"3D-printimist arendatakse selgelt eesmärgiga, et seda saaks kasutusse võtta tööstuses. Siiski on veel päris palju probleeme, mis vajavad lahendamist. Sellega me tegelemegi," ütleb elektrimasinate uurimisrühma juht Ants Kallaste. 

3D-printimise tehnoloogia ise pole vanemteaduri ja elektrimasinate uurimisrühma liikme Toomas Vaimanni sõnul enam uus: prinditakse näiteks plasti, metalli ja betooni. Küll aga on uus suund seadmete ja koostete 3D-printimine. "Üks on elektroonikavidinate printimine ja teine on see, mida meie tahtsime näidata ehk elektrimasinate printimine," selgitab Vaimann. 

Imelihtne polegi nii imelihtne

Nii Ants Kallaste kui ka Toomas Vaimanni sõnul oli metalli 3D-printimine viie aasta eest veel lapsekingades. "Olid mõned artiklid, mida teaduskirjandusest oli võimalik leida. Teemat hakati uurima vaikselt, aga pigem katse-eksitus meetodil. Esmalt tegeleti plastist prinditud osade lisamisega masina komponentidesse. Päris täismetallist printimine algas umbes neli-viis aastat tagasi," meenutab ta.

Tehnikaülikooli töörühm on elektrimasinate printimist edasi arendanud nüüdseks neli aastat. Kallaste sõnul on neil praeguseks valmis prinditud mõned elektrimasinate prototüübid. Tööstuslikult kasutatavat 3D-prinditud masinat pole maailmas aga veel kellelgi. Enne tuleb uurijate sõnul lahendada rida murekohti.

Esiteks näeb teadusringkond praegu Kallaste sõnul vaeva, et muuta kõik 3D-printimise etapid võimalikult kiireks ja tõhusaks. "Sul on printimine ise ja printimis-parameetrite paika seadmine, et saaks elektrimasinale vajalike karakteristikutega materjali kätte. Siis on masina enda printimine ja siis masina topoloogia optimeerimine," loetleb ta etappe. Ehkki 3D-printimine ei püüagi kiire masstootmisega võistelda, ei osata praegu Vaimanni sõnul veel kõiki uue meetodi eeliseid ära kasutada.

"Kuigi 3D-printimine tundub olevat väga tore võimalus, et paneme aga materjali printerisse ja sealt tuleb kohe masin välja, siis päris nii lihtne see ei ole," möönab Kallaste. Nimelt vajab printerist tulnud masin praegu veel omajagu järeltöötlust. Esiteks on äsja prinditud masinal küljes erinevad tugistruktuurid. "Kui sul on vaja mõni imeliku kujuga asi teha, siis selleks, et see printimise protsessil ära ei laguneks, prinditakse sinna justkui pisikesed vardad külge," kirjeldab Vaimann. Järeltöötluses tuleb need vardad eemaldada ja metalli pind viimistleda.

Teiseks vajab 3D prinditud elektrimasin Kallaste sõnul termotöötlust, et selle magnetmaterjalide omadused oleksid õiged. "Prinditud masin tuleb ahju panna, kuumutada ja siis uuesti maha jahutada, et saada materjali omadused paika. See parandab oluliselt materjali magnetilisi parameetreid," selgitab ta.

Järeltöötluse kõrval on arendamist vajavaid kohti veel. Kallaste sõnul koosneb elektrimasin peamiselt kolmest materjalist: elektrotehnilisest terasest, elektrijuhist ehk vasktraadist ja isolatsioonist nende vahel. "Kui tahaksid neid kõiki korraga printida, siis sul peaks olema vähemalt kolme-komponendine printer," osutab uurija. Vaimanni sõnul on juba olemas kahe-komponendiseid printereid. Kolmekomponendise printeri valmistamine saab Kallaste sõnul aga olema väljakutse, sest teras ja vask vajavad erinevaid printimistingimusi.

Uurimisainest pakub seegi, kuidas vähendada 3D-printimisel elektrimasina kadusid. "Traditsioonilisel meetodil valmistatakse näiteks masina pöörlev osa ehk rootor isoleeritud lehtterase kihtidest. Need pannakse järjest üksteisega kokku, kuni saadakse vajaliku suurusega kooste," ütleb Vaimann.

Samaväärset rootorit 3D-printides on tulemuseks hoopis teistsuguste magnetiliste omadustega rauatükk. "See suurendab kadusid. Nüüd ongi vaja välja mõelda lahendusi, mismoodi seda rauakobakat teha natuke vähem kobakaks, ehk sarnasemaks kihtidest kokkupandud rootorile," jätkab ta. Uurimisrühm ise on proovinud printida kärgstruktuure, ent Vaimanni sõnul võib proovida ka printida terasele isoleerivat materjali vahele.

Milleks meile seeriatootmise kõrval 3D-printimine?

Ants Kallaste ja Toomas Vaimanni sõnul on metalli 3D-printimine võrreldes tavapärase masstootmisega materjali mõttes oluliselt kulutõhusam. "Rahalises mõttes aga täna kindlasti mitte," möönab Vaimann. 

