Rakogeometrian jäljentäminen 3D-teknologialla - Aalto
Aalto-yliopisto Insinööritieteiden korkeakoulu Rakennus- ja ympäristötekniikan koulutusohjelma Rakogeometrian jäljentäminen 3D-teknologialla Kandidaatintyö 5.5.2014 Raphaël Yorke Aalto-yliopisto, PL 11000, 00076 AALTO www.aalto.fi Tekniikan kandidaatintyön tiivistelmä Tekijä Raphaël Yorke Työn nimi Rakogeometrian jäljentäminen 3D-teknologialla Koulutusohjelma Rakennus- ja ympäristötekniikka Pääaine Georakentaminen Pääaineen koodi R 3003 Vastuuopettaja Leena Korkiala-Tanttu Työn ohjaaja(t) Lauri Uotinen Päivämäärä 05.05.2014 Sivumäärä 19 Kieli Suomi Tiivistelmä Tässä kandidaatintyössä on käyty läpi kalliorakopintojen geometrian jäljentäminen 3Dteknologialla. Työn tavoitteena oli lähteä jäljentämään kalliorakogeometriaa replikaatiomuottien tuottamista varten. Työn tarkoituksena on luoda valmiuksia tulevalle diplomityölle. Työssä on selvitetty fotogrammetrian teoreettista pohjaa ja sen jälkeen käytettyä kuvausmenetelmää. Työssä käydään läpi 3D-mallin luomista otetuista kuvista. Työssä on myös esitetty tietoa 3D-tulostuksesta ja työn aikana kootusta 3D-tulostimesta. Lopuksi on selitetty 3Dtulostimen toimintaperiaate ja replikaatiomuottien valmistamisen periaatteet. Työn aikana saatiin otettua kuvat rakonäytteistä. Kuvien avulla tehtiin rakonäytteistä 3D-mallit. Työn aikana koottu 3D-tulostin saatiin toimimaan hyvin pitkän hienosäädön jälkeen. Itse replikaatiomuotteja ei tulostettu, mutta tulostamistapa saatiin selvitettyä. Käytetyt menetelmät tuntuivat käyttökohteisiinsa sopivilta. Avainsanat Kallioraot, fotogrammetria, 3D-tulostus Sisällysluettelo 1 Johdanto ........................................................................................................................................ 1 2 Menetelmät .................................................................................................................................... 3 2.1 Rakogeometrian tallentaminen fotogrammetrialla ................................................................. 3 2.2 3D-tulostus ............................................................................................................................. 7 2.3 Ultimaker 3D-tulostimen kokoaminen ................................................................................... 9 2.4 Ultimakerin toimintaperiaate................................................................................................ 15 2.5 Replikaatiomuottien valmistaminen ..................................................................................... 16 3 Tulokset ....................................................................................................................................... 17 4 Johtopäätökset ............................................................................................................................. 18 5 Lähteet ......................................................................................................................................... 19 6 Liitteet ......................................................................................................................................... 20 Liite 1: 3T Näytteen kuvat.......................................................................................................... 20 1 Johdanto KARMO eli Kallion rakopintojen mekaaniset ominaisuudet on hanke, jonka ”tavoitteena on selvittää kallion rakojen numeerisessa mallinnuksessa tarvittavat parametrit sekä mittakaavan, pintakarkeuden (asperiteetin) ja geometrian vaikutus niihin” (Uotinen et al. 2013). Hankkeen aikana tallennetaan rakogeometria fotogrammetrisesti, valmistetaan replikasarja 3Dtulostusteknologialla, koestetaan alkuperäiskappaleet ja replikanäytteet Shear Box -laitteella ja analysoidaan tulokset. Käytetyn ydinpolttoaineen varastoja on pyritty sijoittamaan kovan kiven alueelle (esim. Olkiluoto ja Forsmark). Olkiluodon alueella sijaitsevat geologiset vyöhykkeet kulkevat varastoalueen halki ja näin rajoittavat alueen käyttöä. On myös mahdollista määritellä erikseen rakenteet, jotka rajoittavat loppusijoitusalueen käyttöä ja rakenteet, joiden alueelle kanistereita ei voida sijoittaa. (Uotinen. 2013, s.1) Kanisterien sijoituksen pääperiaatteet ovat rakovyöhykkeiden sekä yksittäisten suurien mahdollisesti yli 50 mm leikkautuvien rakojen välttäminen. Rakopintojen mekaanisista ominaisuuksista ei ole tarpeeksi tietoa. Monet kanisteripaikat joudutaan hylkäämään niitä läpäisevien rakojen vuoksi. Näin ollen kanisteripaikkoja joudutaan siirtämään ja osa paikoista menetetään kokonaan. Jos rakojen mekaanisia ominaisuuksia saadaan selvitettyä, osa raoista voidaan osoittaa turvallisiksi. Sijoituspaikan käyttöastetta pystytään nostamaan ja saadaan mahtumaan enemmän käytettyä polttoainetta. (Uotinen. 