3D tisk: jak funguje FDM/FFF tiskárna?

V předchozích dvou kapitolách jsme si popsali, jaké jsou tiskové materiály a jaké jsou základní parametry tiskáren. Víme, že materiál extruduje tisková hlava směrem do podložky. Nyní si celý proces vysvětlíme krok po kroku a ukážeme některé limitace, které tento typ tisku přináší.

 

 

Předpokládejme, že máme 3D model naslicovaný a ve formě G-codu již načtený v paměti tiskárny. Tam jej většinou dostanete po SD kartě nebo přes Wi-Fi/LAN síť. Pro tisk můžete použít i počítač, avšak všemožné samovolné aktualizace a zamrzání aplikací mohou pokazit nejeden tisk.

 

Při spuštění tisku nezačne tiskárna hned tisknout, ale nejdříve se musí nahřát na správnou teplotu pro tisk z daného materiálu. Tato informace je obsažena v G-code, a tak ji není nutné nastavovat ručně. Topná tělíska v hotendu nahřejí celý hotend během několika minut, a to stejné platí o podložce. Pokud však máte tiskárnu ve studené garáži, nebo tisknete z teplotně náročného materiálu, může celá fáze přípravy trvat o notný kus déle.

Pokročilejší tiskárny se zkalibrují samy

 

Dalším krokem před samotným tiskem je kalibrace tiskárny, resp. vzdálenosti mezi podložkou a tiskovou hlavou. Matematický model předpokládá stejnou vzdálenost mezi povrchem podložky a hrotem trysky, nicméně v reálném světě to neplatí. Na trhu se vyskytují tiskárny s manuální úpravou pomocí stavěcích koleček a nebo automatizované modely, které si navíc změří podložku v síti bodů a následně optimalizují výšku tiskové hlavy automaticky.

 

 

Založení první vrstvy je naprosto nejzásadnější fází celého tisku a také největším trápením každého, kdo s 3D tiskem začíná. Zatím se totiž musí na většině tiskáren (i těch automatizovaných) ručně doladit míra zatlačení materiálu do podložky. Nesmí to být málo, neboť by se materiál odlepoval, ale také ani moc, to by se zase materiál nemohl vytlačit z trysky ven.

První vrstva je naprosto zásadní (3dprinterbank)

 

Nalezení optimální výšky vyžaduje cvik a zkušenost. Pokročilé tiskárny si tuto hodnotu umí zapamatovat a nastavujete ji tak většinou jen při prvním tisku. Kontrola první vrstvy patří k rituálu většiny tiskařů, i když legenda hovoří o tom, že ti nejotrlejší při nahřívání tiskárny odchází k jiné práci.

 

 

 

Při tisku na FFF tiskárně je to podobné jako při stavbě domu. Pokud máte správně základy, je velká pravděpodobnost, že zbytek dopadne v pořádku. Tiskárna tedy postupně vrství jednu úroveň za druhou do doby, než se dostane k finální vrstvě. Poté tisková hlava odjede stranou, přestane nahřívat, extrudovat materiál a celá tiskárna včetně výtisku chladne.

 

Během tisku samozřejmě může nastat celá řada komplikací, kdy se špatně založí první vrstva, nebo časem odlepí, což způsobí posunutí celého tisku. Tisková hlava může také narazit do výtisku, může se ucpat tryska, nebo také vypadnout proud. Zkrátka je nutné počítat s tím, že tiskárna je pouze stroj a tisk nemusí vždy dopadnout dobře.

Výrobci s těmito faktory bojují všemožnými vylepšeními a zatímco první FFF tiskárny byly "hloupé" extruzní stroje, ty nejnovější disponují celou řadou senzorů, které dokáží výše popsané události zaznamenat a zareagovat na ně. Už se vám tak nemusí stát, že se odlepí tisk a tiskárna bude dalších 24 hodin extrudovat filament do prázdna, naopak se zastaví a vyčká na reakci uživatele.

 

 

O 3D tisku se říká, že dokáže vytisknout cokoliv, avšak je nutné jedním dechem poznamenat, že i zde existují jisté limitace, které musíte jako designér znát. Nelze tedy jen nakreslit libovolnou geometrii a pustit tisk. Stejně jako u obráběcích a řezacích strojů existují simulace pohybu hlavy a další předvýrobní kontroly, tak i u 3D tisku se objevují automatizované kontroly.

 

Prvním a naprosto nejzásadnějším faktem je působení gravitace. FFF tiskárna potřebuje pokládat vrstvu na pevný podklad, ať už přímo na podložku, nebo na předchozí vrstvy. Do vzduchu nelze tisknout, neboť by se extrudované vlákno prověsilo směrem dolu. Tisk by tak s naprostou jistotou dopadl špatně.

Při větší vzdálenosti se spodní vlákna prověsí (foto Ultimaker)

 

Výjimku tvoří krátké vzdálenosti bez dvěma pevnými objekty, které lze takzvaně přemostit. Filament při extruzi poměrně rychle tvrdne a vytvoří tedy téměř horizontální linku. Nicméně bavíme se o vzdálenosti několika cm. Pro větší otvory, nebo okraje objektu je nutné tisknout podpůrnou konstrukci, která vytvoří již zmiňovaný pevný podklad.

 

Podpory se hodí i pro převisy, které mají úhel větší jak 45°, neboť zde už přestává fungovat vzájemné spolupůsobení čerstvě extrudovaných vrstev.

 

Z důvodu přilnavosti je poměrně složité tisknout objekt, který začíná ostrou hranou, nebo dokonce hrotem. Vždy je potřeba alespoň částečná ploška, která se přilepí na tiskovou podložku a vytvoří tak pevný základ pro další vrstvy.

Limity tiskárny lze ověřit pomocí testovacích tisků (foto Aniwaa)

 

Tenké stěny nebo sloupky jsou dalším místem, které je třeba promyslet. Mohou se totiž snadno zbortit pod vahou vyšších vrstev. Tomuto jevu se ve statice říká vybočení a konstrukci musíte zesílit, nebo podepřít natolik, aby neměla tendenci uhýbat zatížení.

 

Významnou roli při návrhu hraje i materiál. Především ABS a další teplotně náročné materiály se během tisku smršťují a vytvářejí v celém tisku napětí. Vlivem toho se např. může část tisku odlepit (nadzvednout), což se projeví po celé výšce objektu. Masivnější konstrukce se tedy v první vrstvě např. obklopují dalším materiálem, který objekt přidrží po celou dobu tisku.