3D TISK, PRINCIPY, TECHNOLOGIE

Internetová Wikipedie popisuje několik desítek zkratek názvů tiskových technologií, z nichž si jsou mnohé podobné (neřku-li zcela shodné). Podléhají však příslušným právům, patentům a ochranným známkám svého vlastníka a proto si alternativní výrobci musí pro stejný způsob technologie vymyslet jiný název a zkratku.

Klasickým příkladem je tisk pomocí tavené struny (filamentu), kde společnost 3D Systems užívá název PJP (plastic jet printing), společnost Stratasys FDM (fused depositiong modeling) a další výrobci užívají FFF (fused filament fabrication). Při tom jde téměř vždy o shodný princip a technologii. Abychom neporušili něčí práva, budeme raději říkat FFF. 3D tisk je aditivním způsobem vytváření modelů - aditivní = materiál je v průběhu procesu tvorby modelu přidáván. Konvenčním a opačným způsobem je například obrábění = materiál je při tvorbě modelu odebírán. Aditivní technologie v zásadě využívá čtyř základních principů, kdy je základní dělení určeno způsobem zpracování materiálu modelu:

Princip 1 – materiál je vytlačován tiskovou hlavou (např. FFF)
Princip 2 – tekutý materiál je vytvrzován v definované vrstvě (např. SLA)
Princip 3 – materiál je pojen pomocí lepidla, laseru apod. na podložce (např. SLS)
Princip 4 – oddělování materiálu v každé vrstvě (např. LOM)

Princip 1

Na tiskovou podložku je nanášen tiskový materiál po vrstvách. Vždy po dokončení tisku vrstvy se posune tisková hlava (nebo podložka) o jednu vrstvu a zahájí se tisk další vrstvy. Typickým zástupcem této technologie tisku tavenou strunou - filamentem (FDM, FFF, PJP a další). Nespornou výhodou je nízká pořizovací cena 3D tiskárny a nízké náklady na stavební materiál modelu. Také spektrum stavebních materiálů je široké a stále se zvětšuje – viz materiály. Nevýhodou je dlouhý čas tisku, značný rozptyl v tiskové přesnosti, volbě orientace tisku modelu, způsobu a konstrukci podpěr a další. V profesionální sféře se využívá technologie MJP (Multi Jet Printing). Tiskový materiál tryská pomocí tisíců otvorů tiskové hlavy, která zároveň vytváří voskové podpěry. Výtisk má velmi vysokou přesnost detailu a rozměru. Odplavení voskových podpěr probíhá automaticky v příslušné jednotce. Následné dokončovací operace jsou minimální nebo žádné.

Princip 2

V nádobě s tekutým polymerem je umístěna tisková deska, jejíž úroveň proti hladině polymeru určuje výšku požadované tiskové vrstvy. Světelný paprsek vykreslí požadovaný tvar vrstvy a tím dojde k vytvrzení polymeru v příslušném tvaru. Následně se tisková deska posune a světelný paprsek vykreslí a vytvrdí další požadovaný tvar. Typickým příkladem je SLA (stereo litografie) - je nejstarší technologií 3D tisku. Vyvinul jí zakladatel společnosti 3D Systems, pan Chuck Hull. Na konci osmdesátých let 20. století spatřila světlo světa první komerční 3D tiskárna SLA. Tiskovým materiálem je tekutý polymer, který je vytvrzován světlem (laser nebo DLP projektor). Zhotovený výtisk je následně třeba omýt v izopropylalkoholu a dodatečným UV světlem definitivně vytvrdit. Do dnes je SLA jednou z nejpřesnějších technologií s nabídkou desítek různých druhů polymerů.

Princip 3

Na tiskové desce je rozprostřen stavební materiál ve formě prášku. Tvar požadované vrstvy modelu je vytvrzen pomocí laseru nebo lepidla. Tisková deska se posune o úroveň definované výšky, nanese se další vrstva prášku a laser či lepidlo vytvrdí požadovaný tvar. Tento princip je hojně využíván technologiemi SLS (selective laser sintering), CJP (color jet printing) a DMP (direct metal printing). Stavebním materiálem je dle technologie celá škála plastů, kovů a prášků na bázi sádry. Technologie CJP je v současnosti nejrychlejší a jedinou, která dokáže vytisknout téměř fotorealistický 3D model.

Princip 4

Je výrobci nejméně aplikován. Technologie LOM (Laminated Object Manufacturing) využívá jako stavební materiál zpravidla papír nebo folii. Tvar vrstvy „tištěného“ modelu je vyříznut z materiálu nožem a následně je další vrstva přilepena na předchozí. Podání nové vrstvy materiálu je zajištěn odvinutím z role nebo podáním ze zásobníku např. formátu A4, A3 apod. Po dotištění / vyříznutí vrstvy může být tato ještě pomocí principu inkoustové hlavy obarvena. Lze tak dosáhnout i barevných efektů finálního modelu. Vzhledem k tomu, že se model vlastně netiskne, ale vyřezává, je trochu zvláštní hovořit o 3D tisku. Nic méně – materiál (v roli nebo v zásobníku papíru) se bezesporu přidává, proto je tato technologie rovněž aditivní a má v tomto výčtu své místo.