2013, s.2) Rakopintojen mekaanisten ominaisuuksien selvittäminen on vaikeaa. Suuren mittakaavan kokeita ei ole tehty Olkiluodossa (Posiva 2011-02) eikä Forsmarkissa (SKB TR-11-01). Pienen mittakaavan kokeita voi tehdä paljonkin, mutta ongelmaksi muodostuu kokeiden edustavuus sekä mittakaavavaikutus. Suurten rakopintanäytteiden irrottaminen tunnelista on hankalaa ja niiden koestaminen laboratoriossa on haastavaa. (Uotinen.2013, s.2) Mittakaavavaikutus aiheuttaa ongelmia sillä rakojen jäykkyys riippuu siitä. Pienessä näytteessä jäykkyys riippuu suurilta osin asperiteetista (pintakarkeudesta) ja raon geometriasta. Toisaalta isossa näytteessä jäykkyyden määrittelee peruskitkakulma. Tutkimuksen tavoitteena onkin selvittää mittakaavan vaikutus laboratoriomittakaavan kokeisiin, jotta niitä voitaisiin hyödyntää pitkien laajojen jatkuvien rakojen mallintamiseen loppusijoitustunnelin mittakaavassa. (Uotinen. 2013, s.5) KARMOn tuottamilla tuloksilla pystytään määrittämään ja tunnistamaan stabiilit raot, jolloin kaikkia raollisia kapselipaikkoja ei jouduta hylkäämään(Uotinen. 2013, s.6). Tämän avulla ydinvarastoalueiden käyttöaste saadaan nostettua ja näin alueen kokoa saadaan pienennettyä. KARMOn parametrit eivät kuitenkaan yksinään riitä vaan ydinjätteistä vastaavat organisaatiot joutuvat tuottamaan omalta alueeltaan tarpeeksi edustavan ja laajan näytesarjan. Näytesarjan parametrit voidaan sen jälkeen siirtää kyseisen alueen numeeriseen mallinukseen.(Uotinen. 2013, s.6) Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on lähteä rakogeometrian jäljentämisestä ja päätyä replikaatiomuottien valmistamiseen. Rakogeometriaa lähdetään jäljentämään fotogrammetrian avulla. Tämän jälkeen käydään läpi vaiheet replikaatiomuottien tulostamisen valmisteluun. 1 Replikaatiomuotteja valmistetaan 3D-tulostuksen avulla, koska tämän teknologian tarkkuus on parempi kuin kilpailevilla tekniikoilla (Uotinen. 2013, s.3). Lisäksi 3D-tulostuksen avulla muotti voidaan valmistaa nopeasti ja tarvittaessa moneen kertaan. Itse replikaatiomuotteja ei tulostettu tämän työn aikana vaan replikaatiomuotit tulostetaan tämän työn jatkeena KARMO-hanketta varten. Lisäksi tehdään replikaationäytteet, jotka koestetaan kivinäytteiden kanssa shear box – laitteistolla (Ross-Brown & Walton 1975, s. 129–134). Tämän työn tavoitteena on selvittää fotogrammetrian ja 3D-tulostuksen soveltuvuutta rakogeometrian jäljentämiseen. Työn tarkoitus on myöskin valmiuksien luominen tulevalle diplomityölle ja ongelmien ennaltaehkäiseminen (Uotinen. 2013, s.7). Tämän työn luvussa 2 esitetään työssä käytetyt menetelmät. Luvussa 3 puolestaan esitetään työn eri vaiheissa saadut tulokset. Lopuksi luvussa 4 analysoidaan työn tuloksia ja esitetään kokeen johtopäätökset. 2 2 Menetelmät Rakogeometrian jäljentämisestä valmiiseen replikaatiomuottiin on käytetty monia erilaisia menetelmiä. Tässä luvussa käydään läpi työssä käytetyt menetelmät aloittaen Fotogrammetriasta päätyen replikaatiomuottien valmistamiseen 3D-teknologialla. 2.1 Rakogeometrian tallentaminen fotogrammetrialla Fotogrammetrialla tarkoitetaan kohteen mittausta kohteesta otetuilla kuvilla. Fotogrammetria hyödyntää kuvia, joissa on samat referenssipisteet, muodostaakseen 2D- tai 3D-pistepilven. Fotogrammetrian tarkoituksena on pystyä selvästi muodostamaan eri kuvien välistä geometrista riippuvuutta kuvan ja oikean esineen välillä kuvan ottohetkellä (Mikhail et al. 2001, s.1). Tämä voidaan suorittaa käyttäen joko analogisia tai analyyttisiä menetelmiä. Analogisissa menetelmissä käytetään optisia, mekaanisia tai elektronisia komponentteja. Analyyttisissä menetelmissä mallintaminen on matemaattista ja prosessointi digitaalista. Fotogrammetrian juuret juontuvat vuoteen 1895 jolloin Laussedat valmisti ensimmäisen kameran ja kehitti prosessin, jota hän kutsui metrovalokuvaukseksi (engl.metrophotographic). Sen avulla tehtiin fotogrammetrisia mittauksia. ”Fotogrammetria” sanaa käytti ensimmäistä kertaa Meydenbauer artikkelissaan valokuvausmittauksesta vuonna 1893. 1900-luvun ensimmäisen kolmanneksen aikana kehitettiin ensimmäiset analogiset piirturit ja ensimmäinen voimakkaasti korjattu laajakulmaobjektiivi käytettäväksi ilmakameroissa. Toisen kolmanneksen aikana voimakas kehitys tuotti erilaisia ensimmäisen kertaluvun analogisia piirtureita ja samalla kehitettiin matemaattinen pohja fotogrammetriselle kolmioinnille. 1900-luvun kahtena viimeisenä vuosikymmenenä fotogrammetria on kehittynyt voimakkaasti. Kehitystä ovat edes auttaneet kehitysaskeleet optiikan, elektroniikan, kuvantamisen ja tietotekniikan aloilla. Kehityksen ansiosta fotogrammetria on siirtynyt digitaaliseen aikakauteen. Tämä on luonut monia uusia mahdollisuuksia fotogrammetrian tulevaisuuden kehittymiselle. (Mikhail 2001, s.11) Fotogrammetrian tyypilliset vaiheet ovat taaksepäinleikkaus, kohteen aseman ja orientaation määrittäminen ja kohteen koordinaattien määrittäminen kahdesta tai useammasta kuvasta. Nämä kolme vaihetta yhdistyvät kolmioinnissa, jossa kuvan orientaatio ja pisteiden sijainti lasketaan yhtäaikaisesti. Fotogrammetrisen kolmioinnin historia on vahvasti sidoksissa tietotekniikan kehitykseen. Analyyttisen fotogrammetrian perusyhtälöt kehitettiin jo 1800-luvun puolessa välissä, mutta tarvittavien laskelmien tekemiseen ei ollut menetelmää. Sen sijaan analogiset piirturit kehitettiin suorittamaan stereokartoitusta ja korjaukset tehtiin käyttäen analogista laitteistoa tai graafisia menetelmiä (Mikhail. 