tutkielmassa k¨aytet¨a¨an DC-magnetronia, jonka toimintaperiaate on esitettyn¨a kuvassa 2.11. [36]

Kuva 2.11: DC-magnetroni -sputteroinnin toimintaperiaate.

Luku III

Optiikka

T¨ass¨a luvussa k¨ayd¨a¨an l¨api tarkemmin tutkielman optiseen teoriaan liittyvi¨a aihea- lueita ja mittausosuudessa tarvittavia optisia laitteita. T¨am¨an kappaleen p¨a¨apaino on tutkielman kannalta t¨arkeimmiss¨a optiseen teoriaan liittyviss¨a aihealueissa. Tut- kielmaa varten valmistetaan eri 3D-tulostusmenetelmill¨a tasopeilej¨a, joille tehtyjen mittauksien pohjalta valmistetaan paraboloideja heijastuspeilej¨a optisesta akselista poikkeavaan mittaukseen. K¨asiteltyj¨a optisia k¨asitteit¨a ovat esimerkiksi diffuusi- ja spekulaariheijastus, spektrofotometri, pinnankarheus, paraboloidi heijastuspeili ja py¨ore¨an aukon diffraktio.

3.1 Valon ja materiaalin v¨ alinen vuorovaikutus

Valo vuorovaikuttaa materiaalin kanssa monin eri tavoin. Valon mahdollisia vuoro- vaikutustapoja materiaalin kanssa ovat sironta, heijastus, absorptio, fluoresenssi ja transmittanssi (Kuva3.1).

Kuva 3.1: Erilaiset vuorovaikutusmahdollisuudet valon ja materiaalin v¨alill¨a.

Erilaisten valon ja materiaalin v¨alisien vuorovaikutustapojen suhteellisien irran- dienssien suhtautuminen normitettuna tulevaan irradianssiin ilmenee kaavan (3.1) mukaisesti

R+T +A= 1, (3.1)

miss¨a R on heijastuskerroin, T on transmittanssikerroin ja A on absorbanssikerroin.

Tutkielman mittausosuudessa tarkastellaan valon ja materian mahdollisista vuoro- vaikutuksista heijastuksia (diffuusi -ja spekulaariheijastusta), joita mitataan spekt- rofotometrill¨a (kts. kappale 4.2.1). Reflektanssi eli heijastus m¨a¨aritet¨a¨an heijastu- neen valon irradianssin ja kokonaisirradianssin suhteena kaavan (3.2)

R= I_r

I_i (3.2)

mukaisesti, miss¨a I_r on heijastuneen valon irrandianssi ja I_i on kokonaisirradianssi.

Reflektanssi voi saada arvoja nollan ja yhden v¨alilt¨a.

3.2 Spekulaari- ja diffuusiheijastus

Spekulaariheijastus tapahtuu silloin, kun kohdattavan materiaalin pinta on tasainen.

T¨all¨oin tulevan valons¨ateen tulokulma on yht¨a suuri kuin sen heijastuskulma pin-

nan normaaliin n¨ahden. Diffuusiheijastus tapahtuu sen sijaan silloin, kun kappaleen pinta on ep¨atasainen. Diffuusiheijastuksen tapauksessa valo voi heijastua sattuman- varaisesti mihin suuntaan tahansa. (kuva 3.2). [37]

Kuva 3.2: Ero spekulaari -ja diffuusiheijastuksen v¨alill¨a.

3.3 Pinnankarheus

Pinnankarheudella tarkoitetaan kappaleen pinnalla esiintyvi¨a ep¨atasaisuuksia, kuten 3D-tulostuskappaleen valmistuksen aikana muodostuneita muotovirheit¨a, naarmuja ja kohoumia. Pinnankarheus m¨a¨aritell¨a¨an my¨os hajontana pinnan normaalivektorin suunnassa, jota kuvaa parametri R_a. R_a m¨a¨aritet¨a¨an aritmeettisena keskiarvona kaavan (3.3)

R_a = 1 n

n

∑︂

i=1

y_i (3.3)

mukaisesti, miss¨a y_i on poikkeama pinnan normaalivektorin suunnassa ja n on da- tapisteiden m¨a¨ar¨a. Mit¨a suurempiR_a-arvo on, sit¨a karheampi pinta on [38].

3.4 Paraboloidi heijastuspeili

Tutkielmassa tasopelien lis¨aksi valmistettiin paraboloideja heijastuspeilej¨a tasopei- leille tehtyjen mittausten perusteella. Optiikan n¨ak¨okulmasta paraboloidilla heijas- tuspeilill¨a ker¨at¨a¨an valoa sen rakenteen avulla [39]. Tutkielmassa tehtiin optises- ta akselista poikkeava (off-axis) mittaus, jonka avulla saatiin helpommin erotettua heijastuss¨ateiden fokus verrattuna optisen akselin mukaiseen (on-axis) mittaukseen

(kuva 3.3).

Kuva 3.3: Optisesta akselista poikkeavan (vasemmalla) mittauksen ero op- tisen akselin suuntaiseen (oikealla) mittaukseen paraboloidilla heijastuspeilil- l¨a.