3D tiskárna a její parametry

Velikost stavební komory

Udává se buď v kubických centimetrech nebo v rozměrech X/Y/Z a určuje největší možný tisknutelný model. Malé tiskárny mají stavební komoru od 12x12x12cm (existují i menší), větší pak 25x25x25cm. V profesionální a produkční sféře lze najít i zařízení s tiskovou komorou 100cm a větší.
Velikost stavební komory ovlivní možnost volby geometrické orientace tisknutého modelu. Vhodnou orientací modelu můžete zvýšit jeho požadovanou pevnost (výtisk je nejpevnější ve směru tištěných vláken). Optimální orientací můžete rovněž snížit potřebu tvorby podpěr.
Kapacita stavební komory nemusí vždy garantovat velikost výtisku. Použijete-li teplotně náchylnější materiál – typicky ABS, je nezbytné, aby tiskárna měla vyhřívanou podložku a ještě lépe, celou stavební komoru (viz „Vyhřívaná komora a podložka“). Jinak bude úspěšnost tisku velká loterie.
Nominální kapacita komory se může snížit také při současném tisku více tryskami. U dvou / tří tryskových tiskáren je většinou pro každý případ uvede maximálně možné využití stavebního prostoru.

Přesnost tisku

Přesnost a kvalita vytištěného modelu je ovlivněna mnoha parametry. Nejběžnější chybou v rozhodování při nákupu tiskárny je parametr „výška vrstvy“. Ten sice patří mezi důležité, ale rozhodně ne mezi jediné.

Výška vrstvy

Tím, že 3D tisk tiskne ve vrstvách, určuje výšku vrstvy osy Z (většinou v desetinách milimetru), o kterou se posune tisková podložka pro tisk další vrstvy. Současná technologická hranice výšky vrstvy je cca 0,05mm. SW tiskárny umožní většinou volit vrstvu 0,05 / 0,07 / 0,1 / 0,2 a 0,3mm. Mnohdy údaj 0,05mm (a nižší) nekoresponduje s HW konstrukcí tiskárny a je jen teoretickou možností a nezřídka i jen marketingem výrobce. Drtivé množství výtisků se tiskne s vrstvou 0,1 nebo 0,2mm. Použitím nižší vrstvy může být výtisk přesnější s lepším povrchem. Čas tisku bude však výrazně delší (klidně i násobně) a spotřebuje se i více hmoty. Volba optimální výšky vychází vždy z charakteru požadovaného výtisku, zkušenostmi s HW tiskárny a vlastnostmi tiskového materiálu.

Přesnost tisku XY

Přesnost tisku v ploše je dána kvalitou trysky, tiskového materiálu a hlavně schopností konstrukce komponentů HW tiskárny (řídících prvků, kvalitou materiálů konstrukce jako takové - krokové motory, kluzná ložiska a konstrukce pohybových částí, torze konstrukce apod.). Přesnost vlastně spočívá ve fyzické schopnosti, jak HW tiskárny dokáže přesně interpretovat příkazy a umisťovat požadované množství materiálu na požadovaném místě. Tryska s materiálem musí být vedena tak, aby neovlivnila kvalitu a rozměr již vytištěných částí. U kvalitních tiskáren se pohybuje přesnost X/Y do 0,05mm a Z do 0,02mm. Vzhledem k tomu, že tento parametr je těžko měřitelný, je těžké zjistit, co daná tiskárna opravdu umožní. Nejlépe je, nechat si zhotovit nějaký tvarově komplikovaný testovací výtisk a posoudit jeho kvalitu.

Konstrukce tiskárny

Faktory přesnosti tisku v předchozím odstavci je třeba doplnit o otázku, zda udávaná přesnost je platná i ve vyšších vrstvách. Jak objekt roste v ose Z, mohou se snadno zvyšovat tolerance, které jsou zpravidla zaviněné nižší torzí konstrukce. Zde napoví pohled na celkovou konstrukci tiskárny, způsobu upevnění tiskové sestavy, materiál pohybového ústrojí a způsobu upevnění tiskové desky. U tiskáren s menší stavební komorou (např. 12x12x12cm) nemusí konstrukce hrát až takový prim. U tiskáren s komorou 25x25x25cm a více je dobré se s konstrukcí bedlivě seznámit.

Tiskový materiál

Vytištěný model by měl splňovat podmínky přesnosti, pevnosti, designových vlastností a odolnosti prostředí, kde bude aplikován. Zejména jsou-li vyžadována specifika pro následnou povrchovou úpravu. Volba tiskového materiálu to vše může ovlivňovat. Nabídka tiskových materiálů je na první pohled velmi pestrá. Skýtá však některá úskalí, zejména u tzv. otevřených systémů. I uzavřený systém má své přednosti stejně a svá úskalí.