2001, s.107). Analyyttiset kolmiointimenetelmät pääsivät valtaan tietotekniikan kehittyessä. Tietokoneiden lisääntyneellä teholla kolmioinnista tuli tehokkaampaa ja tarkempaa. Tietokoneet pystyvät käsittelemään tuhansia kuvia yhtäaikaisesti ja havaitsemaan systemaattiset virheet lähtötiedoissa. GPS on myöskin auttanut kolmioinnissa ja sen käyttö vähentää tarvittavan paikkatiedon määrää. Taaksepäinleikkauksella tarkoitetaan pisteen aseman määrittämistä risteämällä kaksi tai useampaa kuvaa. Aseman määrittämiseen käytetään kollineaarisia yhtälöitä. Jokaista kuvaa kohti saadaan kaksi yhtälöä. Kahdella kuvalla saadaan neljä yhtälöä, jotka sisältävät kolme tuntematonta ja näin ollen kohteen pisteen koordinaatit voidaan ratkaista. Yhtälöillä on yksi 3 vapausaste ja ne pystytään ratkaisemaan pienimmän neliösumman menetelmällä. Lisäämällä kuvia vapausasteet lisääntyvät ja parantavat ratkaisua. (Mikhail.2001, s.112-113) Samasta kohteesta eri paikasta otetuilla kuvilla voidaan luoda stereomalli, jota käytetään kolmiulotteisen hahmotelman saamiseksi. Stereomallin aikaansaamiseksi projektoituneiden kuvansäteiden tulee kohdata liitospisteissä. Tätä käsittelyä kutsutaan relatiiviseksi orientaatioksi. Relatiivinen orientaatio voidaan suorittaa joko manuaalisesti analogisella stereopiirtimellä tai analyyttisesti mittaamalla kuvapisteet ja laskemalla niiden orientaatioparametrit.(Mikhail. 2001, s.115) Mikhailin mukaan (2001, s.115) relatiivisessa orientaatiossa määritetään viisi vapausastetta. Jos oletetaan kuvan sisäisen orientaation olevan tunnettu, jokaisella kuvalla on kuusi tuntematonta ulkoista orientaatioparametria. Kokonaisuudessaan, joka kuvalla on kaksitoista orientaatioparametria. Kuitenkin näistä parametreista seitsemän ovat absoluuttisen orientaation parametreja. Näin relatiivisessa orientaatiossa jää viisi parametria ratkaistavaksi. Nämä viisi parametria voidaan ratkaista eri tavoilla. Esimerkiksi yhden kuvan kaikki parametrit ja toisen kuvan yksi asemaparametri määritetään vakioiksi, jolloin toisen kuvan jäljelle jäävät parametrit voidaan asettaa sen mukaisesti. Relatiivista orientaatiota voidaan tehdä useammalla kuvalla. Sen jälkeen, kun ensimmäinen kuvapari on relatiivisesti orientoitu, sitä seuraavat kuvat orientoidaan edellisen mukaisesti. Lopuksi absoluuttisella orientaatiolla kohteen sijaintitiedot voidaan liittää malliin. Tämän jälkeen mallia voidaan käyttää kartoitukseen. Tässä kandidaatintyössä hyödynnetään digitaalista lähietäisyysfotogrammetriaa. Lähietäisyys fotogrammetria eroaa tavallisesta fotogrammetriasta siltä osin, että siinä ei käytetä kuvia mittaamiseen tai kartoittamiseen, vaan kohteen mallintamiseen ja muutosten havaitsemiseen. Digitaalinen fotogrammetria on muuttanut kuvankäsittelytapoja. Kuvia voidaan ottaa huomattavasti enemmän ja entistä nopeammin. Kuvien käsittely on nopeaa ja virheellisten tilalle voidaan välittömästi ottaa uusia. Analyyttisen fotogrammetrian tekniikoiden kehittyminen on lisännyt lähietäisyysfotogrammetrian sovelluksia (Mikhail 2001, s.247). Tämän kehityksen on mahdollistanut digitaalisten kameroiden kehitys. Niiden avulla saadaan parempi tarkkuus ja kuvien käsittely on nopeampaa. Lähietäisyysfotogrammetriassa käytetyt matemaattiset mallit eroavat tavallisesta fotogrammetriasta. Erot johtuvat kuvien ottopaikoista ja orientoitumisesta, kameran kalibroinnista ja referenssi koordinaatiston puutteesta (Mikhail 2001, s.251). Digitaalinen fotogrammetria eroaa suuresti fotogrammetriasta kuvankäsittelyn osalta. Digitaalinen kuva voidaan asettaa karteesiseen koordinaatistoon, jolloin yksi funktion f(x,y) arvo vastaa yhtä kuvan pikseliä (McGlone 2004, s.399). Työssä kuvattavat kohteet ovat kairanäytteiden rakopintoja. Ennen kuvien ottamista kivinäytteet sahattiin sopivan pituisiksi kivisahalla. Samalla näytteet sahattiin valmiiksi oikein pituisiksi shear box -koetta varten. Näytteiden vaadittu pituus saatiin määriteltyä shear box –muottien avulla. On tärkeää, että näytteet ovat juuri oikean pituisia ja mahtuvat muotteihin, jotta ne pystytään valamaan betoniin ilman uutta sahausta. Näytteisiin merkittiin leikkauskohta ja samalla näytteet nimettiin numerolla ja kirjaimella B (bottom) ja T (top) sen mukaan mihin kohtaan ne tulisivat shear box –muotteihin. Näin näytteet saivat tunnukset 1B, 1T, 2B, 2T, 3B ja 3T. Näytteet sahattiin tarkoitukseen sopivalla kivisahalla. Sahauksen aikana oli tärkeää, että näyte pysyi tiukasti 4 paikallaan ja akseli koko ajan kohtisuoraan terää vasten. Kivisahassa oli vesihuuhtelu, joka esti kivipölyn muodostumisen ja helpotti näin sahausta. Sahatut pinnat eivät olleet täydellisiä ja osasta lähti pieni kivilastu irti. Tämä teki pinnasta epätasaisen ja vinon, mutta se ei ollut oleellista työn kannalta eikä haitannut työn jatkamista. Seuraavaksi kivinäytteistä otettiin kuvat Canon EOS 600D- järjestelmäkameralla. Kameran lisäksi kuvienottamiseen tarvittiin pahvilaatikko, kameran jalusta, kivinäytteet, liimatahnaa ja pyöreä puualusta. Kuvattava näyte asetettiin pahvilaatikkoon, johon oli tehty näytteen halkaisijan kokoinen reikä ja reiän ympärille merkkejä (Kuva 1). 