3.5 Py¨ ore¨ an aukon diffraktio, spatiaalinen resoluutio ja puo- liarvoleveys

Airy-kuvio (Airy disk), joka on nimetty sen keksij¨an George Biddell Airyn mu- kaan, on seurausta py¨ore¨an aukon diffraktiosta. Airy-kuviolla tarkoitetaan parhai- ten fokusoitua valospottia, jonka valo pystyy diffraktiorajoitetusti muodostamaan kulkiessaan py¨ore¨an apertuurin sis¨alt¨av¨an ideaalisen linssin l¨api. Diffraktiorajoite- tulla linssill¨a tarkoitetaan sit¨a, ett¨a apertuurin l¨api kulkevan valon muodostaman diffraktiokuvion keskimaksimin leveys rajoittaa linssin resoluutiota. T¨am¨a n¨akyy esimerkiksi kohdistusvirhein¨a linsseiss¨a [40]. Py¨ore¨an aukon diffraktioon vaikuttaa my¨os Rayleighin kriteeri, jonka mukaan kahden hyvin l¨ahell¨a toisiaan olevien esi- neiden diffraktiosta muodostuneet kaksi kuvaa voidaan m¨a¨aritt¨a¨a tilanteessa, jolloin toisen diffraktiokuvion maksimi kohtaa toisen diffraktiokuvion minimin [40]. T¨ah¨an perustuu py¨ore¨an aukon diffraktion mukainen pienimm¨an kulmaerotuksen kaava,

sin(θ)≈1.22λ

d, (3.4)

jolloin kaksi objektia voidaan erottaa toisistaan.

Kaava (3.4) nojautuu seuraavaksi esitettyyn Airy-kuvion intensiteetin kaavaan, jo- ka perustuu Fraunhoferin diffraktiokuvioon. Fraunhoferin diffraktiokuvio on taas Fourier-muunnos py¨ore¨an aukon diffraktiosta. Airy-kuvion intensiteetti noudattaa kaavaa

I(θ) =I₀

(︃2J₁(kasin(θ) kasin(θ)

)︃

, (3.5)

jossaJ₁(x=kasin(θ)) on Besselin 1. asteen funktio, a on apertuurin s¨ade,k = 2π/λ, sin(θ) = q/R, miss¨a R on kuvan et¨aisyys apertuurista ja q on radiaalinen et¨aisyys optisesta akselista tarkkailukohtaan. [41]

Puoliarvoleveydell¨a tarkoitetaan v¨alimatkaa kahden pisteen v¨alill¨a, jotka sijat- sevat funktion maksimiarvon vastakkaisilla puolilla kohdissa, jossa funktion arvo on puolet maksimiarvosta. Puoliarvoleveys esitet¨a¨an tutkielmassa, sill¨a se on yksi keino laskea py¨ore¨an aukon diffraktiokuviosta seuranneen valon spotin koko. Puo- liarvoleveys on esitettyn¨a kuvassa 3.4. Kappaleessa 5.4 perehdyt¨a¨an tutkielmassa tarvittuihin laskuihin tarkemmin. [42]

Kuva 3.4: Puoliarvoleveyden m¨a¨aritelm¨a.

Referenssipeilin valospotin teoreettinen ensimm¨ainen minimikohta kertoo mittauk- sen mittasuhteista. Minimikohta saadaan Kaavan 3.6 mukaisesti, jonka mukaan va- lon edetess¨a apertuurin l¨api minimi l¨oytyy kohdasta [41]

q₁ = 1.22λ

d ·f, (3.6)

jossaλ on valonl¨ahteen aallonpituus, d on apertuurin halkaisija jaf on peilin polt- tov¨ali.

Spatiaalisen resoluution (erotuskyvyn) avulla voidaan m¨a¨aritt¨a¨a pienin kohde, mink¨a sensori voi erottaa ymp¨arist¨ost¨a¨an. Spatiaalisella resoluutiolla tarkoitetaan my¨os pienint¨a et¨aisyytt¨a, jolla vierekk¨aiset kohteet erottuvat toisistaan. [43]

Luku IV

Laitteet

T¨ass¨a kappaleessa esitet¨a¨an tutkielmassa k¨aytetyt 3D-tulostimet ja mittauslaitteet.

Mittauslaitteista esitet¨a¨an spektrofotometri ja mekaaninen profilometri.

4.1 3D-tulostimet

T¨ass¨a kappaleessa esitet¨a¨an tutkielmassa k¨aytetyt 3D-tulostimet. N¨am¨a tulostimet ovat nimelt¨a¨an Ultimaker 3, Anycubic Photon sek¨a Luxexcel.

4.1.1 Ultimaker 3

Ultimaker-tulostimien toiminta perustuu FFF-tulostusprosessiin, joka on kuvattu kappaleessa 2.2.1. Ultimaker-tulostimia valmistava yritys perustettiin vuonna 2011 Alankomaissa. Sen toiminta on nyky¨a¨an t¨aysin keskittynyt Yhdysvaltoihin. T¨all¨a hetkell¨a heid¨an tuotantoonsa kuuluu malleja, joita ovat esimerkiksi Ultimaker S5, Ultimaker S5 Pro Bundle, Ultimaker 3, Ultimaker S3, Ultimaker 2+ ja Ultimaker 2+

Extended. Maailmanlaajuisesti eniten k¨aytetty ohjelmisto Ultimaker-tulostimille on Cura. T¨ass¨a tutkielmassa k¨aytettiin Ultimaker:n tulostusmalleista Ultimaker 3:sta (kuva4.1), jonka ohjelmistona k¨aytet¨a¨an Cura-ohjelmistoa. Ultimaker 3:n tulostus- tilavuus on 197 mm × 215 mm × 200 mm. Resoluutio on 20 µm:st¨a yl¨osp¨ain ja tulostusl¨amp¨otila on 280 asteeseen asti. Painoa laitteella on 10.6 kg. [44]

Kuva 4.1: Tutkielmassa k¨aytetty FFF-tulostusprosessiin perustuva Ultima- ker 3 -tulostin.

