Zatímco klasické domácí inkoustové a laserové tiskárny z našich domácností díky digitalizaci a rychlému internetu postupně mizí, v dílně kdejakého kutila se v poslední dekádě objevila 3D tiskárna. Ty nejlevnější kousky dnes pořídíte už za několik tisíc korun.
Co je to vlastně 3D tiskárna?
3D tiskáren je celá řada, pojďme si proto nejprve zrekapitulovat obecnou teoretickou omáčku. Takže co je to vlastně 3D tiskárna?
Odpověď není jednoduchá, jedná se totiž o natolik obecný a vyprázdněný termín, že tak dnes nazýváme v podstatě jakékoliv zařízení, které aditivní technikou (nanášením) vytvoří z výrobní hmoty předmět podle našeho zadání.
Zatímco takový soustruh nebo frézka opracovávají blok pevného dřeva nebo kovu, ze kterého vyrobí šachovou figurku, 3D tiskárna naopak stejnou figurku sestaví třeba z kovového prášku nebo jemných dřevěných pilin, které dohromady spojí jejich zahřátím či jiným chemickým procesem.
FDM, SLA, SLM/EBM a desítky dalších
Právě podle způsobu nanášecí techniky dnes dělíme tiskárny do celého spektra konstrukcí, přičemž k těm nejrozšířenějším patří tiskárny typu FDM/FFF, SLA a v průmyslu pak třeba i SLM/EBM.
Takže pěkně popořadě. Troufám si tvrdit, že drtivá většina čtenářů tohoto článku si pod 3D tiskárnou představí výhradně zařízení typu FDM/FFF – Fused Deposition Modeling, respektive Fused Filament Fabrication. Je to jedno a totéž.
Česká 3D tiskárna Original Prusa i3 MK3S je typickým představitelem FDM/FFF tisku
Jedná se o zdaleka nejrozšířenější a nejjednodušší technologii 3D tisku, kterou požívají prakticky všechny levné 3D tiskárny. Jak už anglický název napovídá, taková tiskárna vyrábí předmět tavením speciálního materiálu v trysce, která pak zahřátou měkkou hmotu ve formě tenké nitě pokládá na tiskovou desku.
Předmět, který chceme vyrobit, nejprve speciální software nařezal na stovky tenkých vrstev, které nyní bude tryska pomocí natavené nitě postupně sestavovat jednu za druhou. Jelikož tavenina prakticky okamžitě zasychá a drží tvar, lze tímto způsobem po jednotlivých vrstvičkách vyrobit prakticky cokoliv.
Většinou se tiskne pomocí hmot PLA a ABS
Dnes se jako výrobní materiál nejčastěji používá ekologicky šetrná umělá hmota PLA (polymléčná kyselina – polylactic acid), kterou tisková hlava taví zhruba při teplotě okolo 200 °C, a poměrně rozšířená průmyslová umělá hmota ABS (akrylonitrilbutadienstyren), která je vzhledem k vyšší teplotě tání tepelně odolnější (do takového výrobku lze třeba snadněji vrtat, protože třením jen tak nezměkne). Na stranu druhou, PLA zase snáze přilne k tiskové desce a neodlepuje se.
Kotouč se strunou PLA. Po otevření je vhodné materiál relativně brzy spotřebovat, okolní vzduch totiž postupně zhoršuje jeho tiskové schopnosti.
Tiskový materiál se zpravidla dodává ve formě navinuté struny s průměrem okolo 2 mm, kterou si pak tisková hlava postupně odebírá ze zásobníku. Kotouč s jedním kilogramem PLA pořídíte zhruba za cenu okolo pětistovky.
Stereolitografie a SLM/EBM
Mezi další rozšířené typy 3D tisku patří SLA – stereolitografie. Princip fungování se oproti FDM/FFF naprosto liší a samotný tisk na vlastní oči připomíná tak trochu sci-fi. Představte si kádinku s tekutinou, na jejímž dně probleskuje zvláštní světlo a z hladiny se najednou začne vynořovat naše šachová figurka. Jen tak – jakoby z ničeho.
