3D tiskárna UP! Mini: Dva týdny jsme tiskli jako o život

Když nám do redakce dorazila 3D tiskárna UP! Mini, zavzpomínal jsem na devadesátá léta a naši první domácí inkoustovou tiskárnu. Byli jsme v širokém okolí jediní a představa, že si doma můžeme vytisknout třeba hloupý klipart z CorelDRAW v nesrovnatelně vyšší kvalitě než na jehličkové tiskárně, mi připadala jako z jiného světa.

Uplynulo bezmála dvacet let, inkoustové tiskárny už nestojí patnáct tisíc korun a díky internetu pomalu ztrácejí smysl. Ostatně i v té moji už dávno zaschnul inkoust a já nemám potřebu kupovat nový, poněvadž fotky ukazuji na obrazovce notebooku a telefonu a textové dokumenty šířím skrze e-mail. Dobu inkoustovou jsem už dávno překonal a nechal v dáli za sebou.

Občas zaslechnu názor, že je 3D tiskárna přirozeným evolučním pokračovatelem tisku a nyní se nacházíme ve stejném bodě jako u klasického domácího tisku někdy koncem 80. let minulého století. 3D tiskárny jsou zatím drahé a často neohrabané, během následujících deseti – patnácti let ale budou přirozenou součástí domácností.

I toto můžete vyrábět na 3D tiskárně

Silně o tom pochybuji. Ačkoliv slovo „tiskárna“ evokuje něco tak prostého, jednoduchého a rychlého jako potisk čtvrtky papíru, ve skutečnosti se jedná o mnohem složitější výrobní proces, který může být poměrně zdlouhavý. Výroba komplikovaného předmětu tak může bez problému trvat celý den, což odsuzuje 3D tiskárnu do pracoven a domácích dílen modelářů, kutilů všeho druhu, ale třeba také do škol, které by si mohly na 3D tiskárně vyrábět všemožné studijní pomůcky.

Ano, na 3D tiskárně opravdu můžete vyrobit, co se vám umane, ale pokud to před vámi už někdo nenavrhnul, musíte být schopni si to také vymodelovat v patřičném CAD/3D nástroji. Troufám si tedy tvrdit, že pro drtivou většinu domácností je mnohem snazší sednout do auta, zajet do nejbližšího hobby marketu a ten zlomený háček si prostě koupit.

Tajný sen každého modeláře

Spíše než v to, že 3D tiskárny v následujících letech obsadí naše obývací pokoje, doufám a věřím v to, že se 3D tisku chopí zakázkoví výrobci, stejně jak tomu bylo dříve u fotolabů, kam jste donesli film k vyvolání. V zahraničí a zejména v USA už to funguje, takže stačí něco navrhnout třeba v jednoduchém webovém modeláři Tinkercad od Autodesku a klepnout na tlačítko „Order print“.

 
Některé zahraniční modelovací programy a webové aplikace už umějí odeslat hotové dílo do „3D fotolabu“.

Pokud však silně pochybuji o masovém rozšíření domácího 3D tisku, musím zopakovat i to B. 3D tiskárna je opravdová mana z nebes pro všechny kutily, modeláře a inženýry, kteří potřebují prototypovat. Pro tuto sortu lidí nebude jednoduchý návrh a měření v CADu (nebo se šuplerou v ruce) žádnou překážkou a 3D tiskárna jim dá ohromné tvůrčí možnosti. Jedná se opravdu o demokratizaci výroby, poněvadž jak jsem se sám přesvědčil, současné 3D tiskárny dokážou vyrobit i mechanické pohyblivé předměty z jednoho kusu, které byste vlastně jinou výrobní technologií nedokázali sestavit.

RepRap

Na internetu dnes najdete nepřeberné množství modelů tiskáren. Velké popularitě se těší třeba RepRapy, jejichž design je uvolněný pod svobodnou licencí, takže si je může vyrobit prakticky kdokoliv. Pokud sežene všechny potřebné komponenty, možná se dostane na cenu někde mezi 10-20 000 korunami. Josef Průša, který stojí za návrhem slavné varianty RepRapu Prusa-Mendel, na to jde trošku jinak – své nejnovější dítě Prusa i3 vám prodá společně se školením za 24 200 korun.

