3D tisk: jak funguje FDM/FFF tiskárna?

FDM materiály jsme si probrali, vysvětlili jejich vlastnosti, nároky a nyní se můžeme pustit do stavby tiskárny. Vytvořit univerzální tiskárnu na všechny dostupné filamenty by bylo nesmírně drahé, takže si postupně projdeme několik variant, které se budou lišit cenou a možnostmi.

 

Každý typ konstrukce má výhody i nevýhody a rozhodně se nenechte zmást marketingem výrobce, že pouze jeho přístup je ten nejlepší. Spíše se zaměřte na výrobky, které chcete vyrábět a materiály, které chcete používat. Dle toho si vyberte svou tiskárnu.

 

 

Tiskárnu začneme stavět od jejího srdce, tedy tiskové hlavy. Pro správný chod je naprosto zásadní kvalitní Hotend, neboli sestava dílů, které se starají o nahřátí i chlazení tištěného materiálu. Proč je nutné hřát i chladit zároveň? Oba procesy neprobíhají na stejném místě, zahřátí materiálu probíhá ve spodní části (heater block), zatímco chlazení probíhá o kus výše (heat sink), oba díly jsou spojeny komponentou zvanou heat break a jak již vyplývá z názvu, má se tato část postarat o přerušení vedení tepla ze spodní části.

 

 Konstrukce hotendu výrobce E3D (foto 3DprintingStackExchange) 

 

Všechny tyto komponenty jsou však kovové, a tak se teplo vždy v určité míře šíří směrem nahoru. Pokud byste materiál pouze tlačili směrem dolu, byla by situace jakžtakž řešitelná bez chlazení, avšak s materiálem se při retrakcích pohybuje i směrem nahoru a vzhledem k jeho zahřátí dochází k expanzi, která může způsobit ucpání celého hotendu.

 

Právě proto je zapotřebí určitou část hotendu chladit, již zmiňovaný heat sink je většinou žebrovaný chladič pro lepší odvod tepla, ale to u teplotně náročnějších materiálů nestačí, a proto přichází ke slovu ventilátor, který k chladiči přivádí chladnější vzduch. Přesné nastavení teplot i množství vzduchu je pro bezproblémový chod celého hotendu naprosto esenciální, a tak se na pokročilých tiskárnách setkáte s měřením teplot pomocí termistorů i regulací otáček ventilátorů přes PWM.

 

Posledním dílem skládačky je samotná tryska (nozzle), často je takto nesprávně označována celá sestava hotendu. Tryska je však pouze ta nejspodnější část hotendu, ze které je materiál vytlačován po zahřátí v heater blocku. Trysky se vyskytují v různých průměrech a jsou vyrobeny z rozličných materiálů, liší se především odolností. Jak jsme si už říkali např. u Woodfillu, potřebujete pro specifické materiály jim určenou trysku.

Nevhodná kombinace trysky a materiálu skončí často trvalým poškozením

(foto Make Magazine)

 

Pokud již mluvíme o rozdílech mezi komponentami, je dobré zmínit také hotendy s PTFE trubičkou uvnitř versus hotendy bez ní, které jsou tzv. "celokokové" (all-metal), což není nejsprávnější označení, neboť všechny hotendy jsou poskládané z kovových dílů. Důvodem pro použití PTFE (teflon) je ulpívání materiálu na kovových stěnách uvnitř hotendu. Teflon má velmi nízký koeficient tření, a tak po něm filament lépe klouže v obou směrech. Aby to však nebylo jednoduché, má teflon problémy s vysokými teplotami a při hodnotách vyšších jak 250 °C měkne a uvolňují se z něj toxické plyny.

 

Teplota v heater blocku nutná pro roztavení materiálu není nikdy plně přenesena až na teflon, takže např. tisk ABS na 250-260°C je ještě v pořádku, avšak u materiálů jako je Ultem, kde přesahujete 300 °C, je bezpečnější použít hotend bez PTFE.

 

Kromě chlazení hotendu je nutné chladit také tisk samotný, většinou samostatným druhým ventilátorem. Materiál rychleji dosáhne své finální pevnosti (ztvrdne) a nebude se tak bortit pod náporem dalších vrstev. Neplatí to však pro všechny materiály, u ABS aktivním chlazením zvýšíte míru smrštění a tištěný objekt popraská. Schopnější výrobci vám k tiskárně dodají tiskové profily, kde jsou otáčky obou ventilátorů nastavené dle tištěného materiálu.