Česká stereolitografická 3D tiskárna Original Prusa SL1
Onou tekutinou je totiž speciální roztok fotocitlivé pryskyřice, která je ze dna kádinky osvětlovaná přesnými paprsky UV laseru nebo DLP maskou. Jakmile světlo dopadne na rozpuštěnou pryskyřici, ta zatvrdne a přilepí se k tiskové desce, která je tentokrát nahoře.
Vytvoří se první vrstvička, deska se o krok zvedne a světlo vytvrdí další várku pryskyřice. Z hladiny postupně začne vystupovat náš výrobek. Za tisk tohoto typu si už připlatíte – i ty nejlevnější SLA tiskárny na trhu vás totiž přijdou na desítky tisíc korun. Získáte ale mnohem vyšší přesnost a jemnost výroby.
Do třetice si zmínku zaslouží ještě jedna z nejdražších 3D tiskových technik EBM/EBAM – Electron Beam Additive Manufacturing, která tentokrát používá laser nebo jiný zdroj energie k tavení zpravidla jemného kovového prášku – třeba titanu. Opět se tiskne po vrstvičkách, výsledný materiál už ale může mít vlastnosti podobné slévárenskému odlitku.
Lockheed Martin pomocí technologie EBM vytiskl titanovou kupoli pro palivový tank družice. Všimněte si patrných vrstviček na první fotografii, které zahladilo až finální broušení a leštění.
Tato průmyslová technika se používá třeba při tisku součástí pro družice, ale stejně tak třeba k výrobě prototypů nového kolenního kloubu. Až tedy uslyšíte, že vědci vytiskli novou holenní kost, nemusí to automaticky znamenat, že k tomu použili běžnou domácí 3D tiskárnu za pár tisíc, ale stroj, který funguje na úplně jiném principu a přišel by vás na miliony.
Laciná tiskárna z Asie za čtyři tisíce
Po stručném představení základních tiskových technik a konstrukcí se konečně pojďme podívat na jeden z laciných modelů FDM/FFF 3D tiskárny, do redakce nám totiž na jaře dorazila robustní mašinka Alfawise U30.
Laciná 3D tiskárna Alfawise U30 s barevným dotykovým displejem
Je to jeden z mnoha levných modelů v cenové kategorii do 5 000 korun, které se principiálně podobají jako vejce vejci, a tak ji prosím berte jako jednoho ze zástupců této kategorie. Cílem dnešního článku není recenze a výběr té nejlepší čínské tiskárny, ale seznámení se s cenově dostupným 3D tiskem jako takovým.
Tiskárna má robustní hliníkový rám a tiskovou hlavu a vyhřívanou tiskovou desku pro práci jak s doporučeným tiskovým materiálem PLA, tak tepelně odolnějším a tvrdším ABS.
Čínský e-shop o ní píše jako o laciné kopii dnes už slavné řady českých 3D tiskáren Prusa a do jisté míry tomu tak je, základní konstrukce je totiž podobná – vychází ze stejné svobodné předlohy, ale cena je několikanásobně nižší. Dnes ji na Gearbestu, který je jejím oficiálním prodejním kanálem, pořídíte za něco málo přes 4 000 korun.
Tato kategorie je ideální pro seznámení se s 3D tiskem a pro nenáročnou domácí výrobu. Jakmile se ale stanete ostřílenými veterány a ze spíže na vás začnou namísto starých rohlíků vypadávat kotouče se strunami PLA a ABS, stejně začnete šetřit na Prusu.