Open-source tiskárna Prusa i3 (Foto: prusa3d.cz)

Pokud na tu cifru jen nevěřícně zíráte a připadá vám nepřekonatelně vysoká, vězte, že špičkové domácí 3D tiskárny, které dokážou vyrobit i třiceticentimetrové předměty, mohou stát i trojnásobek. Školení zde přitom není jen tak na efekt, ale je naprosto klíčové, 3D tisk je totiž řemeslo, které musíte ovládat.

UP! Mini

UP! Mini, se kterou jsem strávil poslední dva týdny, stojí kdesi na půli cesty. Oficiální český distributor GPS&Navigace s.r.o. ji na svém webu printup.cz prodává za baťovských 29 990 korun. Výrobce pak pošle mašinu do Evropy za 1 091 dolarů (okolo 21 800 korun), ale musíte počítat s dalšími celními a daňovými náklady, nejspíše omezenější zárukou atp.

   
Malá domácí tiskárna UP! Mini: Plast, kov a hromada servomotorků

UP! Mini se oproti spartánskému designu RepRapů liší hlavně v tom, že je zakrytovaná do černého plechového a plastového těla, což má hned několik praktických výhod. Tiskárna je méně hlučná, uvnitř se udržuje relativně vyšší teplota pro bezproblémový tisk a tvarem připomíná malý počítač, takže se vcelku dobře vyjímá vedle ostatních periférií.

Velikost modelu omezuje tiskový objem 1 720 cm³

Jelikož se jedná o malý model, relativně malá je i tisková plocha. UP! Mini dokáže vyrobit předmět s maximálními rozměry 120 × 120 × 120 mm. Pokud budete na tiskárně vyrábět malé díly, které pak složíte dohromady, je tato velikost zpravidla dostačující, monolitické předměty – třeba pouzdro (bumper) na rozměrnější telefon už ale bude problém.

Princip tisku

Princip tisku se nikterak neliší od konkurence. V zadní části tiskárny se odvíjí kotouč umělé hmoty ABS ve formě 1,75mm cívky, kterou do tavící trysky tlačí jednoduchý elektromotorek, jehož silný magnet zároveň slouží pro ukotvení celé tiskové hlavy. Tisková hlava není ke konstrukci připevněná jediným šroubkem, servis je tedy poměrně snadný.

  
Tisková hlava s tryskou je ke konstrukci ukotvena pouze silou magnetu elektromotoru, odpojení a její servis je tedy velmi snadný. V tomto případě ji budu muset vyčistit od spáleného plastu po intenzivním dvoutýdenním tisku. 

Jakmile se lanko setká s rozžhaveným kovem trysky o teplotě 260°C, roztaví se a doslova vyteče v podobě tenkého vlasu ven. V tu chvíli se tryska nachází méně než jeden milimetr nad tiskovou plošinou, takže než stačí drobné vlákénko zaschnout, přitaví se k desce.

   
Tisk v praxi – tryska nanáší tenké vrstvičky taveného plastu ABS, který okamžitě schne

Tisková hlava UP! Mini se pohybuje zleva doprava a deska, na kterou tryska pokládá natavené vlákno, pak dopředu, dozadu a po každé natištěné vrstvě se posune o jeden krok níže. Díky přesnému mechanizmu je UP! Mini schopna vyrobit detail s horizontálním rozlišením (osy X, Y) okolo 0,1 mm a vertikálním (osa Z = tloušťka vrstvy) volitelně 0,2 až 0,4 mm.

 
Ačkoliv se natavené vlákno z trysky jeví tenké téměř jako vlas, mikroskop odhalí realitu. Natavené vlákno z trysky vs. mnohem tenčí vlas naší grafičky Evičky z Computeru.

