3D TISK

V průmyslové výrobě převládá využití obrábění, kdy materiál pomocí nástrojů naopak odebíráme, běžným je i vstřikování plastu do forem. Tyto výrobní procesy mají velké náklady na přípravu i personál a dokáží vyrábět levně pouze při velkých objemech produkce. Navíc při nich spousta původní suroviny skončí jako odpad. Na tištěný výrobek je použit jen materiál, který ho tvoří, a odpadem jsou jen případné podpůrné struktury.

Hobby tisk na 3D tiskárně vyžaduje menší vstupní náklady i méně znalostí, a proto je možné na nich vyrábět třeba doma nebo ve škole. Potřebujete milion stejných dílů? Na to se 3D tisk moc nehodí. Chcete jeden unikátní výrobek nebo vyvíjíte prototyp? Pak nemá konkurenci.

Větší rozšíření 3D tisku se do budoucna očekává s nástupem umělé inteligence, která by měla celý proces zjednodušit a sama nastavit vše potřebné. Do té doby můžete navštívit třeba iQFABLAB, kde vás vše rádi naučíme na Technických kurzech 3D tisku.   

Nová technologie?

První myšlenka o technologii 3D tisku je přisuzována sci-fi autorovi Murraymu Leinsterovi. V jeho povídce Things pass by, publikované již v roce 1945, napsal “...plast vycházející z paže kreslícího stroje, na jejímž konci plast vytvrdne”.

První funkční předchůdci dnešních tiskáren ale vznikli až v 80. letech v USA. Tehdy by vás jedna tiskárna vyšla na 300 000 amerických dolarů. Taková částka by vám stačila na koupi 3 nových domů. První volně dostupnou FDM tiskárnu (viz níže) jste mohli zakoupit v roce 1992, jednalo se o “3D Modeler” od firmy Stratasys. A dnes? Fungující tiskárnu koupíte i za 5 000 Kč.

Nástup tiskáren dlouho brzdily patenty, které zpomalily inovace a vývoj. Velká část z nich vypršela kolem roku 2012, a tehdy začaly vznikat nové firmy orientované na výrobu 3D tiskáren. Pomohla i větší výpočetní síla počítačů a snadněji ovladatelný software pro přípravu tisku. Rozvoj hobby 3D tisku urychlil i open-source projekt RepRap, který vyvíjí FFF 3D tiskárny. Tyto tiskárny dokážou tisknout díly na další tiskárny, což umožnilo snížení cenu těchto zařízení.

Dva nejběžnější typy tiskáren:

FDM®(Fused deposition modeling)/ FFF (Fused Filament Fabrication)

Jedná se o nejrozšířenější druh tiskárny. Obě zkratky popisují proces výroby. První je chráněna obchodní značkou, druhá není.

Hlava tiskárny obsahuje zahřátou trysku, která taví filament (tiskovou strunu) odvíjený ze špulky a nanáší ho ve vrstvách obvykle vysokých kolem 0,2 mm. Nejprve spodní vrstvu na podložku, na ní potom druhou, třetí a tak dále, dokud není vytištěn celý objekt. Barva struny tedy určuje i barvu výsledného modelu. Tedy samozřejmě v případě, že model nebarvíme.  

Nejčastější typ materiálu je PLA (Polylactic Acid) neboli polymer kyseliny mléčné. Nevyrábí se z ropy, vstupní surovinou je kvašený rostlinný škrob. Například z kukuřice nebo cukrové třtiny. Je to nejlepší startovní materiál pro začínající tiskaře, má širokou paletu barev a je tvrdý. Postrádá ale pružnost a chemickou odolnost.

Další často používané materiály jsou PET-G (modifikovaný plast, který známe z PET lahví) nebo ABS (s krásným názvem Akrylonitrilbutadienstyren), kterého jste se naposledy mohli dotknout, když jste seděli v autě nebo si hráli s kostičkami lega. Další možností jsou flexibilní filamenty, což jsou různé varianty TPE (termoplastický elastomer), z nich můžeme tisknout gumové objekty jako třeba pneumatiky.