4.1.2 Anycubic Photon

Tutkielmassa k¨aytetty LCD-tulostusprosessiin perustuva tulostin on Anycubic Pho- ton. Anycubic Photon -tulostimen (kuva 4.2) x−y -resoluutio on 47 µm, tulostus- nopeus on 20 mm/h ja tulostustilavuus on 115 mm × 65 mm × 155 mm. Painoa laitteella on n. 6.6 kg. [45]

Kuva 4.2: Tutkielmassa k¨aytetty stereolitografiaan perustuva Anycubic Photon -tulostin.

4.1.3 Luxexcel

Tutkielmassa k¨aytetty kolmas 3D-tulostin perustuu 2.2.4 esitettyyn Printoptical^⃝c -teknologiaan, jonka on valmistanut hollantilainen Luxexcel. Kuvassa 4.3 on esitet- tyn¨a Luxexcel:n malli 3D-tulostimesta. Luxexcel-tulostin on lisensoitu It¨a-Suomen yliopiston k¨aytt¨o¨on ja se on tehty mittatilausty¨on¨a [46].

Kuva 4.3: Tutkielmassa k¨aytetty Luxexcel:n valmistama 3D-tulostin.

4.2 Mittauslaitteet

T¨ass¨a kappaleessa kerrotaan tarkemmin tutkielmassa k¨aytettyj¨a mittauslaitteita.

K¨aytetyn spektrofotometrin nimi on Perkin-Elmer Lambda 18 ja k¨aytetty mekaani- nen profilometri on Mitutoyo Surftest SJ-201.

4.2.1 Spektrofotometri

Spektrofotometri on laite, jonka avulla pystyt¨a¨an m¨a¨aritt¨am¨a¨an valon reklektans- si tai transmittanssi n¨aytteest¨a aallonpituuden funktiona. Spektrofotometrin on toi- miakseen asianmukaisella tavalla t¨aytett¨av¨a joitakin tiettyj¨a vaatimuksia. N¨am¨a vaa- timukset pit¨av¨at sis¨all¨a¨an muun muassa valonl¨ahteen monokromaattisuuden, valon- l¨ahteen laajan jatkuvan spektrin ja eri aallonpituuksien analysoimisen hilan ja rivi- detektorin avulla [47].

Spektrofotometrill¨a voidaan mitata n¨aytteen reflektanssia tai transmittanssia eri- laisilla geometrioilla. Yleisimm¨at CIE:n suosimat geometriastandardit ovat 0^◦/45^◦, D/0^◦ ja 0^◦/D. D:n eli diffuusin sis¨alt¨amiss¨a geometrioissa hy¨odynnet¨a¨an integroivaa pallopintaa n¨aytteen mittaamisessa, mink¨a ansiosta tuleva valons¨ade jakautuu tasai- sesti mittauksen aikana. Tutkielman heijastumismittauksissa k¨aytetyn Perkin-Elmer Lambda 18 -spektrofotometrin geometriana toimi 0^◦/D -geometria valoansalla, jonka avulla saatiin diffuusiheijastus selville. Kuvassa4.4 on esitetty Perkin-Elmer Lamb- da 18:n geometria kokonais- ja diffuusiheijastusmittauksissa. [47]

Kuva 4.4: Perkin-Elmer Lambda 18 -spektrofotometrin geometria a) kokonais- ja b) diffuusiheijastusmittauksissa.

4.2.2 Mekaaninen profilometri

Tutkielmassa 3D-tulostettujen kappaleiden pinnankarheutta mitattiin mekaanisel- la Mitutoyo Surftest SJ-201 -profilometrill¨a, joka on esitettyn¨a kuvassa 4.5. Kar- heusmittarin todella pienen neulamaisen anturin ansiosta pinnanmuodot saatiin selville tutkittavasta kappaleesta eritt¨ain tarkasti. Mitutoyo:n omaa Surftest SJ - tietokoneohjelmistoa hy¨odynnettiin profilometrimittauksessa mittaustulosten saami- seksi.

Kuva 4.5: Mitutoyo Surftest SJ-201 -profilometri.

Luku V

Tulokset

T¨ass¨a luvussa esitet¨a¨an 3D-tulostetut tasopeilit ja paraboloidit heijastuspeilit. T¨a- m¨an luvun p¨a¨apaino on tasopeileille tehtyjen heijastus- ja pinnankarheusmittauk- sien tuloksien havainnollistamisen lis¨aksi paraboloideille heijastuspeileille tehtyjen optisesta akselista poikkeavien mittauksien tuloksien esitt¨amisess¨a.

5.1 Tasopeilit

T¨am¨an tutkielman heijastus- ja pinnankarheusmittauksia varten valmistettiin yh- teens¨a yhdeks¨an erilaisin 3D-tulostus- ja j¨alkik¨asittelymenetelmin 45^◦:n kulmas- sa olevaa tasoa. Tasopeilit valmistettiin 45^◦:n kulmaan, koska kappaleista halut- tiin saada kerrosrajat selke¨ammin esille. Kolme n¨aist¨a valmistettiin Ultimaker 3 -tulostimella ja kuusi Anycubic Photon -tulostimella.

Kuvassa5.1on esitettyn¨a tietokoneavusteisella ohjelmalla (Autodesk Fusion 360:l- l¨a) mallinnettu kalteva taso. Kaltevien tasojen halkaisija oli 25.4 mm ja korkeus oli 20 mm.

