3D tisk: jak funguje a kde začít?

Základní princip 3D tisku je shodný prakticky napříč všemi tiskárnami. Vezměte jakýkoliv 3D model a pomyslně jej rozřezejte na stovky až tisíce tenkých vrstev. Počítač poté pro každý bod v dané vrstvě určí souřadnice X a Y (v ploše) a následně také osu Z, tedy jak vysoko se vrstva nachází. Tiskárna nanáší nebo vytvrzuje materiál vrstvu po vrstvě, než vytiskne celý model.

 

Vrstvu po vrstvě, tak vzniká 3D tištěný díl (foto 3DHubs)

 

Pro příklad si uvedeme válec o výšce 100 mm. Pro tisk na FDM tiskárně s výškou vrstvy 0,2 mm je potřeba takový objekt rozřezat na 500 jednotlivých vrstev, přiřadit jim souřadnice, řadu dalších parametrů a vygenerovat výsledný kód, který je vlastně souhrn příkazů pro každou jednotlivou vrstvu.

Na první pohled se může takové zpracování modelu jevit jako složité a do značné míry je, nicméně běžný uživatel je této části díky programům určeným pro přípravu 3D modelů ušetřen. Většina z dnes dostupných “slicerů” si vystačí s vložením modelu, nastavením materiálu, určení množství vnitřní výplně a typu tiskárny, který hodláte využít.

Zbytek procesu je automatický a na řadu přichází algoritmy, které spočítají a optimalizují dráhu pohybu tiskové hlavy, nastaví správné teploty, odhalí slabá místa a případně vygenerují podpůrné konstrukce, které po tisku odstraníte. Pokročilejší uživatelé si samozřejmě mohou mnoho parametrů upravit a často tak zlepšit kvalitu, rychlost tisku, nebo naopak narazit na limity dané geometrie a pokažený tisk opakovat s jiným nastavením.

 

Stejný výtisk, sova vlevo byla vyhlazena výpary acetonu (foto Sink Hacks)

 

U 3D tisku je stejně jako u jiných technologií potřebná optimalizace výrobku a byť se může jevit vytištěný objekt jako dokonalý, dokážete jej ve stejné kvalitě vytisknout i o desítky procent rychleji, případně zlepšit kvalitu, aniž byste zásadně prodloužili dobu tisku. Tradiční výrobní postupy jako obrábění a frézování mají mnohokrát ověřená nastavení, u 3D tisku je nutné se nebát experimentovat a postupně sbírat zkušenosti.

 

Zřejmě nejčastější dotaz směřuje na způsob, jakým dostat 3D model do fyzického stavu, tak si jej pojďme ukázat. Celkově si tento proces můžeme rozdělit na 4 fáze:

 

Fáze 1: Abychom mohli tisknout, potřebujeme vytvořit v počítači 3D model. Prozatím se většina modelů kreslí v programech jako Fusion 360, OpenSCAD, Tinker CAD, které jsou zdarma. V profesionální sféře se často sází na Autodesk Inventor, nebo SolidWorks. Ty se používají již od dob strojového obrábění a mají funkce, které běžný uživatel příliš nevyužije.

Fusion 360 je velmi populární a navíc zdarma (foto Autodesk)

 

Kreslení modelu vyžaduje určité znalosti, nicméně ani úplní začátečníci nepřijdou zkrátka. Na internetu totiž dnes existují databáze s ohromným množstvím již hotových modelů, které si buď můžete stáhnout zcela zdarma, nebo autorovi zaplatíte poplatek, většinou v řádu desítek korun. Mezi nejznámější služby patří servery Thingiverse, MyMiniFactory nebo GrabCAD. Početné skupiny na 3D tisk obsahuje také Facebook, Reddit a pro inspiraci přijde vhod Pinterest nebo Instagram.

Nejvíce pozornosti se však upíná ke skenování již vyrobených objektů, avšak alespoň prozatím je tento způsob přípravy modelů vhodný pouze pro objekty, kde vám nezáleží na přesnosti. I ty nejlepší skenery neumí správně zachytit 100 % daného výrobku a různé mechanické díly je nutné nakreslit. Naopak pokud se vám např. zalíbila socha, existuje software, který z fotografií poskládá prostorový model. Ten po mírné retuši můžete vytisknout.

Podstatným bodem po dokončení modelu je formát, v kterém exportujete 3D model pro další zpracování. Mezi nejpoužívanější formáty patří:

STL - základní a nejčastěji používaný formát určený pro slicery. Má jednoduchý zápis, umí uchovat informace o geometrii objektu, nikoliv však o jeho barvách, vlastnostech a případně tiskovém nastavení. Pokud chcete v rámci jednoho STL souboru exportovat více modelů, mohou se po importu do sliceru chovat jako jeden objekt, což je nežádoucí, pokud je chcete následně lépe vyskládat na tiskovou podložku.