3D-mallia tekevä ohjelma käyttää näitä merkkejä referenssipisteinä ja saa niiden avulla 3D-mallin paremmin tehtyä. Näytteen rakopinta asetettiin suoraksi pahvilaatikon pinnan suuntaisesti. Tämän jälkeen yksittäinen näyte vielä kiinnitettiin pahvilaatikon yläosaan sisältäpäin liimatahnalla, jotta se ei pääsisi liikkumaan kuvien ottamisen aikana. Tämän jälkeen rakopinta pyrittiin saamaan puualustan keskelle, jotta rakopinta olisi samassa kohdassa kaikissa kuvissa. Tämä oli tärkeää, jotta tarkennus saatiin pysymään koko ajan samassa kohdassa näytettä. Ensimmäinen kuvasarja epäonnistuikin huonon näytteen sijoituksen takia. Pahvilaatikko asetettiin pyörivän pyöreän puualustan päälle. Pyörittämällä alustaa saatiin otettua kuvia näytteestä erisuunnista liikuttamatta itse kameraa. Joka näytteestä otettiin 17 kuvaa. Kuvien ottamiseen käytettiin kameran manuaalista tilaa. Kamerassa käytettiin Canon EF-S 18-55mm objektiivia kuvien ottamiseen. Valotusaika säädettiin yhteen sekuntiin. ISO-arvona käytettiin 100 ja F-lukuna 16. Kamera kiinnitettiin jalustan päälle ja kameran etäisyys kuvattavasta kohteesta oli 34 cm. Käytetty polttoväli oli 53mm. Kuvien ottamiseen käytettiin kahden sekunnin viivettä napin painalluksesta aiheutuvan tärinän välttämiseksi. Kuvaussessioita suoritettiin kaksi. Kuvaussessio aloitettiin niin, että pyöreä aluslevy sijoitettiin pöydälle paikkaan, jossa on tasainen valaistus. Tämän jälkeen kamera kiinnitettiin jalustaan ja sijoitettiin aluslevyn lähelle niin, että kameran ja rakopinnan välille tuli noin kolmenkymmenen asteen kulma. Tämän jälkeen näyte laitettiin pahvilaatikkoon ja kiinnitettiin niin, että rakopinta näkyi hyvin. Toisen kuvaussession aikana tehtiin merkinnät pahvilaatikon sijainnista pyöreään alustaan, koska ensimmäisessä kuvaussessiossa laatikko oli liikkunut liikaa näytteiden vaihtojen aikana. Merkkien avulla saatiin laatikko aina samalle paikalle. Ensimmäisen näytteen ollessa valmis kuvattavaksi käynnistettiin järjestelmäkamera. Ensimmäinen tarkennus tehtiin kameran automaattitarkennuksen avulla ja tarkennus pyrittiin sijoittamaan oikeaan paikkaan. Ensimmäisessä kuvaussessiossa tarkennus oli liian takana, mutta toisessa kuvaussessiossa se saatiin selkeästi parempaan paikkaan. Tarkennuksen jälkeen automaattinen tarkennus kytkettiin pois päältä ja aloitettiin kuvien otto. Jokaisen kuvan jälkeen alustaa pyöritettiin aina saman verran. Tämä väli, jota alustaa pyöritettiin saatiin merkittyä muistilapun avulla. Muistilappu kiinnitettiin pöytään ja alustaa pyöritettiin sormella muistilapun matkalta. Näin tehtiin kunnes näytteen kaikki kuvat saatiin otettua. Seuraaville näytteille toistettiin sama toimenpide. Näytteen vaihdon jälkeen pahvilaatikko sijoitettiin takaisin sille merkitylle paikalle. Näin varmistettiin rakopinnan pysyminen aina tarkennuksen alueella. Viimeisen näytteen jälkeen purettiin kuvausjärjestelmä. Näyte irrotettiin pahvilaatikosta, laatikko siirrettiin pois pyöreältä aluslevyltä, kameran irroitettiiin jalustasta ja tavarat järjestettiin takaisin paikoilleen. 5 Kuva 1 Näyte 3T Kuvien ottamisen jälkeen kuvien avulla luotiin rakopinnoista 3D-mallit. Tähän käytettiin Autodesk 123D Catch-ohjelmaa. Ohjelmaan syötettiin kuvat yhdestä näytteestä ja se loi kuvien perusteella 3D-mallin. Ohjelman käyttö oli erittäin helppoa, mutta siihen sisältyy hyvin vähän työkaluja. Malleja ei pysty tästä syystä esim. muokkaamaan suoraan replikaatiomuotin mallin tekemiseen. Mallin sai ohjelmasta ulos stl-muodossa, jossa sen voi suoraan tulostaa 3Dtulostimella. Toinen vaihtoehto 3D-mallien luomiseen olisi ollut Visual SFM-ohjelman käyttäminen. Sen avulla olisi myös voitu luoda 3D-mallit rakopinnoista. Ohjelman käyttö olisi kuitenkin vaatinut enemmän aikaa. Sen käyttöön liittyy enemmän haasteita, kuin 123D Catchin, joka on yksinkertaisempi ja helpompi. 6 2.2 3D-tulostus 3D-tulostus ei ole uusi teknologia vaan sitä on käytetty jo jonkin aikaa tehdastuotannossa. Teknologia on kuitenkin kehittynyt voimakkaasti viime vuosina. Kehittymisen ovat mahdollistaneet tietokoneiden laskentatehon lisääntyminen, uudet mallinnusohjelmat, uudet materiaalit ja internetin kehittyminen (Lipson & Kurman 2013, s. 11). Tietokoneilla on elintärkeä rooli 3D-tulostusprosessissa, sillä 3D-tulostin ei toimi ilman tietokoneen tuomaa mallitiedostoa, jonka ohjeita se seuraa. 3D-tulostusprosessi on seuraavanlainen. 