Parametry Alfawise U30
- Konstrukce: Slitina hliníku, stavebnice/kit
- Tisková plocha: 220 × 220 × 250 mm (vyhřívaná tisková deska)
- Tiskový materiál: PLA, ABS (struna s průměrem 1,75 mm)
- Tloušťka vrstvy: 0,1-0,4 mm
- Rychlost tisku: až 120 mm (pro stabilitu doporučeno 30-70 mm)
- Přesnost horizontálního pohybu: 0,0125 mm
- Přesnost vertikálního pohybu: 0,0025 mm
- Průměr trysky: 0,4 mm
- Teplota trysky: až 240 °C
- Propojení s PC: USB (přímý tisk z Cura, Simplify3D, Repetier)
- Samostatný/offline tisk: z paměťového média microSD
- Ovládání: dotykový (rezistivní) 2,8" barevný LCD displej
- Web: alfawise.com
- Cena: 4 189 Kč (Gearbest)
Tiskárnu si musíte nejprve sešroubovat
Většina levných domácích 3D tiskáren otevřené konstrukce se dnes prodává ve formě kitu, který si musíte sami složit. Ale nebojte se, jedná se o princip Ikea, takže v objemné krabici dorazí vedle dílů tiskárny také barevný obrázkový návod krok za krokem.
Krabice je rozložena na několik částí, které musíte složit. Pomůže barevný návod.
Složení tiskárny je relativně jednoduché a průměrně technicky schopný člověk, který dokáže sešroubovat policový díl ze zmíněného severského obchodu s nábytkem, bude mít hotovo zhruba za slabou hodinku. Tiskárna je totiž naštěstí rozložená jen na několik hlavních částí, které musíte sešroubovat dohromady.
Základna tiskárny s elektrickým zdrojem a motorikou tiskové desky, která se bude pohybovat dopředu a dozadu
V celku je základna tiskárny s elektrickým zdrojem a motorikou vyhřívané tiskové desky, která se bude při tisku pohybovat vpřed a vzad. Relativně kompletní je i mechanizmus tiskové hlavy, který se skládá ze samotné trysky (extruderu) s chladícím ventilátorem, motorizovaného navijáku struny s detektorem docházejícího/zaseklého tiskového materiálu a krokového motoru pro horizontální pohyb tiskové hlavy doleva a doprava.
Kompletace tiskové hlavy s tryskou a krokovým motorem pro její pohyb vlevo a vpravo
V další fázi je třeba přišroubovat krokový motor se šnekovou hřídelí pro vertikální pohyb tiskové hlavy, rám tiskárny, tiskovou desku s vyhříváním, barevný dotykový (rezistivní) displej a zapojit napájecí a datovou kabeláž, v čemž vám pomohou značky rozlišené písmeny, takže Z bude patřit do Z, X do X a tak podobně.
Tiskárnu můžete ovládat pomocí dotykového (rezistivního) displeje
Kalibrace nuda je, má však cenné údaje
Mnoho začátečníků se může děsit úvodní kalibrace a mnohdy opravdu právem. Přiznám se, že jsem v případě U30 očekával několikahodinové peklo, opak byl ale pravdou. Když totiž tiskárnu konečně zkompletujete, připojíte k napájení a ověříte, že vše svítí, bliká, a tedy asi i funguje, čeká vás proces, kdy musíte nastavit tiskovou desku do perfektní roviny.
Režim ruční kalibrace. Ovládací program navede trysku do pěti míst tiskové desky.
To je naprosto klíčové, tryska totiž musí být při tisku v každém místě od tiskové desky ve stejné vzdálenosti. Kdyby tomu tak nebylo, natavená tisková hmota by byla v některých místech příliš přitlačená k povrchu a jinde naopak málo a začala by se v lepším případě jen odlepovat. V každém případě, namísto přesné šachové figurky byste vytiskli leda tak jakýsi nevzhledný chuchvalec.
Mnohé vybavenější 3D tiskárny (Prusa aj.) nabízejí automatickou kalibraci, součástí tiskové hlavy je totiž elektronické čidlo, které si změří vzdálenost k desce. U30 nic takového nemá, kalibraci tedy musíte udělat ručně – s listem běžné kancelářské A4.
Pomocí šroubů na spodní straně tiskové desky nastavíme v pěti kalibračních místech prostor mezi tryskou a deskou zhruba na tloušťku listu kancelářské A4. Kalibraci je třeba provést po každé větší manipulaci s tiskárnou.