Kuva 5.1: Autodesk Fusion 360:lla mallinnettu kalteva taso 45^◦:n kulmassa.

Ultimaker 3 ja Anycubic Photon -tulostimilla valmistettujen yhdeks¨an tason j¨alki- k¨asittelytavat ovat esiteltyin¨a taulukossa5.1. Taulukossa NOA 61 (Norland Optical Adhesive 61) -fotopolymeerill¨a tarkoitetaan polymeeri¨a, jonka taitekerroin kovet- tuessaan UV-valossa vastaa lasin taitekerrointa. OrmoClear-polymeerill¨a tarkoite- taan polymeeri¨a, jonka taitekerroin UV-kovettuessaan vastaa muovin ja lasin sekoi- tusta. Valmistetut tasopeilit ovat esiteltyin¨a Kuvassa 5.2.

Taulukko 5.1

3D-tulostettujen tasopeilien j¨alkik¨asittelytavat.

Tulostin J¨alkik¨asittelytapa Ultimaker 3 K¨asittelem¨at¨on FFF

Ultimaker 3 Kiillotettu FFF

Ultimaker 3 Kiillotettu ja lakattu FFF Anycubic Photon K¨asittelem¨at¨on SLA

Anycubic Photon Hiottu SLA

Anycubic Photon Hiottu ja lakattu SLA Anycubic Photon Spinnattu SLA (NOA-61) Anycubic Photon Hiottu ja spinnattu SLA (NOA-61) Anycubic Photon Hiottu ja spinnattu SLA (OrmoClear)

Kuva 5.2: 3D-tulostetut tasopeilit. Valmistetut tasopeilit pinnoitettiin ho- pealla ohuella (n. 150 nm:n) kerroksella j¨alkik¨asittelyn j¨alkeen. Pinnoitettu hopeakerros oli asetusta hieman korkeampi tasojen kaltevuuden vuoksi. J¨ar- jestys vasemmalta oikealle on k¨asittelem¨at¨on FFF, kiillotettu FFF, kiillotet- tu ja lakattu FFF, k¨asittelem¨at¨on SLA, hiottu SLA, hiottu ja lakattu SLA, spinnattu SLA (NOA-61), hiottu ja spinnattu SLA (NOA-61) ja hiottu ja spinnattu SLA (OrmoClear).

Heijastus- ja pinnankarheusmittauksissa tasopeilej¨a vertailtiin kahteen referenssi- peiliin, jotka olivat tavallinen lasinen tasopeili ja Luxexcel:ll¨a valmistettu tasopei- li. Vertailu kuitenkin k¨aytiin p¨a¨aasiassa lasiseen referenssipeiliin, mist¨a kerrotaan my¨ohemmin tarkemmin. N¨am¨a kaksi peili¨a ovat n¨aytettyn¨a Kuvassa 5.3. Kuvassa n¨akyv¨at hapettumat ja kulumat suojaamattomassa metallikalvossa johtuvat siit¨a, ett¨a kuva on otettu mittausten ja kokeiden j¨alkeen. Lasinen referenssipeili valmis- tettiin, pinnoitettiin hopealla ja mitattiin uudelleen parempien heijastusmittauksien saamiseksi. Tulos parani hiukan ensimm¨aisest¨a, muttei ollut silti sill¨a tasolla mill¨a sen olisi pit¨anyt olla. T¨am¨a johtui siit¨a, ett¨a hopeakalvo ei ollut tarpeeksi puhdas, mik¨a antaa valolle mahdollisuuden absorboitua.

Kuva 5.3: Luxexcel:ll¨a valmistettu referenssipeili ja lasinen referenssipeili, mitk¨a pinnoitettiin hopealla ohuella (n. 150 nm:n) kerroksella.

5.2 Spekulaari- ja diffuusiheijastusmittaukset

Spekulaari- ja diffuusiheijastusmittauksissa n¨aytteet analysoitiin Perkin-Elmer Lamb- da 18 -spektrofotometrill¨a (4.2.1) aallonpituusv¨alill¨a 360-700 nm 1 nm:n v¨alein. Mit- tauksessa n¨akyv¨an valon valonl¨ahteen lis¨aksi spektrofotometri k¨aytti aallonpituusa- lueen alkup¨a¨ass¨a UV-valaisua. Muita mittaukseen vaikuttavia parametrej¨a olivat esimerkiksi kaistanleveys-parametri, joka kertoo kuinka paljon valoa spektrofoto- metri p¨a¨ast¨a¨a n¨aytteeseen vaikuttaen samalla tuloksien spektraaliseen resoluutioon.

Slit-parametria muuttamalla vaikutetaan valoa p¨a¨ast¨av¨a¨an raon kokoon ja mit¨a pie- nempi kaistanleveysarvo, sit¨a korkeampi aallonpituusresoluutio. Spektrofotometri- mittauksen muut asetukset n¨akyv¨at Taulukossa5.2.

Taulukko 5.2

Spektrofotometrimittauksen asetukset.

Asetus Asetuksen arvo

Aallonpituusalue 360-700 nm

Aallonpituuden mittausv¨ali 1 nm

Nopeus 480 nm/min

Kaistanleveys 5 nm

Lamppujen m¨a¨ar¨a 2

Brewsterin kulmaa ei voida metalleille m¨a¨aritt¨a¨a, joten teoreettista heijastusarvoa ei hopealla pinnoitetuille kappaleille voida laskea k¨aytt¨aen Brewsterin kulmaa. T¨al- l¨oin metalleilla puhutaan Pseudo-Brewsterin kulmasta, joka voidaan m¨a¨aritt¨a¨a p- polarisaatiokomponentin minimin avulla ( [48]).