3D-tulostin tulostaa, joko ruiskuttamalla tai kovettamalla materiaalia, annetun mallin litteän tasokuvion. Tämän jälkeen 3D-tulostin jatkaa tulostamista kerroksittain. Kerrosten kasaantuessa alkaa muodostumaan haluttu kolmiulotteinen kappale. Tämä eroaa tavallisista tuotteiden valmistustavoista, joissa leikataan tai muovataan isompaa kappaletta. Tänä päivänä voidaan tulostaa kaikenkokoisia esineitä 3D-tulostimen avulla, auton kokoisesta esineestä nuppineulan kokoiseen. 3D-tulostimet voidaan jakaa kahteen pääluokkaan: kerrostaviin (engl. selective deposition printers) ja kovettaviin (engl.selective binding printers) tulostimiin (Lipson & Kurman 2013, s 68). Tunnetuin tulostintyyppi on ”sulattavat kerrostavat tulostimet” FDM (engl. fused deposition modelling). Näissä tulostimissa materiaali pursuaa tulostuspäästä tulostustasolle kovettuen jäähtyessään. Toinen tulostintyyppi on Polyjet-tulostimet. Polyjet-tulostimet käyttävät samalla, sekä kerrostavien, että kovettavien tulostimien tekniikoita. Tulostuspää ruiskuttaa nestemäistä fotopolymeeria, jonka UV-lamppu kovettaa. Polyjet on yksi uusimmista 3D-tulostustekniikoista ja sillä päästään 16 mikrometrin kerrospaksuudelle. Muita kerrostavia tulostintyyppejä ovat LENS- (engl. Laser Engineered Net Shaping) ja LOM(engl. Laminated object manufacturing) tulostimet. LENS-tulostimissa laser sulattaa tulostuspäästä tulevaa jauhemaista materiaalia paikalleen. Lasersäteen liikkeellä saadaan tulostettua kappale kerros kerrallaan. Tällä menetelmällä voidaan myös tulostaa kovia materiaaleja kuten metallia. Tulostimella voi olla monta tulostuspäätä, jolloin voidaan myös tulostaa metalliseoksia. LOM-tulostimet eroavat paljon muista kerrostavista tulostimista. Niissä ei ole tulostuspäätä, vaan sen tilalla on leikkaustyökalu, joka on lasersäde tai leikkaava terä. Leikkaustyökalu leikkaa materiaalia kerroksittain, jonka jälkeen se yhdistää kerrokset 3Dkappaleeksi. Kovettavia tulostintyypejä on monia. Niistä kaksi käytetyintä menetelmää ovat SL- (engl. stereolithography) ja LS- (engl. Laser Sintering) tulostimet. SL-tulostimet ovat erilaisia, sillä niissä tulostusmateriaali on tulostustason alapuolella nestemäisessä muodossa. SL-tulostimien tulostusprosessissa lasersäde kovettaa UV-herkkää nestemäistä photopolymeeria. Joka kerroksen välissä tulostustaso laskee ja uuttaa materiaalia tulee kovettuneen päälle. Tulostaminen tällä menetelmällä on nopeaa ja tarkkaa. LS-tulostimet ovat melko samanlaisia kuin SL-tulostimet. Ero on tulostusmateriaalissa. LS-tulostimet käyttävät nesteen sijaan jauhetta. Muuten tulostusprosessi on samanlainen. Lasersäde kovettaa jauhetta tulostustasolle. Sen jälkeen tulostustaso laskee ja tulostin levittää uutta jauhetta tason päälle. 7 Nykyisin 3D-tulostusta käytetään myös lopullisten tuotteiden valmistamiseen, kun sitä aikaisemmin enemmänkin hyödynnettiin pelkästään prototyyppien valmistamisessa. 3Dtulostimilla voidaan esimerkiksi tulostaa yksittäisiä valmiita metalliosia (Bak. 2003). Yksittäisiä osia tai pieniä määriä valmistettaessa 3D-tulostus voi olla halvempi ja nopeampi vaihtoehto kuin perinteinen teollinen tuotanto. 8 2.3 Ultimaker 3D-tulostimen kokoaminen Tässä työssä käytetään Ultimaker Original v.3 3D-tulostinta replikaatiomuottien valmistukseen. Ultimaker kuuluu FDM-tulostimien joukkoon. Ultimaker Original v.3 kasattiin tätä kandidaatintyötä varten. Ultimakerin kasaus aloitettiin kasaamalla runko. Rungon neljään sivuseinään laitetiin laakerit. Tämän jälkeen laitteen sivuseiniin asennettiin rajoitinkytkimet: punaiset rajoitinkytkimet yakselia varten, siniset x-akselia varten ja mustat kytkimet z-akselia varten. Kytkimien asentamisessa oli tärkeää varmistaa, että ne asennetaan oikein päin. Yksi kytkin jouduttiinkin asentamaan uudelleen siksi, että se oli asennettu ensin väärinpäin. Seuraavaksi asennettiin eri akseleiden moottorit. Ensiksi moottoreiden akseleihin kiinnitettiin hihnapöyrät hopeisilla ruuveilla. Tämän jälkeen hihnapyörän ympärille laitettiin hihna ja moottorit kiinnitettiin niille varatuille paikoille: y-moottori vasempaan sivuun, x-moottori takaseinään ja z-moottori pohjapaneeliin. Viimeinen vaihe rungon kasauksessa oli paneelien yhteen liittäminen. Kuva 2 Ultimakerin runko (wiki.ultimaker.com) Kasauksen seuraava vaihe oli x- ja y-akselin asentaminen. Tämä vaihe aloitettiin kokoamalla neljä pientä puukappaletta, jotka liukuvat akseleita pitkin (Kuva 3). Nämä puukappaleet koottiin työntämällä laakeri pienten puulevyjen läpi. Puukappaleisiin liitettiin vielä tämän jälkeen puiset taivutettavat leuat, jotka toimivat myöhemmin hihnan kiristäjinä. Nämä puukappaleet toimivat kiinnityskappaleina ekstruusiopään akseleilla ja liikkuvat hihnojen liikkeiden mukana. Toisin sanoen näiden kappeleiden avulla ekstruusiopää liikkuu x,y-tasossa. Kuva 3 Kasattu puukappale (wiki.ultimaker.com) Seuraavana kiinnitettiin puiset rajoitinpalat akselien asennusta varten. Nämä palat ruuvattiin kiinni kehikon ulko-osien kulmiin laakereiden päälle: kaksi vasemmalle puolelle ja