 

Odvěký "spor", který dělí výrobce i komunitu na dva tábory, se týká způsobu zavádění materiálu do tiskové hlavy. V případě Direct Drive jsou podávací ozubená kolečka součástí tiskové hlavy a jsou tedy těsně nad místem, kde je filament nahříván. Výhodou je velmi přesný posun materiálu s minimem prokluzu, což oceníte především u flexibilních materiálů. Nevýhodou je naopak těžší tisková hlava, neboť musí obsahovat motor pro podávací systém.

Dva rozdílné způsobu vedení filamentu (foto 3dprinting.com)

 

Bowden má podávací systém mimo tiskovou hlavu na nepohyblivé části rámu. Lehká tisková hlava tak může dosahovat vyšších rychlostí, neboť nemusí řešit tak vysoké množství energie nutné pro akceleraci a deceleraci. Problémy tohoto řešení jsou úměrné délce bowdenu (trubičky), kterou vedete materiál do tiskové hlavy. Čím delší je, tím větší je pravděpodobnost chyb při pohybu s materiálem vlivem odporu bowdenu, platí to zejména u těch flexibilních.

 

Další z rozdílů je spíše na akademickou diskuzi a týká se teplot, kterých se dosahuje v okolí tištěného objektu. U bowdenu je motor umístěn mimo tiskový prostor a není tak namáhán teplotně, na rozdíl od Direct Drive. Ten je v 99 % případů velmi blízko rozpáleného hotendu a pokud navíc tiskárnu uzavřete do "skříně" kvůli zvýšení teploty (viz tisk z ABS), je otázkou, jak dlouho bude podávací motor spolehlivě fungovat. Na druhou stranu je nutno dodat, že kvalitní krokové motory často vydrží i teploty okolo 100 °C.

 

 

 

V současné době nejrozšířenější forma 3D tiskáren, především u domácností a menších podniků. Jednoduchá konstrukce umožňuje stavět tyto stroje již od několika tisíc korun. Základem je pohyb ve všech 3 osách, tedy X, Y (plošně) a Z (výškově). Nejčastěji se používá kombinace hlazených tyčí a řemenů, dražší modely využívají lineární vedení.

Typický zástupce kartézské tiskárny (foto reprap forum)

 

Každý z výrobců se k mechanismu pohybu staví jinak a zatímco např. Průša pohybuje podložkou v ose Y a extruderem v ose Z, tak Ultimaker má podložku fixní v ose Y a přesunuje extruder, ten je pak výškově fixní a naopak odjíždí podložka. Důvodem pro rozdílné konstrukce je především cena, kde vychází fixní podložka v osách X a Y o něco dráž.

 

Z hlediska tiskového prostoru se většina dnešních tiskáren pohybuje mezi 20-30 cm v každém směru, tedy např. 20×20×20 cm. U tiskáren s pohyblivou podložkou v ose Y se při vyšším tisku může projevit fakt, že pohybujete celým objektem a horní vrstvy tak nemusí být úplně přesně uložené. Hmotnost a akcelerace objektu způsobí jeho kmitání.

 

Typický zástupce: Original Prusa i3 MK3, Ultimaker 3+, Creality CR-10, Anycubic i3 Mega

Typický pohon: Direct Drive a Bowden

 

 

 

Tento typ tiskárny je variací kartézského systému a hodí se především pro tiskárny s větším tiskovým prostorem. Nepohybuje s tištěným objektem v horizontální ose Y a nedochází tak k jeho akceleraci. Tím pádem si tiskárna typu CoreXY může dovolit větší tiskové rychlosti. Typ konstrukce je uzavřený, většinou ve formě připomínající kostku nebo kvádr. V osách X a Y se tedy pohybuje tisková hlava, v ose Z pak většinou tisková podložka.

 

 

 

Aby tiskárna správně fungovala, musí být správně napnuté, nesmějí přeskakovat a také se časem nesmějí vytáhnout, což by způsobilo artefakty nebo dokonce posunuté vrstvy v objektu.

 

 

 

Méně rozšířená varianta tiskáren opět pracuje v kartézském systému, avšak sází na tiskovou hlavu, která je zavěšena na soustavě 3 pohyblivých ramen. Ramena jsou většinou posazena na lineárním vedení. Pro pohyb tiskové hlavy je potřeba počítat trigonometrické rovnice, což je výpočetně náročnější než u kartézských tiskáren.

 

Delty jsou stavěny na rychlý tisk, avšak za cenu nižší úrovně detailů. V oblasti tiskových rozměrů dominují Delty v ose Z, kde dokáží tisknout i na dvojnásobek výšky v porovnání s kartézskými tiskárnami. Pro vyšší tisky je vhodnější fixní tisková podložka a u vysokých Delta tiskáren proto jiný typ konstrukce nenajdete.