Na 2,8“ dotykovém displeji, který se mimochodem ovládá velmi dobře, tedy přejdeme do menu kalibrace, kdy krokové motory tiskárny navedou hlavu vždy na jedno z několika míst tiskové desky a přiblíží ji na nemenší tiskovou vzdálenost.
Na vás je, abyste pomocí čtyř šroubů v rozích pod deskou upravili vzdálenost k trysce takovým způsobem, abyste mohli mezi tryskou a deskou protáhnout list papíru. Když bude odpor papíru ve všech kalibračních bodech stejný, máte hotovo.
Jak vytvořit 3D model?
Tiskárna je sestavená, zkalibrovaná a připravená k prvním experimentům. Ale jak vlastně navrhnout to, co chceme vyrobit? Pomůže nám jakýkoliv modelační/CAD software s podporou 3D.
Těch desktopových je celý zástup, ale nemusíte sahat hned po komerčním etalonu od Autodesku (AutoCAD) nebo třeba Bentley (Microstation), protože internet nabízí i jejich bezplatné alternativy jako třeba FreeCAD.
Osobní katalog 3D modelů webového editoru Autodesk Tinkercad
Začátečníka, který v podobných návrhových prostředích nikdy nepracoval, ale dokáže CAD během hodiny nadobro odradit. Někteří výrobci si to s nástupem laciných domácích 3D tiskáren naštěstí zavčas uvědomili a vyšli vstříc běžným smrtelníkům.
A tak se zrodil bezplatný a webový Autodesk Tinkercad, ve kterém s pomocí základních 3D tvarů a jejích vzájemným prolínáním stvoříte prakticky jakýkoliv 3D tvar.
Nejprve jsem do scény vložil krychli a nastavil její rozměry na 20×20×20 mm. Poté jsem do scény vložil prázdný válec a umístil jej na střed krychle. Nakonec jsem oba objekty prolnul a vytvořil tak krychli s otvorem. Právě takto se v Tinkercadu tvoří komplexní tvary.
Samozřejmě nechybí pravítko pro přesně měření, takže s digitální šuplerou v ruce změříte přesné rozměry, podle kterých pak v Tinkercadu vytvoříte digitální 3D model krabičky, kterou později vyrobíte na tiskárně.
Pokročilejším modelářům vřele doporučím ještě další webový nástroj – Oneshape s bezplatným tarifem, který je také optimalizovaný pro 3D tisk.
Krabička redakční meteostanice s displejem
Krychle s otvorem je sice hezká, ale pojďme si vymodelovat něco praktičtějšího – potřebuji krabičku pro redakční meteostanici. Při vymetání pavučin jsem totiž narazil na zapomenutý vývojářský kit Android Things, který jsem si před lety přivezl z vývojářské konference Googlu.
Jedná se o desku mikropočítače zhruba velikosti Raspberry Pi, jejímž mozkem je čipset NXP i.MX7D s 1GHz procesorem ARM Cortex-A7, 512 MB RAM a 4GB eMMC pamětí. Co je však nejdůležitější, součástí kitu je i 5" kapacitní displej (800×480 px) a uvnitř běží operační systém Android Things pro internet věcí.
Vývojářský Android Things Starter Kit s 5" dotykovým displejem
Na 40pinové pole s GPIO, I2C, SPI a UART proto připojím prototypovací modul s čipem digitálního teploměru a vlhkoměru Sensirion SHT3x, se kterým jsme si už pohráli v našem seriálu o programování elektroniky, a vyrobím meteostanici, která bude přišroubovaná ke stěně u nás v redakci.
Meteostanice bude na rozměrném displeji vedle teploty a vlhkosti vzduchu zobrazovat ještě ikonu aktuálního počasí v Brně, které pro změnu odhadne moje neuronová síť Boženka. Meteostanice se s ní spojí skrze její HTTPS API.
Krabička pro redakční meteostanici
Šuplerou tedy změřím rozměry displeje a vývojářského kitu s prototypovací deskou a v Tinkercadu podle hodnot a postupem z předchozí kapitoly postupně vytvořím dvě části krabičky. Čelní hlavní část s otvorem pro displej, samotný mikropočítač a zadní kryt.