Video: Výroba plastového prasátka od A do Z

Kvalitní tisk zabere celý den

Délku výrobního procesu neurčuje pouze nastavené vertikální rozlišení a obecná kvalita tisku, ale také způsob, jakým se bude vyrábět vnitřní prostor těles. Ten se zpravidla netiskne plný, poněvadž je to zbytečné a vedlo by to pouze k obrovské spotřebě ABS. Tiskárna namísto toho uvnitř vyrábí mřížku a vzdálenost jednotlivých stěn pak určuje i celkovou pevnost modelu. Pokud si budete tisknout třeba figurku ptáka jako na obrázku níže, je vcelku zbytečné, aby měl masivní vnitřní konstrukci. Ta se naopak hodí u předmětů, které budete namáhat – třeba u stativu pro telefon s fotoaparátem, sponky, která musí být pružná a tedy vnitřně homogenní atp.

   
Ovládací program tiskáren UP!, nastavení vnitřní výplně, ukázka výplně tělesa a hotový pták, který je tím pádem velmi lehký a úsporný na materiál

   
U pružné sponky a stativu pro telefon je naopak dobré zvolit pevnou výplň i kvůli těžišti

Tato variabilita kvality tisku vede k poměrně velkým rozdílům doby tisku a spotřebovaného materiálu. Ovládací program naštěstí umožňuje zpracovat náhled tisku, který spočítá, kolik materiálu se při aktuálním nastavení použije a jak dlouho to bude trvat. Pro představu se podívejte na tabulku níže s mezními hodnotami.

Tab: Doba tisku ptáka výše podle nastavení kvality a síly výplně

Kvalita tisku	Nejsilnější výplň (92 g)	Nejslabší výplň (48 g)	Dutý předmět (35,6 g)
Vysoká	9 hodin	5 hodin	4 hodiny
Střední	6 hodin	3,5 hodiny	3 hodiny
Nízká	5 hodin	3 hodiny	2 hodiny

Při tisku se používá lešení

Když jsem se před dvěma týdny začal na sociálních sítích chlubit s prvními vytištěnými předměty, stále dokola se opakoval jeden jediný dotaz: No dobře, tiskárna tiskne po vrstvičkách, ale jak proboha dokáže vytisknout třeba chobot slona? Vždyť se musí zhroutit!

Nezhroutí se, tiskárna mu totiž vyrobí jednoduché lešení. Jakmile v programu spustíte tisk, program nejprve spočítá podobná kritická místa a doplní jim podpory. V programu dokonce můžete nastavit kritický úhel, od kterého se už mají automaticky konstruovat. Ve výchozím stavu je tato hodnota nastavená zhruba na 45°, samozřejmě se ale může stát, že u složitějších a všelijak zprohýbaných modelů bude podpor takové množství, že je budete ještě další hodinu vylamovat a budete se modlit, abyste nepoškodili drobné díly.

   
Aby se přesahy bez podpory nezhroutily, software pro ně automaticky dopočítá stabilizační lešení, které je pak třeba vylomit silou

Vedle podpůrného lešení vyrábí tiskárna ve výchozím stavu také podložení. To znamená, že se předmět nezačne tisknout rovnou na podložku, ale nejprve se položí několik předem stanovených vrstev půdorysu.

Tato funkce je naprosto klíčová, termoplast ABS, ze kterého se vyrábí třeba i stavebnice Lego, totiž velmi rychle zasychá – prakticky okamžitě. Může se tedy snadno stát, že se model díky rychlému chladnutí odlepí od podložky, která má opravdu rychlý a cukavý pohyb, a vše by bylo ztraceno.

  
Mezi perforovanou deskou a samotným modelem se vytiskne ještě několik vrstev podložení, které má lépe přilnout k desce

Pokud ale tryska nejprve vyrobí půdorys modelu, který lépe přilne k podložce, model se už neodlepí. Mezi půdorysem a nejspodnější vrstvou modelu není plná výplň, ale opět mřížka, takže lze obě vrstvy snadno odtrhnout od sebe, aniž by došlo k poškození.