 

 

 

 

Polar přišel s velmi netradičním způsobem tisku. Jeden krokový motor umístěný pod kruhovou tiskovou podložkou ji neustále natáčí pod fixně umístěnou trysku, která se pohybuje pouze v ose Z. Výsledkem je tedy o něco jednodušší konstrukce než u výše uvedených tiskáren. Pro pohyb potřebujete pouze 2 motory, naproti tomu kartézská tiskárna většinou 4.

 

Nevýhodou je absence vyhřívané podložky, neboť by se brzy ukroutil jak napájecí kabel, tak termistor pro měření teploty. Tisk materiálů jako je ABS nebo PETG je tak velmi komplikovaný a vyžaduje všemožné předtiskové úpravy povrchu včetně zaříkávání šamanem. To v dnešní době již řešit nechcete.

 

Dle stránek výrobce Polar 3D to vypadá, že byl tento projekt ukončen.

 

Typický zástupce: Polar 3D

Typický pohon: -

 

 

 

Další z projektů, který spadá spíše do okrajové kategorie a je určen především nadšencům. Tiskovou hlavu svírá nejčastěji dvojice mechanických paží, které s ní pohybují. Zároveň se celý mechanismus paží pohybuje směrem vzhůru v ose Z.

 

Podložka zůstává na místě a nemusí být nutně spojena s konstrukcí tiskárny. Systém Scara by tak mohl najít uplatnění při tištění větších objektů, avšak opět narážíme na nutnost vyhřívání podložky a potažmo celého tiskového prostoru.

 

Podklady pro stavbu tiskárny jsou dostupné zdarma, nebo si můžete koupit již hotovou verzi.

 

Typický zástupce: Lilian, Morgan 2 Pro

Typický pohon: Bowden

 

 

 

Tyto termíny se v článku objevily již několikrát, a tak si je pojďme blíže vysvětlit. Při tisku na FFF tiskárně je naprosto zásadní, aby se první vrstva přilepila k podložce. Pokud se tak nestane, "nakreslí" tiskárna první vrstvu mimo předpokládanou polohu a ta další na ni nebude navazovat. Velmi brzy tak dojde k tomu, že bude tiskárna extrudovat vyšší vrstvy do vzduchu a celý tisk se pokazí.

 

Na počátku se tisklo prakticky na jakýkoliv povrch, na který se tištěné materiály dokázaly přichytit. Postupně se jako nejvhodnější vyprofilovalo sklo, které se dle potřeby opatřilo lepidlem, lakem na vlasy a později kaptonovou nebo modrou modelářskou páskou. Často se používaly i různé kombinace výše uvedených. Tiskaře, který používá sklo, poznáte tak, že má většinou sečné šrámy na prstech.

Skleněná podložka většinou vyžaduje úpravu povrchu (foto Ultimaker)

 

Přilepit první vrstvu je totiž složité a pokud to přeženete s adhezí, musíte hotový výtisk "odlomit" ostrou špachtlí. Aby vám objekt nebo tiskárna při sundavání neodlétla, je většinou na opačné straně dráhy špachtle vaše druhá ruka a zbytek už je doufám jasný. Tisk na sklo je často vyhrazen základnějším modelům, neboť je taková podložka levnější a případně ještě těm, kteří už jsou experty na přesnou úpravu povrchu a odmítají přesedlat.

 

Druhá generace podložek již disponuje vyhříváním přes odporový drát a tím výrazně zvyšuje adhezi mezi povrchem tiskárny a extrudovaným materiálem. To samo o sobě ještě není úplně ono a na scénu nastupují různé typy povrchových úprav. Aktuálně nejméně problémovým je PEI (Ultem), o kterém jsme mluvili před chvílí.

 

Nejmodernější pružinový plech s PEI povrchem (foto Prusa Printers)

 

Při zahřátí se totiž spojí s tištěným materiálem a drží jej dokud neklesne teplota zpět na pokojovou, tedy dokud nepřestanete nahřívat. Pokud máte správně nastavenou výšku první vrstvy a materiál dostatečně vmáčknete, není tento typ povrchu nutné jakkoliv doplňovat o pásky, lepidla a podobně. Postačí pouze odmastit isopropylalkoholem. Paradoxně je u některých materiálů jako např. Flex nutné adhezi trochu snížit (např. kolíčkovým lepidlem).

 

Ani PEI povrchům se však donedávna nevyhýbala nutnost sundavání špachtlí. Výrobci záhy přišli s velmi chytrým řešením v podobě odnímatelného pružinového plechu s PEI povrchem. Nejznámější řešení pochází od Prusa Research na modelu MK3 a univerzální podložku prodává společnost BuildTak. Jako bonus je podložka držena magnety a není nutné ji upínat klipsy jako v případě skla.