Samas ei tasu tema sõnul tehnoloogia kõrge hinna pärast muretseda, sest kümne aasta eest tundus kogu 3D-printimise võimalus põnev, kuid väga kallis. "Täna võid minna, osta omale 100-eurose plastiku printeri ja teha, mida tahad. Sul on oluliselt lihtsam soovitud plastikjupp ise valmis printida, kui seda pool päeva poest otsida," võrdleb ta. Sama tulevik ootab Vaimanni sõnul ees ka metalli 3D-printimist: kuna metall kui materjal ise ja selle printimise seade on keerulisemad, võtab nende odavnemine lihtsalt rohkem aega.

"Kui räägime masinate ja mootorite printimisest, siis me ei räägi tööstusest, vähemalt mitte veel," lisab Vaimann. Kuna metalli 3D-printimises ei saa veel rääkida ka väikeseeriatootmisest, on uuel tehnoloogial eelis valdkondades, mis vajavadki pisut iseäralikumaid ja läbimõeldumaid lahendusi: näiteks lennunduses, kosmosetööstuses, meditsiinis või hobielektroonikas.

Ebatavalistes kasutustingimustes on 3D-prinditud seadmel Vaimanni sõnul mitu eelist. "Esiteks, kuna me saame materjalidega manipuleerida, siis järelikult saame teha sulameid, mis vastavad mingisugusele äärmuslikele keskkonnanõuetele, näiteks rõhule või temperatuurile," ütleb ta.

Teiseks võimaldab 3D-printer valmistada mis tahes kujuga asju, näiteks seest õõnsaid või kõveraid. "Samas igasuguste eriliste kujudega suudame me võita kõvasti kaalus," jätkab vanemteadur, "näiteks, teemegi seest õõnsa eseme või mingi erilise kergema sulami. See on väga suur eelis."

Kuna 3D-prinditud ese sobib äärmuslikesse tingimustesse ja on samas kerge, tunnevadki meetodi vastu huvi just lennundus- ja kosmoseettevõtted. Vaimann märgib, et neis tööstuses liigub 3D-prinditud erilahenduste jaoks ka raha. "Kui seeriatööstuses tavaline pumbamootor maksab alla 200 euro, siis kindlasti keegi ei hakka seda tegema 40 000 euro eest," võrdleb ta.

Kallaste sõnul muutuvad seeriatootmises nõuded üha karmimaks ja rääkima hakatakse masina nn elutsükli tõhususest. "Ehk siis kui palju jäädet tekib masina valmistamisel, kuidas jääde uuesti kasutusele võetakse, kuidas see hiljem utiliseeritakse. Siin on 3D-printimine loonud jälle uued võimalused," seletab ta.

Uurija sõnul kulub 3D-printides materjali vähem, kuna printerijääk on masina printimiseks kulunud pulber, mida saab kohe uuesti kasutusse võtta. Samuti võimaldab uus meetod teha suurema võimsustihedusega esemeid, mis ei kuumene väikesele pinnale vaatamata üle, vähendades sel moel kadusid.

"Mis on veel väga oluline: logistiline ahel läheb lühemaks," osutab Vaimann. Kui inimesel on olemas prinditava objekti CAD-i fail arvutis, 3D-printer, ahi ja pulber, siis neist vaid viimast tuleb pidevalt juurde tellida. "Jäävad ära vaheahelad, kus esmalt peab tootma lehtmetalli, siis lehtmetall isoleeritakse, siis see tuleb tehasesse ja siis tehases see stantsitakse või lõigatakse enne õigetesse mõõtudesse, et stantsi alla saada," loetleb Kallaste.

Elektrimasinate töörühmal käivad Vaimanni sõnul koostöö-läbirääkimised ühe lennukiettevõttega mootorite loomiseks. "Küll aga ma ei julge veel väita, et need saavad olema 3D-prinditud. Väga võimalik, et mingid tükid võivad olla 3D-prinditud," täpsustab ta. Kallaste sõnul on hetkel elektrimasinate printimises suuremaid edusamme tehtud jahutuskomponentide ja rootorite puhul. Viimase printimist arendab töörühm praegu koos Kanada kolleegidega. "Prinditud on juba masin valmis, aga veel ei ole ära katsetatud," ütleb Kallaste.

Uurijad märgivad, et peale nende töörühma keegi Eestis elektrimasinate 3D printimisega ei tegele. Kallaste sõnul on rühma lähimad kolleegid Soomes, natuke tegeletakse teemaga ka Tšehhis ja üpris aktiivselt Saksamaal, Prantsusmaal ja Inglismaal.

Vaimanni sõnul on töörühm siiski avatud kõikvõimalikuks muukski erialaseks koostööks. "Kindlasti on tegu tulevikuteemaga ja ma arvan, et meil on hetkel veel päris hea stardipositsioon, kuna oleme sellega neli-viis aastat aktiivselt tegelenud," sõnab ta,  "nii olemegi jõudnud oma oskusteabega sinnamaani, et meie käest käiakse seda oskusteavet Euroopast aeg-ajalt uurimas ja küsimas."