Hopealla pinnoitettujen kappaleiden teoreettinen heijastusarvo voidaan laskea p- polarisaatiokomponentin avulla. S-polarisaatiokomponentille kyseist¨a arvoa ei voida m¨a¨aritt¨a¨a [49]. Nollatulokulmalla s- ja p-polarisaatiokomponenttien v¨alill¨a ei ole eroa, joten heijastuskerroin voidaan laskea kaavan (5.1) mukaan, jolloin

r_p = −n¯²cos(θ_i) +√︁

n¯²−sin²(θ_i) n

¯²cos(θi) +√︁

n¯²−sin²(θi) = 1−n¯²

1 +n¯² (5.1)

Koska metalleilla on kompleksiset taitekertoimet, niinn¯ tulee muotoonn¯ =n_re+in_im. T¨aten kaava (5.1) tulee muotoon

r = 1−(n_r−in_I)

1 + (n_r−in_I) (5.2)

Heijastuskerroin m¨a¨aritell¨a¨an kaavan (5.3) mukaisesti, jolloin

R =|r|² (5.3)

Kaavan (5.3) mukaisesti teoreettiseksi heijastuskertoimeksi saadaan ilman taiteker- toimen ollessa (n₀ = 1) ja hopean kompleksisen taitekertoimen ollessa aallonpituu- della 520 nm (n₁ = 0.2469+3.3424i)(kts. liiteE, miss¨a on MATLAB-koodi komplek- sisille taitekertoimille) ( [49])

R =

(︄1−(0.2469−i·3.3424) 1 + (0.2469−i·3.3424)

)︄2

= 0.922 (5.4)

Kuvassa (5.4) on esitetty heijastuskertoimen riippuvuus aallonpituudesta hopealla pinnoitetulla kappaleilla.

Kuva 5.4: Heijastuskertoimen riippuvuus aallonpituudesta hopealla pinnoi- tetuilla kappaleilla.

Taulukossa 5.3 on esitettyn¨a 3D-tulostettujen tasojen spekulaari-, diffuusi- ja koko- naisheijastuksien keskiarvot aallonpituusalueen yli. Taulukossa 5.3 Rspec on speku- laariheijastus, Rdiff on diffuusiheijastus ja Rtot on kokonaisheijastus. Liittess¨a E on esitettyn¨a MATLAB-koodi heijastuksien laskemiseksi.

Taulukko 5.3

3D-tulostettujen kappaleiden spekulaari-, diffuusi- ja kokonaisheijastukset. Heijas- tukset ovat ilmoitettu mittaustuloksista laskettuina keskiarvoina aallonpituusalueen yli.

3D-tulostettu kappale R_spec R_diff R_tot

Tasopeili (lasi) 0.751 0.002 0.753

K¨asittelem¨at¨on FFF 0.017 0.460 0.477

Kiillotettu FFF 0.670 0.016 0.686

Kiillotettu ja lakattu FFF 0.757 0.012 0.769 K¨asittelem¨at¨on SLA 0.011 0.573 0.584

Hiottu SLA 0.392 0.166 0.558

Hiottu ja lakattu SLA 0.815 0.002 0.817 Spinnattu SLA (NOA-61) 0.680 0.002 0.682 Hiottu ja spinnattu SLA (NOA-61) 0.711 0.003 0.714 Hiottu ja spinnattu SLA (OrmoClear) 0.722 0.001 0.723

Tasopeili (Luxexcel) 0.816 0.001 0.817

Kuvassa 5.5 on esitettyin¨a parhaat kokonaisheijastuksen antavat j¨alkik¨asittelyme- netelm¨at. N¨am¨a j¨alkik¨asittelymenetelm¨at ovat tasopeili, kiillotettu ja lakattu FFF, hiottu ja lakattu SLA, hiottu ja spinnattu SLA (OrmoClear) ja Luxexcel.

Kuva 5.5: J¨alkik¨asittelymenetelm¨at, jotka antoivat parhaat kokonaisheijas- tusarvot heijastusmittauksissa. Kuvasta huomataan, kuinka kaikki kappaleet heijastavat lyhyill¨a aallonpituuksilla huonosti. Lasisen referenssipeilin tu- los j¨a¨a selv¨asti parhaimpien tuloksista (Luxexcel:st¨a ja hiotusta ja lakatusta SLA:sta).

Tuloksia verrataan referenssipeileist¨a p¨a¨as¨a¨ant¨oisesti lasisen referenssipeilin speku- laariheijastusarvoon, sill¨a se on vertailukelpoisin kappale verrattuna Luxexcel:n kap- paleeseen. Luxecel:n kappaleen valmistustapa poikkeaa muista kappaleista, eik¨a n¨ain ollen ole valmistustavaltaan paras kohde vertailuun. Mit¨a l¨ahemp¨an¨a kokonaishei- jastusarvo teoreettista heijastusarvoa, sit¨a ideaalisempana peilin¨a n¨aytett¨a voidaan pit¨a¨a.