Všimněte si, že na horní straně nechybí 2mm žebroví ventilace, pod kterým se bude nacházet nejteplejší část desky s armovým procesorem. Vpravo je pak ještě malý otvor pro Wi-Fi anténu. Na spodní straně zeje servisní otvor pro připojení flashovacího/napájecího USB-C kabelu a signálních vodičů kombinovaného teploměru a vlhkoměru.
Zadní kryt meteostanice s držákem čidla teploty a vlhkosti vzduchu
Druhým klíčovým dílem bude zadní kryt krabičky s otvory pro šrouby k ukotvení na stěnu a držákem modulu s teploměrem a vlhkoměrem, který se bude nacházet několik centimetrů pod krabičkou ve vlastním krytu s průduchy, takže na něj už nebude působit tepelné pole armového procesoru.
Tak, návrh bychom měli, takže teď už stačí jednotlivé modely exportovat do formátu STL, uložit do počítače a konečně vše připravit k tisku.
Cura nařeže model na vrstvy
STL je jeden z dnes již standardních formátů pro snadný přenos jednoduchého modelu pro 3D tisk mezi jednotlivými programy. Formátu STL ale většina laciných 3D tiskáren nerozumí. Potřebují 3D předlohu ještě nařezat.
Cože? Ano, nařezat. Jak už jsme si vysvětlili v úvodu, aditivní 3D tiskárny vyrábějí předmět nanášením jednotlivých vrstev na sebe. 3D model tedy musíme nařezat na vrstvičky, které se konečně skládají ze samotné cesty, kterou se pak bude desítky minut až dlouhé hodiny pohybovat samotná tisková hlava.
Cura nařezala krabičku do formátu GCODE a spočítala, jak dlouho bude výroba trvat
Vlastně to tak trošku připomíná plánování cesty po D1 z Brna do Prahy, ale s předpokladem, že na dálnici bude až několik tisíc uzavírek a program tedy bude muset najít nejoptimálnější objízdnou trasu všemi uzly.
Toto nařezaní za nás provede některý z mnoha tiskových programů, které doporučuje výrobce zařízení. V případě naší tiskárny Alfawise U30 je to bezplatná aplikace Cura od Ultimakeru, pro kterou Alfawise dodává konfigurační soubor U30.ini s jejím tiskovým profilem.
Zadní kryt tak kvalitní být nemusí, a tak snížím vertikální rozlišení tisku, čímž se výrazně zkrátí doba výroby.
Kvalitu, způsob i délku tisku můžeme upravit pomocí mnoha desítek parametrů pro pokročilé tiskaře. Ale nebojte se, každý takový program pamatuje na zelenáče, takže nikdy nechybí ani základní režimy draft (rychle, ale nekvalitně) × kvalitně (ale šíleně pomalu).
V každém případě, výsledkem řezání, které u složitých modelů může trvat i desítky sekund, bude další dnes už standardní formát tiskových dat – soubor GCODE.
Tiskárnu lze zpravidla připojit k PC pomocí USB kabelu, mnohem praktičtější je ale nezávislý tisk z paměťového média – všimněte si zacvaknuté microSD
Tiskárny často nabízejí přímý tisk z připojeného počítače skrze USB kabel, výroba naší krabičky ale bude trvat dlouhé hodiny – prakticky celou noc. Namísto toho tedy uložím GCODE na microSD a tu zasunu do slotu na zadní straně Alfawise U30. Tiskárna tak může pracovat samostatně třeba celou noc v technické místnosti, aniž by vás rušil její hluk a museli jste mít až do rána spuštěný počítač.
3D tisk je pomalý. Šíleně pomalý!
Přes veškerý vývoj v posledních letech je aditivní FDM/FFF 3D tisk z principu pomalý. Šíleně pomalý. Jelikož tiskárna spaluje podobné množství elektřiny jako stolní počítač, častý celonoční tisk se tak už pochopitelně může nějakou tou korunou podepsat na faktuře za elektřinu.
