Základy 3D tisku

Pondělí, 18. Květen 2020 - 0:00
| Napsal:

Článek Michala Fanty pojednává obecně o 3D tisku, jeho historii, zlomových meznících, jeho současném využití a různých technologicích.

Architektonický model vytvořený pomocí 3D tisku - foto © archprint.cz
Fotoalbum: 

Co je to 3D tisk?

3D tisk je proces, při kterém se z 3D modelu vytváří fyzický model. Technologií jak takový 3D model vytvořit je několik, ale všechny mají společné vytváření modelu pro jednotlivých vrstvách, na které je 3D model rozřezán v průběhu přípravy dat pro vlastní 3D tisk. Jedná se o takzvanou aditivní výrobu, kde se materiál postupně přidává, což je protipól ke způsobu subtraktivní výroby, která spočívá v obrábění materiálu, například pomocí CNC frézy.

Historie 3D tisku

I dnes se ještě 3D tisk označuje jako Rapid Prototyping což v překladu znamená rychlou výrobu prototypů a právě k výrobě prototypů se používaly první 3D tiskárny. Postupem s jejich zlevněním a tudíž lepší dostupností se tiskárny začaly používat v širším měřítku.

Samotná historie 3D tisku není nijak daleká. S vynálezem stereolitografie přišel v roce 1984 pozdější zakladatel společnosti 3D Systems Charles W. Hull. Hull si nechal patentovat technoligii díky níž poprvé “vytisknul” 3D data. První komerční tiskárnu, používající technologii SLA, jeho firma začala vyrábět a prodávat v roce 1992.

Projekt RepRap

Rok 2005 byl pravděpodobně nejdůležitějším rokem v novodobé historii 3D tisku. Doktorem Adrianem Bowyerem z University of Bath založil projekt RepRap. Jeho ideou bylo navrhnout 3D tiskárnu, která bude umět vytisknout co nejvíce vlastních součástek zjednodušit tak výrobu vlastních tiskáren. Od začátku byl projekt koncipován pod licencí open source (všechny zdrojové kódy jsou veřejně a zdarma přístupné a modifikovatelné), to umožnilo zapojit se do spolupráce nadšencům z celého světa. A díky tomu jsou nyní RepRap tiskárny nejrozšířenějším druhem tiskáren na celém světě.

3D tisk obecně

Využití 3D tisku dnes

S nástupem levnějších technologií, a také díky snížení cen, přišla i další využití. Ukázkovým příkladem je malosériová výroba. Pokud firma plánuje vyrábět sérii produktů, která je příliš malá na odůvodnění vysokých nákladů spojených s přípravou výroby, 3D tisk těchto produktů je často levnější. Dalším benefitem je i fakt, že pokud získáme od zákazníků zpětnou vazbu na tuto první sérii a děláme u produktu změny, nemusíme znovu platit náklady na přípravu výroby. Stačí pouze upravit 3D model a tisknout novou verzi produktu. Díky tomu je možné provádět změny v produktech velmi často a rychle bez dalších nákladů.

Mezi základní využití dostupných 3D tiskáren patří:

Personalizovaná výroba, kde je každý jednotlivý kus či malá série přizpůsobena přání zákazníka, je dalším ideálním využitím 3D tiskárny.

Výroba náhradních dílů je dalším ukázkovým případem. Při opravě starožitností nebo veteránů nejsou náhradní díly dostupné už desítky let a často je potřeba jenom jeden kus. To samé se týká třeba i oprav domácích spotřebičů, tvorbu nejrůznějších obalů, krabiček a držáků.

Modely pro designéry, architekty a projektanty. Nedílnou součástí architektonických projektů jsou 3D vizualizace. Dříve ručně lepené modely budov byly časově náročné a velmi složité na výrobu. 3D tisku vytváření těchto modelů zjednodušil a zrychlil. Je možné vytvořit více modelů v různých variantách a stádiích projektu.

Výroba hraček a figurek. Na internetu je zdarma k dostání nespočet modelů od postaviček až po celé deskové hry.

Vedle těchto základních případů je 3D tisk používán i v dalších odvětvích, kde je schopen urychlit proces vývoje a výroby. Své místo si našel ve zdravotnictví, automobilovém průmyslu, leteckém průmyslu, šperkařství, modelářství a podobně. Nové aplikace 3D tisku se objevují neustále.

V současné době se 3D tisk ukázal jako velmi účinný nástroj pro výrobu ochranných štítů při celosvětové pandemii koronaviru. Nespornou výhodou tvorby štítů na 3D tiskárnách je rychlost výroby a flexibilita návrhu. Například společnosti Prusa Research stačily pouhé tři dny na to, aby projekt ochranného štítu prošel od fáze prvního návrhu přes prototypy až po sériově vyráběnou verzi.