Tuloksista huomataan, kuinka k¨asittelem¨att¨omien (SLA sek¨a FFF) tasojen va- lon heijastus oli l¨ahes t¨aysin diffuusiheijastusta. T¨am¨a tarkoittaa sit¨a, etteiv¨at ne pysty toimimaan asianmukaisesti peilein¨a. Muiden tasojen, paitsi hiotun SLA:n, va- lon heijastus oli l¨ahes t¨aysin spekulaariheijastusta. N¨aill¨a n¨aytteill¨a pinnankarheu- den voidaan olettaa olevan huomattavasti pienempi kuin k¨asittelem¨att¨omill¨a tasoil- la. Hiottu SLA oli valmistetuista tasoista v¨alimallin kappale, joka heijastaa valon osittain sek¨a spekulaari- ett¨a diffuusiheijastuksena. Valmistetuista tasoista l¨ahim-

m¨aksi Luxexcel:n peilin teoreettista maksimikokonaisheijastusarvoa p¨a¨asi j¨alkik¨asit- telymenetelmist¨a hiottu ja lakattu SLA, kts. taulukko5.3. Liitteess¨aAon esitettyn¨a n¨aytteiden kokonais- ja diffuusiheijastuksien kuvaajat aallonpituuden funktiona.

5.3 Pinnankarheusmittaukset

Pinnankarheusmittaukset suoritettiin Mitutoyo Surftest SJ-201 -profilometrill¨a (kts.

kappale3.3) 4.8 mm:n matkalta n¨aytteen p¨a¨alt¨a sek¨ax- ett¨ay-suunnassa. Referens- sipeilien tapauksissa tehtiin poikkeus, sill¨a niiden pinnankarheusmittaukset suori- tettiin yhteen suuntaan. Referenssipeileill¨a pinnankarheuden ajateltiin olevan sama kummassakin x- ja y-suunnassa. Pinnankarheusmittauksissa vertailu on tehty la- siseen tasopeiliin. Liitteess¨a B on esiteltyn¨a n¨aytteiden pinnankarheusprofiilit 4.8 mm:n matkalta. Pinnankarheusmittauksen tulokset keskiarvon keskivirheineen ovat esitettyn¨a taulukossa 5.4. Keskiarvon keskivirheeseen tarvittu keskihajonta on las- kettu kaavalla

σ =

√︄

∑︁N

i=1(x_i −x¯)²

N , (5.5)

jossa x¯ on keskiarvo ja N on mittausten lukum¨a¨ar¨a. Keskiarvon keskivirhe on las- kettu kaavalla

s_f = σ

R_a ·δx, (5.6)

jossaσ on keskihajonta, R_a on pinnankarheuden keskiarvo jaδx on pinnankarheus- mittarin tarkkuus (0.01 µm [50]). Keskihajonnan ja keskiarvon keskivirheen laskut ovat esitettyn¨a Liitteess¨aC.

Taulukko 5.4

3D-tulostettujen kappaleiden pinnankarheudet keskiarvon keskivirheineen x- jay- suunnassa. Kaikkien muiden kappaleiden paitsi referenssipeilien tulokset ilmoitettiin sek¨ax- ett¨ay-suunnassa, sill¨a referenssipeileill¨a pinnankarheuden oletettiin olevan sama molemmissa x- jay-suunnissa.

3D-tulostettu kappale R_a (µm) R_ax (µm) R_ay (µm)

Tasopeili (lasi) 0.055±0.001 - -

K¨asittelem¨at¨on FFF - 1.391±0.001 13.672±0.001

Kiillotettu FFF - 0.101±0.001 0.097±0.001

Kiillotettu ja lakattu FFF - 0.185±0.001 0.298±0.001 K¨asittelem¨at¨on SLA - 2.546±0.003 5.153±0.002

Hiottu SLA - 0.221±0.001 0.250±0.001

Hiottu ja lakattu SLA - 0.064±0.001 0.082±0.001 Spinnattu SLA (NOA-61) - 0.087±0.001 0.112±0.001 Hiottu ja spinnattu SLA - 0.039±0.001 0.048±0.001 (NOA-61)

Hiottu ja spinnattu SLA - 0.032±0.001 0.084±0.001 (OrmoClear)

Tasopeili (Luxexcel) 0.013±0.001 - -

Taulukosta 5.4 huomataan, kuinka k¨asittelem¨att¨omill¨a (FFF ja SLA) tasoilla pin- nankarheudet olivat muihin tasoihin verrattuina suurempia. Yleisesti havaitaan, kuinka x-suunnassa kappaleiden pinnankarheus oli pienempi kuin y-suunnassa, mi- k¨a on selitett¨aviss¨a tulostuskerrosten rajapintojen suuntautuneisuutena x-suuntaan.

Kyse x- ja y-suunnan v¨alisiss¨a eroissa on kuitenkin nm:n suuruusluokasta, joten ei voida puhua kovin merkitt¨avist¨a eroista.

Hiotulla SLA:lla ja kiillotetulla ja lakatulla FFF:lla olivat suurimmat pinnankar- heusarvot k¨asittelem¨att¨omien tasojen j¨alkeen. Vertailu k¨ay heijastusmittauksien ta- paan lasiseen referenssipeiliin. Kaikista l¨ahimm¨aksi lasista referenssipeilin arvoa val- mistetuista kappaleista p¨a¨asiv¨at hiotut ja spinnatut SLA:t (NOA-61 ja OrmoClear),

sek¨a hiottu ja lakattu SLA. Pinnankarheusmittauksissa tulokset ovat esitetty kolmen mittauksen keskiarvona, mutta mittavirhett¨a tuloksiin on aiheuttanut kappaleen py- sym¨att¨omyys paikallaan mittauksen aikana profilometrin neulan liikkuessa. Taulu- kostaC.1voidaan p¨a¨atell¨a, ett¨a k¨asittelem¨att¨omill¨a tasoilla keskihajonnat ovat suu- remmat verrattuna muihin n¨aytteisiin. Keskiarvon keskivirheen perusteella kaikkien n¨aytteiden arvot sijoittuvat l¨ahell¨a keskiarvoa (kts. liiteC).