Tiskárna na pryskyřici

Tiskárna funguje na principu fotopolymerizace, což je vytvrzování materiálu pomocí záření. Dnes jsou běžné 3 typy technologií tiskáren, a to SLA (vrstvu vytvrzuje laserový paprsek), DLP (projektor) nebo UV LED (tvar vrstvy nasvěcuje matice LED světel zakrytá tzv. maskou). Tiskárna má vanu na pryskyřici s průhledným nepřilnavým dnem, pod kterým je zdroj záření. Po nalití pryskyřice do vany do ní shora sjede podložka. Tiskárna totiž tiskne hlavou dolů a spodní vrstva modelu je tedy nejvíce nahoře. Zdroj záření nasvítí požadovaný tvar spodní vrstvy a po vytvrzení vyjede podložka o malý kousek výš. Zdroj pak vytvrdí druhou vrstvu, třetí a tak dále. Výhodou je oproti FFF tiskárnám daleko větší přesnost a tím pádem i rozlišení celého modelu. Nevýhodou je vyšší údržba a manipulace s dráždivými (pryskyřice na tisk) a hořlavými látkami (izopropylalkohol na čištění), menší tiskový objem tiskárny a dražší materiál. Hotový model je ještě potřeba důkladně očistit od nevytvrzené pryskyřice a fotopolymerizaci důkladně dokončit ve vytvrzovací stanici s točnou, zrcadly s UV světlem. Případně na sluníčku za oknem. Tam nezapomeňte na pravidelné otáčení!

Postup při 3D tisku:

Chcete-li tisknout, čekají vás následující 4 kroky:

1. krok - 3D model

Potřebujete soubor, který obsahuje data o tvaru vašeho objektu, tj.  3D model. Nejpoužívanější formáty jsou STL a 3MF. Máte několik možností, jak se k němu dostat. Můžete ho:

1. nakreslit v programu pro 3D modelování (např. TinkerCAD, OpenSCAD, Fusion 360 či Blender),

2. stáhnout z internetu, existují placené modely i stránky plné modelů volně ke stažení (thingiverse.com, myminifactory.com),

3. naskenovat pomocí skeneru, použít programy nebo aplikace, které z fotek objektu z různých úhlů vytvoří 3D model (fotogrametrie). Žádné skenování hmotného objektu ale nebude tak přesné, jako by bylo jeho nakreslení.

2. krok - Příprava 3D modelu

Tiskárna nedokáže přečíst soubor 3D modelu. Co ale potřebuje, jsou instrukce. Proto existují programy, tzv. slicery (hezky česky kráječe), které z 3D modelu vytvoří soubor obsahující instrukce pro pohyb částí 3D tiskárny, tzv. G-CODE. Kromě toho si ve sliceru nastavíte třeba výšku jedné vrstvy (menší vrstva znamená detailnější model), nastavíte výplň modelu, tloušťku pláště celého modelu či vytvoříte podpěry pod převislými částmi modelu. Tiskárna nedokáže tisknout do vzduchu a podpory lze později vylámat. Hodnot k nastavení jsou stovky, ale slicery obsahují přednastavené profily, které můžete vybrat a máte hotovo za pár minut. Nabídnou Vám i vizualizaci jednotlivých vrstev, takže se můžete podívat, jestli vše proběhne, jak zamýšlíte.

3. krok - samotný tisk

Hotový G-CODE dostanete do tiskárny, ať už přes flash disk, SD kartu nebo Wi-Fi, záleží na modelu a výbavě tiskárny. Tiskárna se po vybrání souboru obvykle sama nahřeje a můžete začít s tiskem. Nejdůležitější je spodní vrstva, pokud se vám utrhne, nevytisknete nic. Na začátku je tedy dobré tiskárnu hlídat, jestli jde všechno podle plánu. Zjistíte-li problém v nastavení, musíte upravit nastavení tiskárny, případně vygenerovat nový G-CODE a postup opakovat.

4. krok - Post-processing

Máte vytištěno a čekají vás následné úpravy, ale i ty mohou znamenat teprve začátek. Výtisk možná budete chtít obrousit, naleptat, vylámat z něj podpěry, zatmelit či nabarvit. A možná i všechno najednou a několikrát. Pokud si s výsledkem pohrajete, nikdo ani nepozná, že je výrobek z 3D tiskárny.

Jak dlouho trvá 3D tisk?

Často kladená otázka bez jednoduché odpovědi. Záleží na druhu tiskárny, výšce vrstvy, výšce modelu, materiálu, výplni a spoustu dalších parametrů. Na obrázku můžete vidět dvě kostičky o hraně 2 cm. Obě jsou z černého PLA, mají stejný plášť i výplň. Ta vpravo má výšku vrstvy 0,3 mm a tiskla se asi 20 minut, ta vpravo má výšku vrstvy 0,05 mm a její tisk zabral téměř 2 hodiny. Přitom na fotce kostek na dlani není rozdíl téměř vidět. Správná otázka tedy zní: “Jak dlouho trvá 3D tisk tohoto objektu s tímto nastavením?” ?

      

---

Zdroj: 

https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/3dhubs-knowledgebase/intro-fdm-3d-printing/2-fdm-steps.png