Kouzelná perforovaná destička

Ani tento způsob podkladového lešení ale nemusí zabránit katastrofě, proto každá tiskárna nahřívá podkladovou desku, aby plast ke kovu či sklu opravdu přilnul. Tady už pak začíná opravdová alchymie a není to žádná legrace. Ne vždy je totiž zahřátí dostatečné, takže je třeba desce pomoci třeba žehličkou. Jiní volí chemickou cestu a tiskovou desku potírají koktejlem acetonu a rozpuštěného ABS. Na tuto kašičku se pak model snadno přilepí, ale zase za cenu toho, že budete dlouhé hodiny vdechovat výpary z ředidla. Ideální postup do dílny, ale nemožný do bytu.

UP! Mini se snaží řešit i tento problém a to pomocí speciální perforované destičky. Ta se zasune na samotnou základnu, a když tryska začne vytlačovat natavený vlas umělé hmoty, ten zateče do pórů a dostatečně se ukotví.

Perforovaná destička

Moje praxe byla taková, že se tato technika osvědčila až po několika pokusech. První modely se mi po pár minutách tisku odlepily a já si už zoufal, že tiskárnu odešlu zpět. Pak jsem však destičku zahřál žehličkou, tisk se konečně povedl a stejně tak všechny následující. Póry perforované destičky byly po opakovaném tisku jednoduše plné zateklého ABS a stabilizace pak už fungovala naprosto bez problému, aniž bych musel používat jakoukoliv chemii a nadměrné zahřívání. Opravdu stačilo nahrát model ve formátu STL, stisknout tlačítko Print a vrátit se za tři hodinky. V takovém případě klidně můžete odpojit i počítač, poněvadž jakmile se nahraje celý model do flashové paměti tiskárny, žije už vlastním životem.

Zásoba hotových modelů, které stačí vytisknout

Jak už jsem napsal výše, vstupním formátem tiskového softwaru je jazyk STL, který principiálně připomíná třeba SVG, nejedná se však o XML. STL je standardní formát pro 3D tiskárny, proto s ním pracují prakticky všechny tiskové softwary, umí do něj exportovat většina CAD/3D modelačních nástrojů a internet je plný katalogů s již hotovými modely. Tím nejznámějším je Thingiverse, který provozuje americký výrobce 3D tiskáren MakerBot, existují ale i další – třeba právě ty od Autodesku, který vyvíjí modelační nástroj Tinkercad a balík konstrukčních bezplatných programu 123D.

  
Katalog Thingiverse a stažený stojánek, který jsem si vyrobil

Suma sumárum, pokud si pořídíte 3D tiskárnu, nemusíte znovu navrhovat kolo, poněvadž už to udělal někdo před vámi a model umístil zdarma do některé z těchto databank. Najdete tam opravdu téměř vše počínaje všemožnými háčky, obaly na mobilní telefon a konče kompletními doky s otvorem na USB kabel, který stačí zalepit třeba tavnou pistolí, a mechanickými stroji plnými ozubených koleček. Modeláři a kutilové se musejí při pohledu na tu krásu jednoduše zbláznit a okamžitě spotřebují celý kotouč ABS.

   
Některé výrobky z katalogu Thingiverse

 
Některé výrobky z katalogu Thingiverse

Funkční ozubená kolečka vytištěná z jednoho kusu plastu

Díky principu tisku po vrstvách dokážou 3D tiskárny vyrobit z jednoho kusu plastu i předměty, které z jednoho kusu jiným způsobem nevyrobíte. Třeba tuto rotační soustavu opět z katalogu Thingiverse.

Kolik ten tisk vlastně stojí?

První roli ABS spotřebujete opravdu rychle. Výrobce dodává tiskárnu s bílou 700g cívkou. Další seženete na internetu a v různých barevných odstínech za cenu mezi 600 až 1 000 korun. Cenový rozsah je opravdu velký, stejně variabilní ale může být i materiálová kvalita. S bílou cívkou od výrobce se mi tisklo velmi dobře a povrch modelů byl relativně hladký. K dispozici jsem měl i černou roli, ta mi ale při tisku přišla hrubší a hotové modely ne tak hezké. Možná je to ale dáno jednoduše tím, že na bezbarvé bílé případné nepřesnosti jednoduše nepoznáte, zatímco na jiném odstínu je zřetelná každá prohlubeň a nešvar.

