25. 5. 2020

Princip 3D tisku

Průlomová technologie 3D tisku Stereolitografie byla vynalezena již v roce 1986. Nyní se s technologií 3D tisku setkáme v řadě průmyslových odvětví. Využívá se např. při tvorbě různých modelů pro prezentační účely, také v architektuře pro ukázku zmenšených budov. 3D tisk je taky potřebný ve strojírenské výrobě (např. při návrhu převodovky). V lékařství je také výhodný pro tvorbu kostních implantátů, diskutuje se i tisk lidských orgánů, ale modely zatím nejsou schopné nahradit jejich funkci (uvažuje se o tisku z živého materiálu). S medicínskými obory také souvisí tisk protéz a naslouchadel. V gastronomii se využívá tiskárna ChefJet pro výrobů různých cukrových dekorací. V neposlední řadě se s touto technologií také můžeme setkat v automobilovém, kosmickém nebo vojenském odvětví. 3D prototypů se také hojně využívá ve školství (chemie – tisk 3D molekul, matematika – výpočet a návrh 3D objektů, zeměpis – tisk reliéfu zemského povrchu, výtvarná výchova – různé designové objekty). Neustále se nalézají nová využití pro tuto technologii.

3D tisk je technologie, s jejíž pomocí se prostřednictvím specifického zařízení lvytvářejí trojrozměrné objekty z vhodného materiálu. Tisk po vrstvách je řízen ovládací elektronikou na základě programové předlohy. 3D tisk pracuje na základě digitálních dat 3D modelů. Digitální data jsou počítačově vyhodnocena a použita na vytištění požadovaného fyzického 3D modelu.

Výrobní postup začíná vytvořením již zmíněného virtuálního 3Dmodelu nejběžněji v softwaru CAD, dále se také může použít 3D skener (naskenování objektu v reálném světě a převedení do digitální podoby, poté je nutná úprava v CAD softwaru) nebo obyčejná digitální kamera a fotogrammetrický software. Pro uživatele, kteří neumí v CAD softwaru je také možnost tzv. „3D tržiště“, kde si mohou stáhnout hotové modely nebo mnoho aplikací, kde je možné jednoduché modely navrhnout bez znalostí tohoto softwaru.

Tento model je poté převeden do OBJ nebo STL formátu, aby jej software pro ovládání 3D tiskárny rozpoznal. Software jej rozdělí na tenké vrstvy a dojde k dopočítání dráhy pro tiskové hlavy v 3D tiskárně (instrukce pro pohyb tiskárny – ovládání trysek, pohyby motorů…). Těmto příkazům se říká tzv. G-code, pro vytvoření instrukcí se využívá programů jako Slic3r, Skeinforge, Cura.

Pak už nastane samotný tisk požadovaného prototypu. Jednotlivé vrstvy se na sebe přitisknou tavením nebo spékáním, někdy také pomocí UV záření či lepením. Po zkontrolování hotového prototypu dojde k finálním úpravám pro zvýšení jeho kvality jako je opilování, zbavování podpůrných konstrukcí nebo vyčistění.

3D tiskárny využívají pro tvorbu modelů tyto technologie výroby: SLS (Selective Laser Sintering), SLM (Selective Laser Melting), SHS (Selective Heat Sintering), MJP (Multi Jet Printing), BJ (Binder Jetting), EBM (ElectronicBeamMelting), FDM (FusedDeposition Modeling), CFF (Continuous Filament Fabrication), SLA (Stereolitographyapparatus), DLP (Digital LightProcessing), LPM (LayeredPowderMetallurgy), Polyjet Matrix, Multijet Modeling, LOM (LaminatedObjectManufacturing), Rapid FreezePrototyping.

V dnešní době se nejvíce používá tzv. FDM (FusedDeposition Modeling). Při této technologii se vyrábí z materiálů jako je PET, PLA, ABS a PVA, samozřejmě v různých barvách. Tato technologie funguje na základě práce s plastovými strunami, které jsou namotané na cívce, jsou to tzv. filamenty. Tyto struny jsou přikládány na podložku ve vrstvách. Tisková hlava se vždy posune o jednu vrstvu. Výsledný předmět postupně tvrdne díky ochlazovaní. Nevýhodou této technologie je nepřesnost a dlouhý čas tisku.

Nejstarší technologií je Stereolitografie (SLA nebo SL), která se využívá hlavně pro svou vysokou přesnost. Materiálem je tekutý polymer, který je třeba vytvrdit UV zářením (např. laserem nebo DLP projektorem). Paprsek vykresluje požadovaný tvar vrstvy a poté se tisková hlava přesouvá na další vrstvu, kde proběhne stejný postup.

Nejrychlejší metodou 3D tisku je metoda na principu pracování s materiálem ve formě prášku, může to být druh kovu, plastu či sádra. Tisková hlava se zase posouvá po vrstvách, které jsou tentokrát modelovány pomocí lepidla nebo laseru. Sem patří technologie jako Color Jet Printing (CJP), Selective Laser Sintering (SLS) a Direct Metal Printing (DMP).

Další metodou, která je méně využívaná je metoda pomocí vyřezávání. Tvar vrstvy je vyříznut pomocí nože a jednotlivé vrstvy se na sebe tisknou lepidlem. Materiál je většinou fólie či papír. Pomocí inkoustové hlavy je pak materiál dobarven. Tato technologie je nazývána LaminatedObjectManufacturing.