kaksi eteen. Kehikon sisäpuolelle laakereiden toiselle puolelle ruuvattiin rei’itetyt puupalat, joiden läpi akselit 9 menevät. Tämän jälkeen aloitettiin akselien asennus. Ensiksi asennettiin y-suuntaiset akselit. Akseli työnnettiin oikealta puolelta kehikon sisään. Siihen laitettiin yksi hihnapyörä ja hihna, liukuva puukappale (Kuva 3) ja toinen hihnapyörä ja toinen hihna. Toinen y-akseli koottiin samalla tavalla ja hihnat liitettiin toisiin hihnapyöriin, jolloin ne olivat molemmilta puolilta kiinni. X-suuntaiset akselit asennettiin samalla tavalla. Kun kaikki akselit oli asennettu, hihnat työnnettiin liukuvien puukappaleiden läpi ja ne kiristettiin kappaleissa olevilla leuoilla. Seuraava kokoamisvaihe oli ekstruusiopään kokoaminen. Ensiksi koottiin puinen kehikkorakenne, jonka alle tuli alumiininen levy. Alumiinilevyyn kiinnitettiin tulostuspää, joka koostuu ekstruusiopäästä, alumiinisesta lämmityslohkosta ja muovieristekappaleesta. Alumiiniseen lämmityslohkoon liitettiin lämmityskappaleet, jotka lämmittävät lohkoa ja sulattavat muovin. Lopuksi alumiinilevyyn kiinnitettiin myös tuuletin, jonka tarkoituksena on jäähdyttää ekstruusiopäästä tulevaa muovia. Kuva 4 Lopullinen ekstruusiopää (wiki.ultimaker.com) Sitten ekstruusiopää asennettiin Ultimakerin sisään. Akselit työnnettiin ekstruusiopäähän kummaltakin puolelta ja kiinnitettiin Ultimakerin sisällä oleviin liukuviin puukappaleisiin. Sen jälkeen säädettiin hihnapyörien paikkoja, jotta hihnat saatiin suoriksi. Tämän jälkeen oli vuorossa z-suuntaisen tason asentaminen. Tasoa varten rakennettiin ensin kaksi pitkää puukappaletta, joihin kiinnitettiin sylinterimäiset laakerit. Myöhemmin näiden laakereiden läpi asennettiin kulkemaan metallisauvat, jotka pitävät tason suorana. Tämän jälkeen rakennettiin tasoon kuuluva takaosa. Siinä olevan ison mutterin läpi laitetaan seuraavassa vaiheessa kierretanko. Tämä mahdollistaa tason liikkumisen z-akselin suuntaisesti. Seuraavaksi yhdistettiin puinen levy tason muihin puuosiin. Puiseen levyyn kiinnitettiin ruuvit ja jouset, joilla varsinaista tulostustasoa säädetään. 10 Kuva 5 Z-taso ilman tulostustasoa (wiki.ultimaker.com) Varsinainen tulostustaso on läpinäkyvä muovilevy, jonka toinen puoli peitettiin sinisellä teipillä. Teippi edesauttaa muovin tarttumista tulostustasoon. Tulostustaso asennettiin paikoilleen painamalla sitä jousia vasten alaspäin ja hieman sivulle, jolloin se lukittui. Jouset pitävät tason paikoillaan ja niillä säädetään taso suoraksi. Lopuksi taso vielä asennettiin Ultimakerin sisään. Sen jälkeen metallisauvat työnnettiin Ultimakerin yläpuolelta tulostustason kummallekin puolelle ja kierretanko kierrettiin keskiosan mutterin läpi ja kiinnitettiin alapuolen z-moottoriin. Seuraava vaihe oli materiaalisyöttimen kokoaminen ja asentaminen. Tämä oli kokoamisen hankalin osuus ja vaati erityistä tarkkuutta. Materiaalisyöttimen kokoaminen aloitettiin yhdistämällä moottori puiseen kehikkoon. Samalla moottorin akseliin kiinnitettiin erillinen ratas. Tämän jälkeen puukehikkoon kiinnitettiin isompi puinen ratas, johon oli kiinnitetty karkea pintainen pultti, joka toimii syöttöjärjestelmän välittävänä kappaleena. Pultin avulla muovifilamentti työntyy eteenpäin. Viimeinen syöttömekanismiin asennettu osa oli pienistä muoviosista koostuva kappale. Tämän kappaleen tarkoituksena on painaa filamenttia pulttia vasten ja näin saada filamentti tarttumaan pulttiin. Kokoamisen jälkeen materiaalisyötin kiinnitettiin Ultimakerin takaosaan sille varattuun paikkaan. Samalla Ultimakerin takaosaan kiinnitettiin myös filamenttirullan pidike. Kuva 6 Materiaalisyötin (wiki.ultimaker.com) Kokoamisen viimeinen vaihe oli elektronisten komponenttien asentaminen. Tämä vaihe vaati myös paljon huolellisuutta. Ensin kiinnitettiin vihreä piirilevy Ultimakerin pohjaosaan. Tämän jälkeen koottiin piirilevyn tuuletus- ja suojauslevy (Kuva 7). Tuuletin kiinnitettiin kahteen puulevyyn. Tuulettimen ohjausmuovipala oli vaikea saada paikoilleen. 11 Kuva 7 Tuuletusjärjestelmä Seuraavana vuorossa oli Ultimakerin komponenttien liittäminen piirilevyyn tarkasti oikeille paikoille. Ensin kiinnitettiin tuuletuslevy paikoilleen. Tämän jälkeen liitettiin lämmitinjohto ja johdon molemmat päät laitettiin niille kuuluviin reikiin ja kiristettiin paikoilleen ruuvaamalla. Muut ekstruusiopään komponentit liitettiin mustalla jatkojohdolla piirilevyyn. Johdon molemmissa päissä on kolme liitäntää: yksi liitäntä tuuletinta varten, toinen lämpöanturia varten ja kolmas mahdollista toista lämpöanturia varten. Kolmatta liitäntää tarvitaan siinä tapauksessa jos Ultimakeriin asennetaan toinen ekstruusiosuutin. Tämän jälkeen liitettiin rajoitinkytkimet paikoilleen. Kytkimiä liittäessä piti olla erityisen huolellinen. Jos rajoitinkytkimet on liitetty väärin niin Ultimaker saa ristiriitaista tietoa liikkeisiinsä nähden. Esimerkiksi jos x-suuntaiset kytkimet on liitetty väärinpäin, puupalan osuessa etumaiseen kytkimeen Ultimaker saa