Role ABS – každá obsahuje 700 g surového materiálu

V každém případě platí, že 1 gram tiskové hmoty vyjde na 0,7-1,4 korun. Vzhledem k „dutému“ tisku jsou i ty největší modely poměrně lehké, takže materiálová cena stojánku na telefon se bude pohybovat okolo třiceti korun.

K těmto nákladům ale musíte připočítat ještě spotřebu elektřiny – tiskárna si během mnohahodinové výroby řekne zhruba mezi 50 až 70 W – a samotnou amortizaci. Jelikož se toho v tiskárně pohybuje docela dost a hlava je rozžhavená na 260 °C, pravděpodobnost poruchy roste geometrickou řadou. Podobně jako u RepRapů a jiných modelů můžete některé časem opotřebované části znovu vytisknout, pokud ale praskne řemen, či se porouchá servo, bez servisu se neobejdete. Skutečnou cenu se všemi náklady lze tedy odhadnout jen velmi těžce.

Při úvodním žhavení poskočí příkon na 90 W,
během tisku se ale pohybuje mezi 50-70 W

Tiskárnu jsem se během těch dvou týdnů pokusil opravdu zapřáhnout na maximum, o víkendech mi tedy v mém malém bytě hučela od rána do večera a suplovala topení. Spotřeboval jsem kilogram hmoty, vyrobil okolo třicítky všemožných předmětů, ale zítra ji mohu bez výčitek opět zabalit do krabice a odeslat domů, jediné opotřebení se totiž projevilo na perforované destičce. V balení tiskárny jsou celkem tři a společně s tiskovým materiálem se jedná o příslušenství, které lze dokoupit i u českého prodejce.

Téměř dokonalý „ׅplug&play“ tisk

Čili jakou známku si tiskárna zaslouží? Jaké jsou její mouchy a naopak silné stránky? Na 3D tiskárnu stále nelze pohlížet jako na běžné spotřební zboží, i když zrovna UP! Mini tak určitě vypadá. Prvních několik hodin vám bude trvat, než pochopíte, jak vše funguje, a další hodinku se budete pokoušet o manuální kalibraci tiskové desky vůči trysce, která musí být v naprosto přesné vzdálenosti. Jenže zatímco u ostatních levných tiskáren provádíte kalibraci často se šroubovákem v ruce, v tomto případě jen doplňujete číselné hodnoty do programu a tisková deska se zlehounka naklání. Je to stále alchymie, ale neušpiníte se.

  
Kalibrace systému a tiskové desky: Složený papír má tloušťku asi 0,1 mm. Vyjedu tedy s deskou až ke trysce, vložím papír a měřím, ve kterých místech je mezi tryskou a deskou větší vůle. Tu pak koriguji na devítimístné matici na prostředním obrázku. Jakmile je stisk papíru ve všech místech plochy stejný, je hotovo.

Když konečně vše nastavíte, zjistíte, že z trysky nevytéká plast. A tak opět surfujete na stránkách výrobce, pročítáte webová fóra a nakonec vám nezbude nic jiného než tiskovou hlavu zcela rozmontovat, poněvadž se vám ucpal motorek, který posouvá vlákno ABS z cívky do trysky.

  
Nastavení tisku, hlavní nabídka a servisní panel s možností vytlačení plastu z trysky třeba při zavádění nové role ABS

Je to tedy stále kumšt, je to řemeslo, které se musíte naučit, ale přesto všechno musím UP! Mini pochválit za to, že jakmile si projdete těmito dětskými neduhy, z černé krabice se rázem stane opravdové „plug&play“ zařízení a funguje na stisk jednoho tlačítka jako každá inkoustová tiskárna. Pak už opravdu stačí načíst 3D model, stisknout tlačítko a spustit nějaký dobrý celovečerní film.