3D tisk obecně

Technologie 3D tisku

Všechny technologie 3D tisku jsou založeny na stejném principu – postupném nanášení vrstev na sebe. Existují různé technologie a každá se hodí na jiné použití. Nejznámější technologie 3D tisku je možné rozdělit do tří kategorií podle toho, jakou podobu má tiskový materiál, a jakým způsobem je zpracováván.

FDM/FFF

Materiál v podobě tiskové struny je extrudovaný (vytlačovaný) tiskovou hlavou skrz rozehřátou trysku. Příkladem je technologie FDM (fused deposition modeling) nebo jinak nazývaný FFF (fused filament fabrication).

Nejrozšířenější a nejdostupnější technologii 3D tisku. Je vhodná pro tisk funkčních modelů a prototypů. Stavebním materiálem je primárně roztavený plast. Ten je postupně nanášen na sebe vrstvu po vrstvě. Tiskovým materiálem je tisková struna (filament).

SLA (Stereolitografie)

SLA technogie je založena na principu vytvrzování světlocitlivé pryskyřice pomocí světla. Podložka se při každé vrstvě posune a proběhne vytvrzení fotopolymeru na požadovaných místech. Tisk je v porovnání s FFF tiskárnami detailnější, ale typicky trvá déle a tisková plocha je menší. Tyto tiskárny si najdou uplatnění především v medicíně a šperkařství. Tisk je takřka ideálně hladký, detailní a nejsou na něm tak patrné vrstvy materiálu, jako jsme tomu zvyklí u FFF tiskáren.

SLS / DMLS

Mezi další technologie 3D tisku patří SLS a DMLS. Během tisku nové vrstvy vždy válec nanese vrstvu jemného prášku a ten se laserem sintruje (spéká, materiál se neroztaví do tekuté podoby) v místech, která mají být součástí konečného výtisku. Tisk končí tak, že je celý model zasypaný v tiskovém materiálu ze kterého se nakonec vyjme. Výhodou je velmi nevýrazné vrstvení materiálu.

Proces tisku

Proces 3D tisku se skládá ze tří hlavních, po sobě jdoucích, kroků. Nejprve je třeba si obstarat samotný model, který budeme tisknout. Buď ho někde získat nebo si ho vymodelovat. Poté je nutné připravit jej pro tisk. A až posledním krokem je samotný tisk.

Diagram znázorňuje, jakými kroky prochází 3D model od jeho vzniku až po vytištění.

3D tisk obecně

3D model

Získání dat pro 3D tisk, tedy vytvoření 3D modelu, se budeme věnovat detailně později, ale nyní si nastíníme možnosti jak takový model získat.

První variantou je použití již existujícího modelu, který si například stáhnete z mnohých databází 3D modelů na webu. Toto je nejrychlejší cesta, ale jste omezeni jen na již existující modely.

Druhou variantou je vymodelování 3D objektu přesně podle vasich představ. Zde je potřeba umět v nějakém modelovacím softwaru, ale na trhu je takových nástrojů mnoho s různými koncepcemi vytváření modelu. Existují jednoduché nástroje, ale i velice komplexní. Pro 3D tisk je potřeba model vyexportovat v nějakém obecném formátu (STL, OBJ, 3MF), se kterým se dále pracuje při přípravě modelu.

Třetí možností je již existující objekt nascanovat pomocí 3D scanneru. Lze použít buď specializované zařízení, nebo můžete objekt vyfotit ze všech stran a použít fotogrametrii.

Tisková data

Z 3D modelu je před tiskem potřeba vytvořit instrukce pro tiskármu. Tomuto procesu se říká slicování, protože model se rozřeže na vodorovné vrstvy a tyto vrstvy se převedou na textové souřadnice pohybů pro FFF tiskárny nebo na obrázek s maskou dané vrstvy pro SLA tisk. Při tomto procesu se i volí výsledná kvalita modelu. Objekty s nižší tloušťkou vrstvy budou ve výsledku detailnější, ale tisk bude trvat déle a naopak. Také si v tomto procesu volíme materiál, ze kterého budeme tisknout, protože pro FFF tisk je důležité nastavit správnou teplotu, při které se vybraný materiál taví a u SLA tisku zase závisí na materiálu pryskyřice doba osvitu jednotlivé vrstvy.

3D tisk obecně

Vlastní 3D tisk

Když máme data připravená, můžeme začít s tiskem. Po prvotním zavedení tiskového materiálu je průběh tisku již zcela automatický. Tiskárna klade jednu vrstvu roztaveného plastu (technologie FFF) na druhou, dokud není model hotov.

3D tisk obecně

Příručka Základy 3D tisku

Další podrobné informace o tom jak začít s 3D tiskem si můžete přečíst v příručce Základy 3D tisku od Josefa Průši https://www.prusa3d.cz/kniha-zaklady-3d-tisku-josefa-prusi/