tiedon, että se on osunut takimmaiseen kytkimeen. Lopuksi liitettiin moottoreiden johdot paikoilleen. Tämä vaati tarkkuutta, sillä johdot olivat keskenään identtisiä. Vääriin liitettäessä Ultimaker ei pystyisi toimimaan oikein. Kuva 8 Piirilevy liittämisen jälkeen (wiki.ultimaker.com) 12 Ennen tuuletuslevyn asentamista paikoilleen liitettiin vielä UltiController. UltiController on yksi Ultimakerin lisäosista. Sillä pystytään ohjaamaan Ultimakeria ilman tietokonetta ja tulostamaan tiedostoja suoraan SD-kortilta. UltiController koostuu näytöstä, kierrettävästä valintanapista ja sen alapuolella olevasta potentiometristä, jolla pystytään säätämään kontrastia. Lopuksi piirilevy peitettiin kiinnittämällä tuuletuslevy sen päälle. Tuuletuslevy painettiin piirilevyä vasten jolloin piirilevyssä olevat ruuvit työntyivät tuuletuslevyn reikien läpi. Tuuletuslevyä liikutettiin hiukan sivulle jolloin ruuvit eivät enää olleet reikien kohdalla vaan levyssä olevassa urassa. Sitten ruuvit vielä kiristettiin levyä vasten. Näin saatiin tuuletuslevy tukevasti paikoilleen. Kuva 9 Valmis Ultimaker 13 Ennen Ultimakerin käyttöönottoa piti vielä säätää yläosan z-suuntaista rajoitinkytkintä ja samalla tulostustason suoruutta. Ensin tulostustasoa nostettiin kiertämällä z-akselin kierretankoa siihen asti kunnes ekstruusiopää juuri ja juuri kosketti tulostustasoa. Ekstruusiopään ja tulostustason väliin pitää jäädä 0,1mm (Ultimaker rev.4 assembly: Mounting the electronics. 2013). Tämän jälkeen ekstruusiopää siirrettiin vasempaan etukulmaan, josta aloitettiin tulostustason korkeuden säätö. Ruuvia kiertämällä taso säädettiin siihen kohtaan, jossa tulostuspää osui juuri tasoon. On tärkeää, että tulostuspää ei painaudu tasoa vastaan. Sama toimenpide toistettiin kolmelle muulle kulmalle. Sen jälkeen, kun taso oli saatu suoraksi, säädettiin rajoitinkytkintä. Rajoitinkytkimen ruuvit löysättiin ja sitä laskettiin siihen asti kunnes kuului naksahdus. Kytkin kiristettiin tähän kohtaan. Tämän rajoitinkytkimen säätäminen oikeaan kohtaan on hyvin tärkeää, sillä se määrä tulostustason aloituskorkeuden. Jos se on väärin säädetty niin tulostuspää, joko painautuu tulostustasoon ja muovi ei pääse ulos, tai se on liian kaukana ja tällöin muovi ei tartu tulostustasoon. Viimeisten säätöjen jälkeen Ultimaker oli valmis käytettäväksi. 14 2.4 Ultimakerin toimintaperiaate Ultimaker toimii seuraavasti. Aluksi Ultimaker lämmittää ekstruusiopään haluttuun lämpötilaan (PLA-muovilla 220 ˚C). Tämän jälkeen se etsii tulostustason nollakohdan, joka sijaitsee tason vasemmassa etukulmassa. Siitä kohdasta Ultimaker lähtee tulostamaan haluttua kappaletta. X- ja y-suuntaiset moottorit ohjaavat ekstruusiopäätä tasossa ja z-suuntainen moottori liikuttaa tulostustasoa alemmas jokaisen tulostetun kerroksen jälkeen. Materiaalisyöttimen moottori puolestaan huolehtii tarvittavasta filamentin syötöstä. Materiaalisyötttimellä on tärkeä rooli Ultimakerin tulostusprosessissa, sillä se varmistaa, että muovia tulee tasaisesti koko ajan tarvittava määrä kappaleen tulostamiseen. Jos sen toiminnassa on häiriöitä niin kappaleisiin tulee reikiä tai aukkoja. Ultimakeria käytetään tietokoneeseen liitettynä, johon se liitetään USB-johdolla. Ultimakerin ohjaamiseen ja sillä tulostamiseen käytetään Cura-ohjelmaa. Cura:n avulla 3D-mallit voidaan sijoittaa tulostustasolle haluttuun kohtaan. Mallien asentoa ja tulostussuuntaa voidaan myöskin muuttaa. Cura-ohjelmalla määritetään myös tulostettavan kappaleen koko ja sama kappale voidaan tulostaa eri mittakaavassa. Laatuasetukset voidaan myös säätää Cura:n avulla. Laatuasetuksia on kolme: alhainen, normaali ja korkea laatu. Myös muita asetuksia voi muuttaa. Näitä muutettavia asetuksia ovat muun muassa tulostusnopeus ja muovifilamentin syöttömäärä. Ultimakeria lähdettiin testaamaan heti kokoamiseen jälkeen. Ensin testattiin tulostason vaakasuoruutta. Tämä kannattikin tehdä ennen jokaista tulostusta sillä tason asento muuttui alussa usein eikä meinannut pysyä suorana. Tämän aiheutti oletettavasti puuosien muovautuminen kosteuden vaikutuksesta ja tasoa vastaan painautuneiden jousien löystyminen. Ensimmäinen koekappale tulostettiin alhaisilla laatuasetuksilla ja huomattiin, että tämä laatu ei ollut riittävä. Sen jälkeen kokeiltiin tulostusta normaaleilla laatuasetuksilla ja korkeilla laatuasetuksilla. Näiden asetusten välinen ero oli niin pieni, että päätettiin käyttää normaaleja asetuksia, koska tulostaminen korkeilla laatuasetuksilla vei noin kaksi kertaa enemmän aikaa. Tulostetuissa koekappaleissa oli kuitenkin huomattavia ongelmia. Kappaleiden tulostuslaatu oli epätasaista. Niissä oli useita pieniä alueita, joissa muovia ei ollut tarpeeksi ja kappaleessa oli epätasaisuutta ja reikiä. Myöhemmin selvisi, että ongelma oli materiaalinsyöttöjärjestelmässä. Yksi pieni muoviosa oli asennettu väärin ja tämä johti siihen, että filamenttia ei tullut tasaisesti tulostuspäähän. Vika korjattiin ja materiaalisyötin saatiin toimimaan kunnolla. Toinen ongelma oli tulostettujen kappaleiden vinous Tämä ongelma johtui x-moottorin hihnapyörän löystyneestä kiristysruuvista, joka aiheutti hihnapyörän liukumista x-moottorin akselin pyöriessä. Seurauksena ekstruusiopää ei liikkunut riittävästi ja tulosti näin ollen väärään kohtaan. Tämän ongelman selvittämiseen meni jonkin aikaa, sillä syytä oli vaikea tunnistaa. Lopulta Ultimaker saatiin kuitenkin toimimaan odotetulla tavalla. 