5.4 Off-axis -paraboloidipeilien heijastusmittaus

Yhdeks¨alle erilaiselle 3D-tulostetuille tasopeileille tehtyjen reflektanssi- ja pinnan- karheusmittauksien perusteella (taulukot 5.3 ja 5.4) valittiin paraboloidipeilien hei- jastusmittauksiin nelj¨a erilaista valmistustapaa. Paraboloidien peilien heijastusmit- taukseen valittavien hyvin heijastavien peilien kuului olla heijastusarvoiltaan tar- peeksi suuria ja pinnankarheusarvoiltaan mahdollisimman pieni¨a, jotta heijastusmit- tauksissa kappaleesta heijastuva valons¨ade kohdentuisi tarkasti detektorille. N¨aist¨a nelj¨ast¨a valmistustavasta valikoitui mittaukseen kaksi valmistustapaa, jotka heijas- tivat muihin kappaleisiin verraten parhaiten. N¨am¨a kaksi valmistustapaa olivat hiot- tu ja lakattu SLA sek¨a hiottu ja spinnattu (NOA-61), joita kumpiakin valmistettiin kaksi kappaletta. Loput kaksi kappaletta olivat kaksi huonoiten detektorille kuvan muodostavaa valmistustapaa. N¨am¨a otettiin off-axis -mittaukseen vertailun vuoksi.

N¨am¨a valmistustavat olivat hiottu SLA ja k¨asittelem¨at¨on SLA. Optisesta akselista poikkeavassa mittauksessa oli my¨os mukana referenssikappaleena Thorlabs:n opti- sesta akselista poikkeava paraboloidi peili [51] vertailua varten.

Kuvassa5.6on esitettyn¨a tietokoneavusteisella ohjelmalla (Autodesk Fusion 360:l- l¨a) mallinnettu paraboloidi heijastuspeili mittauksessa. Paraboloidin heijastuspeilin halkaisijan koko oli 25.4 mm ja korkeus oli 30 mm.

Kuva 5.6: Autodesk Fusion 360:ll¨a mallinnettu paraboloidi heijastuspeili off axis -mittauksia varten.

Paraboloidien off-axis -mittauksiin komponenteiksi tarvittiin valonl¨ahde (laser), po- larisaattori laserin valotehon s¨a¨at¨amiseksi, hajottava sek¨a kollimoiva linssi ja Ar- duCam MT9M001 1.3 megapikselin HD CMOS kamera. Off axis -mittauksen kulku on esitetty kuvassa5.7.

Kuva 5.7: Paraboloidipeilien Off axis -mittausj¨arjestely.

Kuvassa 5.8 on esitetty off axis -mittauksissa k¨aytetyt paraboloidipeilit. Peilit ovat j¨arjestyksess¨a vasemmalta oikealle kaksi hiottua ja spinnattua SLA:ta (NOA-61), kaksi hiottua ja lakattua SLA:ta, hiottu SLA ja k¨asittelem¨at¨on SLA.

Kuva 5.8: Mitatut paraboloidipeilit j¨arjestyksess¨a vasemmalta oikealle kaksi hiottua ja spinnattua SLA:ta (NOA-61), kaksi hiottua ja lakattua SLA:ta, hiottu SLA ja k¨asittelem¨at¨on SLA.

Valmistetuista paraboloidipeileist¨a ainoastaan hiotut ja spinnatut SLA:t fokusoivat kameralle spotin referenssipeilin lis¨aksi. Kameralle muodostuneet kuvat ovat esitet- tyin¨a Liitteess¨a D. Mittauksissa apertuurin kokona k¨aytettiin 3.7 mm.

Kuvissa 5.9,5.10 ja5.11 ovat esitettyin¨a referenssipeilist¨a ja hiotusita ja spinna- tuista SLA-kappaleista heijastuneiden valospottien intensiteettijakaumat pikseleiden funktiona. Intensiteettijakaumat on skannattu summana spotin alueen yli viidest¨a eri kohdasta ja t¨ah¨an liittyv¨a MATLAB-koodi on esitettyn¨a Liitteess¨aE. Hiotun ja spinnatun SLA 2:n kuvassa esiintyy kaksi spottia, jotka erottuvat kuvasta heikosti.

N¨am¨a kuitenkin n¨akyv¨at intensiteettik¨ayr¨ass¨a kahtena piikkin¨a ja puoliarvoleveys on esitetty n¨aiden kahden spotin summana. T¨am¨a johtuu siit¨a, ett¨a tulostuksen tai j¨alkik¨asittelyn seurauksena kappaleen yl¨a- ja alalaitaan on muodostunut erilaiset pinnanmuodot.

Kuva 5.9: Referenssipeilist¨a heijastuneen valospotin intensiteetti pikseleiden funktiona.

Kuva 5.10: Hiotusta ja spinnatusta SLA 1:st¨a heijastuneen valospotin in- tensiteetti pikseleiden funktiona.

Kuva 5.11: Hiotusta ja spinnatusta SLA 2:sta heijastuneen valospotin in- tensiteetti pikseleiden funktiona.