Je třeba si uvědomit, že pohyb ve třech osách prostoru provádějí přesné krokové motory, které mají své technické limity, a stejně tak tryska nemůže být příliš rychlá, protože vlákénko nataveného plastu by nemuselo přilnout k podloží.
Tisk podpůrné vrstvy pro snadné odloupnutí výrobku od desky a hotový výrobek při nastavené nízké kvalitě tisku. V tomto případě se jedná o karoserii robota.
Dnes tisk sice urychlují nové a nové algoritmy pro výpočet optimální cesty hlavy nebo třeba ventilátor na tiskové hlavě, který zrychlí zaschnutí vlákna, i tak však výroba byť jen maličkého předmětu zabere desítky minut.
Slovy čísel, laciná Alfawise U30 dokáže za ideálních podmínek pokládat natavené vlákno rychlostí až 120 mm/s. Ale to jsou opravdu ideální podmínky, které ovlivňuje nastavení kvality tisku, tedy jeho rozlišení, způsob výplně objemných předmětů (duté × plné) a způsob pohybu hlavy.
Už jen čtyři hodiny!
Výchozí rychlost tiskového profilu je poloviční, protože i výrobce tiskárny si je vědom, že by to asi nedopadlo vždy dobře. Suma sumárum, Cura při řezání vypočítala, že tiskárna při průměrné kvalitě vyrobí jeden díl zhruba za 6 hodin! Výroba celé krabičky se tedy protáhne na celou noc a ráno.
Jen pro srovnání, nejnovější modely tiskáren Prusa zvládnou tisk rychlostí až 200 mm/s, tedy až několikanásobně rychleji.
Proč je to tak škaredé?
Když ráno přijdete do kuchyně k hotovému nočnímu tisku a výrobek jemně odloupnete od tiskové desky (lze ji dodatečně zahřát, aby to šlo snáze – spodní vrstva PLA/ABS změkne), začátečníka překvapí viditelné vrstvičky – jejich zuby.
To je běžná vlastnost aditivních tiskáren a tyto vrstvičky uvidíte prakticky při jakékoliv kvalitě. Je třeba si uvědomit, že tiskárna opravdu nanáší drobné vrstvičky vlákénka a nevylévá roztavený plast do perfektní formy.
Zubaté vrstvičky a další nedokonalosti vyniknout především na barevném tiskovém materiálu. Neutrální bílá naopak nedokonalost často skryje.
Zuby a další nerovnosti jsou patrné zejména u těchto levnějších tiskáren, přičemž poměrně hrubá je i plocha horní a spodní vrstvy výrobku. Pokud tedy chcete mít opravdu perfektní figurku, krabičku, plastový stojánek na mobil nebo cokoliv jiného, budete muset do hry zapojit ještě chemii.
Acetonové leptání
ABS, PLA a další citlivé termoplastické hmoty, které se používají pro tisk, jsou sice pevné, ale nejsou příliš odolné vůči chemickému leptání. To je nakonec i výhoda, tiskovou desku totiž brzy zašpiníte, ale díky snadnému leptání ji bez problému vyčistíte libovolnou agresivnější chemikálií – velmi dobře poslouží třeba aceton.
Aceton lze použít i k finálnímu vyhlazení povrchu. Aby bylo co nejrovnoměrnější a na povrchu vytvořilo leptáním glazuru, stačí výrobek umístit třeba do velké zavařovací sklenice společně s houbičkou napuštěnou acetonem. Když sklenici uzavřete, uvolňující se výpary acetonu začnou rozleptávat povrch, ale nebudou natolik agresivní, aby výrobek okamžitě zničily a rozpustily.
Odhad přesného času a množství acetonu je nicméně kumšt a řemeslo, takže tyto techniky se naučíte až za pochodu vlastním experimentováním. V každém případě, pokud se vám hotový 3D model podaří vyhladit opravdu slušně, může být výsledek srovnatelný s průmyslovými plastovými odlitky.
Tento článek je součástí balíčku PREMIUM+
Odemkněte si exkluzivní obsah a videa bez reklam na devíti webech.
Vyzkoušet za 1 Kč
Nebo samostatné Živě Premium