15 2.5 Replikaatiomuottien valmistaminen 3D-tulostinta tullaan käyttämään replikaatiomuottien tulostamiseen. Replikaatiomuotit ovat yhdestä päästä avoimia onttoja sylintereitä, joissa tallennettu näytteen rakopinta on negatiivina. Toisin sanoen muotissa pohjalla oleva rakopinta on alkuperäisen näytteen rakopinnan peilikuva. Replikaatiomuottien avulla saadaan valettua betonista replikaationäytteet, jotka voidaan myös koestaa. Replikaatiomuottien 3D- mallien luomiseen käytetään rakopintojen 3D-malleja. Rakopinnan malli leikataan irti täydestä sylinterimallista, jolloin saadaan malliksi ontto sylinteri, jossa on rakopinta tallentuneena. Näitä muottien malleja käytetään sitten itse tulostettavien mallien pohjana. Replikaatiomuottien 3D-malleja ei tehty tässä kandidaatintyössä eikä replikaatiomuotteja myöskään tulostettu. Tämän työn jälkeen tutkimusta jatketaan ja replikaatiomuotit tulostetaan. 16 3 Tulokset Ensimmäisen kuvaussession jälkeen saatiin 17 kuvaa jokaisesta näytteestä eli yhteensä 102 kuvaa. Nämä ensimmäiset kuvat olivat kuitenkin jonkun verran epäonnistuneita. Tarkennus oli tehty hiukan väärään kohtaan rakoa ja raon paikka kuvissa vaihteli liikaa. Näin ollen tarkennus raon kohdalla ei ollut tarpeeksi hyvä. Tästä johtuen suoritettiin toinen kuvaussessio, jossa otettiin joka näytteestä uudet kuvat ja saatiin uudet 102 kuvaa. Kuvat 3-top näytteestä löytyvät liitteestä 1. Toisella kerralla kuvat olivat onnistuneempia ja niitä päätettiin käyttää 3D-mallien luomiseen. Käytetty kuvausmenetelmä näyttäisi nyt olevan sopiva. Kuvissa tarkennus oli oikeassa paikassa ja rakopinnoista saatiin terävät kuvat. Kuvista saatiin tehtyä 3D-mallit 123D Catch-ohjelman avulla. Jokaista näytettä kohti saatiin sitä vastaava 3D-malli. Ohjelma teki mallit nopeasti ja tehokkaasti. Mallien tarkkuus oli hyvä ja on todennäköisesti riittävä replikaatiomuottien valmistukseen. Työn aikana saatiin Ultimaker 3D-tulostin koottua valmiiksi. Laitteen kokoamiseen meni paljon aikaa ja se ei heti toiminut oletetulla tavalla. Tulostinta jouduttiin testaamaan useampaan kertaan ja sen toimintavalmiiksi saamiseen meni kauan aikaa. Ongelmat johtuivat osittain väärin asennetuista osista, jotka haittasivat tulostusprosessin toimivuutta. Myös käytössä löystyvät ruuvit haittasivat Ultimakerin toimintaa. Lisäksi hihnojen saaminen kireäksi oli vaikeaa. 17 4 Johtopäätökset Työn tulosten perusteella nähdään, että fotogrammetrian avulla voidaan tehokkaasti tallentaa rakopintojen geometriaa ja, että sen avulla saadaan tarkat kuvat raoista. Käytetty valokuvaus menetelmä näyttäisi olevan sopiva rakojen kuvaamiseen. Myöskin 3D-mallien luonti sujui helposti. Malleista saatiin tarkkoja rakogeometrian jäljennöksiä. Kuitenkin itse replikaatiomuottien tulostusta ei suoritettu, joten 3D-tulostuksen työn tavoitteet eivät kokonaan täyttyneet. Ultimakerin kokoaminen olisi pitänyt tehdä huolellisemmin alusta alkaen, jotta olisi vältytty virheiltä ja siitä seuranneilta ongelmilta. Näin olisi jäänyt enemmän aikaa muulle kokeelliselle työlle. Lopulta päästiin kuitenkin kokoamisen osalta tavoitteeseen ja nyt Ultimakerin tarkkuuden pitäisi riittää replikaatiomuottien valmistamiseen. 18 5 Lähteet Bak, D. 2003, Rapid prototyping or rapid production? 3D printing processes move industry towards the latter, Assembly Automation, vol. 23, no. 4, pp. 340-345. Lipson, R., Kurman, M. 2013. Fabricated: The New World of 3D Printing. Somerset, New Jersey, USA: Wiley. 320 s. ISSN 9781118410240. McGlone, J., Mikhail, E., Bethel J. 2004. Manual of photogrammetry. Fifth ed. Bethesda, Maryland, USA: ASPRS. 1151 s. ISBN 1-57083-071-1 Mikhail, E., Bethel J., McGlone, J. 2001. Introduction to modern photogrammetry. New York, New York, USA: Wiley. 479 s. ISBN 0-471-30924-9 Posiva 2011-02, Olkiluoto Site Description 2011, Posiva Oy Ross-Brown, D.M. & Walton, G. 1975. A portable shear box for testing rock joints. Rock Mechanics. Vol. 7:3. S. 129–153. ISSN 1434-453X. Schenk, T. 1999. Digital photogrammetry Volume I. Laurelville, Ohio, USA: Terrascience. 428 s. ISBN 0-9677653-0-7 SKB TR-11-01, Long-term safety for the final repository for spent nuclear fuel at Forsmark. Main report of the SR-Site project, SKB AB Uotinen, L., Rinne, M., Antikainen, J., Korpi, E. & Yorke, R. 2013. KARMO - Kallion rakopintojen mekaaniset ominaisuudet, tutkimussuunnitelma, KYT2014 Kansallinen ydinjätehuollon tutkimusohjelma. Aalto-yliopisto, Georakentaminen. Espoo. 19 6 Liitteet Liite 1: 3T Näytteen kuvat 20
© Copyright 2024