Valospotin muodostaneiden kappaleiden kuvista m¨a¨aritettiin tutkielmassa valospo- tin puoliarvoleveys. MATLAB-koodi valospotin puoliarvoleveydest¨a on havainnollis- tettuna Liitteess¨a E.

Aiemmin esitetty kaava (kts. 3.6) referenssipeilin teoreettisesta ensimm¨aisest¨a minimikohdasta on laskettu paraboloidipeileille aallonpituuden ollessa vihre¨all¨a va- lolla 520 nm, d:n ollessa 3.7 mm ja f:n ollessa 10 cm l¨oytyy paikasta

q₁ = 1.22· 520·10⁻⁹m

3.7·10⁻³m ·0.1m= 1.71·10⁻⁵ m (5.7) Mittauksessa haluttiin saada selville kuvien muodostavien kappaleiden valospottien

puoliarvoleveys, johon tarvittiin tiet¨a¨a ArduCam-kameran yksitt¨aisen pikselin ko- ko, joka on 5.2 × 5.2 µm². Taulukossa 5.5 on esitettyin¨a jokaiselle peilille laskettu puoliarvoleveys, josta k¨aytet¨a¨an englanninkielist¨a termi¨a FWHM (full width of half maximum). Puoliarvoleveys millimetreiss¨a saadaan laskettua kameran yksitt¨aisen sivun pikselikoko kerrottuna puoliarvoleveyden pikselim¨a¨ar¨all¨a. Taulukosta5.5 huo- mataan, kuinka puoliarvoleveydet ovat suurempia kuin teoreettisesti laskettu spo- tin ensimm¨aisen minimikohta (︁

q₁ = ^FWHM₂ )︁

. N¨aiden tulosten ero voidaan selitt¨a¨a fokusoituneen pisteen todenn¨ak¨oisell¨a saturoitumisella.

Taulukko 5.5

Paraboloideista heijastuspeileist¨a heijastuneiden valospottien puoliarvoleveydet.

Paraboloidi heijastuspeili FWHM (pikseli) FWHM (mm)

Referenssi 270 1.40

Hiottu ja spinnattu SLA 1 300 1.56

Hiottu ja spinnattu SLA 2 340 1.77

Paraboloidien heijastuspeilien mittauksessa saatiin haluttuja tuloksia. Referenssipei- lin lis¨aksi spotin muodostivat hiotut ja spinnatut SLA:t (NOA-61). Muiden kappa- leiden (hiotun ja lakatun SLA 1:n ja 2:n, hiotun SLA:n ja k¨asittelem¨att¨om¨an SLA:n) puoliarvoleveytt¨a ei pystytty havaitsemaan, sill¨a n¨am¨a kappaleet eiv¨at muodostaneet valospottia kameralle.

Puoliarvoleveyksien kokojen vertailussa tulokset olivat hypoteesien mukaisia. On selv¨a¨a, ett¨a referenssipeilin valospotin koko on pienempi verrattuna j¨alkik¨asiteltyihin peileihin, sill¨a pinnankarheus ja muotovirheet suurentavat kameralle muodostuvaa kokoa referenssipeiliin verrattuna. Mittauksessa tuloksiin on vaikuttanut my¨os va- lon kollimointi, sill¨a mittausasetuksen sis¨alt¨am¨at monet komponentit ovat voineet h¨airit¨a sit¨a.

Hiotut ja spinnatut SLA-kappaleet fokusoivat hyv¨an spotin detektorille. N¨aill¨a kappaleilla on ollut tarpeeksi pieni pinnankarheus ja parabolinen muoto on s¨ailynyt hyv¨an¨a j¨alkik¨asittelyn j¨aljilt¨a. Tuloksissa hiottujen ja lakattujen SLA-kappaleiden tapauksissa spottia ei saatu muodostettua. Aiemmat reflektanssimittaukset antoi- vat osviittaa, ett¨a hiotut ja lakatut SLA:t fokusoisivat pisteit¨a kameralle. Todenn¨a- k¨oisesti n¨aiss¨a tapauksissa kappaleen muoto ei ole s¨ailynyt hiomisprosessin ja spray- lakkauksen j¨aljilt¨a ja sen vuoksi ne eiv¨at pystyneet fokusoimaan valoa detektorille pisteiksi. Hiotun SLA:n ja k¨asittelem¨att¨om¨an SLA:n tapauksissa tulokset olivat ole- tettuja.

5.5 Johtop¨ a¨ at¨ oksi¨ a mittauksista

T¨ass¨a kappaleessa tarkastellaan eri mittausosuuksien onnistumisia. Kappale sis¨alt¨a¨a heijastus- ja pinnankarheusmittauksien lis¨aksi paraboloidipeilien off axis -mittauksien analysoimiset.

5.5.1 Tasopeilit

Tarkasteltaessa erilaisilla j¨alkik¨asittelymenetelmill¨a k¨asiteltyjen tasopeilien kyky¨a toimia peilin¨a, voidaan yhdeks¨an erilaista tasopeili¨a kategorisoida kolmeen eri ryh- m¨a¨an, jotka ovat hyvin peilein¨a toimivat, huonosti peilein¨a toimivat ja niiden v¨alilt¨a olevat tasopeilit. Huonosti peilein¨a toimivaan ryhm¨a¨an kuuluvat k¨asittelem¨att¨om¨at tasot (FFF ja SLA), joiden kyky toimia peilin¨a verrattuna muihin valmistettuihin tasoihin oli huono. Niiden heijastuneesta intensiteetist¨a kokonaisuudessaan l¨ahes