3MF/AMF - výše uvedená omezení odstraňují pokročilejší formáty schopné uchovat nejen geometrii objektu, ale také další parametry. Materiál, teploty a další tisková nastavení, barvy. U mechanických objektů můžete exportovat celou sestavu, avšak máte stále kontrolu nad jednotlivými elementy.

 

 

Fáze 2: Model máme a nyní je potřeba jej připravit pro tisk. K tomu slouží programy, které nazýváme “slicery” a jak již vyplývá z anglického názvu, je jejich primárním účelem nakrájení modelu. Mezi nejznámější programy patří Slic3r, Cura, nebo Simplify 3D. Postupně se objevují také cloudová řešení a velmi pravděpodobně se příprava modelu časem přesune přímo do 3D modelovacího programu.

Samotné nakrájení objektu na vrstvy pro úspěšný tisk nestačí. Tiskárna potřebuje vědět celou řadu parametrů jako je tloušťka vrstvy, síla obvodového pláště, množství výplně, použitý materiál, maximální možné rychlosti pohybu a mnoho dalších. Výrobci jsou si této komplexnosti vědomi, a proto často nabízí odladěné tiskové profily, kde se jako uživatel rozhodujete podle tloušťky vrstvy, což má vliv především na optické/estetické vlastnosti tisku. Obecně platí, že čím menší je tloušťka vrstvy, tím více se povrch tváří jednolitě pro oko pozorovatele.

Model je "nakrájen" a lze si zkontrolovat jednotlivé vrstvy (foto josefprusa.cz)

 

Po nastavení všech patřičných parametrů se spustí samotný proces “krájení” modelu a vytvoření výstupu pro tiskárnu. Před samotným exportem je ještě možné prohlédnout výsledek krájení v grafické podobě a trénované oko může často odhalit různé problémy, které by se později objevily během tisku. Na opravu často postačí drobná korekce v nastavení.

Jakmile jste s výsledkem spokojeni, následuje export do souboru G-code. Ten se používá již od dob obráběcích center a obsahuje vždy sadu instrukcí pro daný stroj, v našem případě 3D tiskárnu. Byť se celý proces přípravy modelů může zdát komplikovaný, není tomu tak. Většina sliceru je ve výchozím stavu nastavena tak, aby vám celý proces nezabral více než několik minut. Jediné, co vás může zdržet, je výkon vašeho počítače, který musí model zpracovat.

 

 

Fáze 3: V této části se dostáváte do pozice operátora 3D tiskárny, avšak jen na úvodní část. Tiskárnu spustíte, vyčistíte tiskový prostor, zahřejete na teploty, které jsou vyžadovány daným materiálem, který případně zavedete. Následuje kalibrace přístroje, ale ta je u novějších strojů často automatická a ke slovu se tak dostává spuštění G-code souboru.

Kalibrace první vrstvy je na uživateli, zbytek na 3D tiskárně (foto Wanhao)

 

V tu chvíli přebírá kontrolu nad tiskem počítač ukrytý v nitru tiskárny. Řídí motory, pohybuje tiskovou hlavou nebo i podložkou a vrstvu po vrstvě vytváří 3D model. Uživatel je nyní v pozici pozorovatele a povětšinou není nutné až do konce tisku jakkoli zasahovat.

Samozřejmě mohou nastat výjimky, kdy se tištěný objekt oddělí od tiskové podložky a následně je na uživateli, aby tisk zastavil, uklidil tiskový prostor a tisk opakoval. I v tomto směru se 3D tiskárny posouvají směrem k autonomnímu chování a pokud jejich senzory zaznamenají během tisku problém, pokusí se ho nejdříve opravit samy.

Je nutné počítat s tím, že ani 3D tisk nemá 100% úspěšnost a stejně jako se vám ucpe vstřikolis, či zlomí vrták v CNC, tak i při 3D tisku mohou nastat komplikace.

 

Fáze 4: Máme vytištěno a předpokládejme, že se tisk povedl. V ideálním případě jej oddělíte od tiskové podložky a máte hotovo. U komplikovanějších geometrií se však často ke slovu dostává oddělování podpůrných konstrukcí, vysypávání prášku z dutin, broušení hran a pro zručné modeláře je vytištěný model spíše jen základem pro další zpracování.

 

Úprava po tisku může být pouhé očištění ... (foto 3DHubs)

 

Aplikace kitů, jejich broušení, lakování a další úpravy používané v modelařině nachází uplatnění i v 3D tisku. Jsou zde jistá specifika dána typem materiálu, ale o tom si povíme v některém z příštích článků.

 

... nebo můžete tisk nabarvit (foto Prusa Printers)