Otevřený systém: Výrobce umožní, bez jakýchkoli certifikací a omezení, využít ve své tiskárně materiály jiných výrobců. Každý materiál (nehledě na technologii tisku) má své specifické vlastnosti před a po tisku a příslušná tisková technologie musí vždy při tisku tyto vlastnosti brát na zřetel. To stejné platí pro software pro slicování (připravení objektu pro tisk). Mnozí výrobci 3D tiskáren nabízí profily (definice) pro konkrétní materiály (filamenty) a pro svůj SW nebo další SW slicery. Uživatel může volně v otevřeném systému využít i nedefinované materiály. Musí ale řadou testů pokus-omyl otestovat optimální nastavení celé řady parametrů. To může stát hodně času, nepovedených výtisků a v neposlední řadě značné náklady. Také je zde třeba počítat s tím, že alternativní výrobci mohou mít proměnlivou kvalitu své produkce.

Uzavřený systém: Je nepopulární, zejména v komunitě open source. Vytváří obavu podřízenosti a vyšší pořizovací ceny. Ta však může být vyvážena absencí zbytečných nákladů způsobených metodou pokus-omyl. To platí zejména pro systém cartridge s čipem, kdy si systém 3D tiskárny načte typ založeného materiálu a automaticky nastaví veškeré parametry. Uživatel je zcela zbaven nutnosti nastavování parametrů materiál-tiskárna-výtisk.

Specifikace základních tiskových materiálů naleznete zde. Zvláštní kategorií jsou „snadno“ odplavitelné materiály pro tisk podpěr. Ty se využívají ve dvou a více tryskových zařízeních. Jedna tryska tiskne stavební materiál a tisk se střídá s druhou tryskou, která tiskne podpěry z odplavitelného materiálu. Běžně se používá HIPS (odplavitelný roztokem lemonesolu), PVA / Infinity (odplavitelný vlažnou vodou). Někdy lze pro tisk ABS využít podpěry z PLA (odplavitelné hydroxidem sodným).

Průměr tiskové trysky

Menší průměry trysek se využívají pro zvýšení kvality tisku (nemusí to vždy být pravda) a větší průměry pro tisk velkých objektů. Obecně lze říci, že menší průměr má za cíl zvýšit přesnost v ploše a větší průměr trysky zvýší rychlost tisku. U malých a středně velkých tiskáren jsou obvyklé trysky s průměrem cca 0,3/0,4mm. U tiskáren, které mají tiskovou komoru 40x40x40 a vyšší se můžete setkat s průměry 0,6/0,8/1mm a více. Důvodem je právě zkrácení potřebného času tisku. Kvalita výtisku může i v těchto případech být skvělá. Záleží vždy na výrobci, jak moc má otestováno a jak moc podléhá svodům marketingu. Velkým benefitem u větších tiskáren je možnost uživatelské výměny trysky. Sami si pak můžete zvolit optimální průměr pro konkrétní případ. U dvou a více tryskových zařízení lze využít menšího průměru pro tisk pláště modelu a většího průměru pro tisk výplně. Tento případ může snížit čas tisku.

Kalibrace tiskové podložky

Správnou geometrii a přesnost výtisku značně ovlivní tisk prvních vrstev. Je to dáno správně nastavenou mezerou mezi hrotem trysky a tiskovou podložkou v celé ploše. Říkáme tomu Z mezera (Z-Gap, někdy zkráceně jen Gap). Řada tiskáren je vybavena funkcí automatické kalibrace a to buď pomocí mechanického, nebo optického čidla. Různé tábory uživatelů preferují optiku, jiní mechaniku - pokud to funguje správně, není způsob důležitý. Podstatné je, zda kalibrace umožní nastavit přesnou kolmost trysky vůči tiskové podložce. To znamená, zda kalibrace umožní vyrovnat desku, nikoli jen softwarové vyrovnání. Levnější zařízení s automatickou kalibrací, zpravidla nastaví Gap a načtou odchylku trysky od tiskové desky v několika bodech. Odchylku během tisku několika vrstev eliminují. Tím může dojít k odchylce v geometrii výtisku. Proto zkušenější uživatelé raději volí ruční kalibraci. Asistovaná kalibrace je případ, kdy tiskárna měří Gap a instruuje uživatele k ručnímu nastavení výšky tiskové desky – zpravidla ve třech bodech tiskové desky. Nejlepší a nejspolehlivější kalibraci umožňují 3D tiskárny, které mají možnost přímo kalibrovat tiskovou desku pomocí jejího nezávislého ukotvení na Z posunu. Tisková deska se tak dokáže vyrovnat a nastavit Gap v celé tiskové ploše zcela automaticky a velmi přesně.

Kalibrace soutisku více tryskových zařízení

Více trysková zařízení musí zajistit, aby pozice XY byla definičně shodná pro každou trysku. V opačném případě nebude tisk jedné a druhé trysky hladce navazovat. Zpravidla je k dispozici zkušební kalibrační výtisk, který znázorní řady soutiskových linek. Uživatel z nich vybere optimální a příslušné hodnoty zanese do logiky tiskárny. Současně je třeba zajistit, aby výška hrotů trysek byla shodná. Jinak může docházek k „zakopávání“ níže položené trysky o výtisk.

Rychlost tisku

Tento parametr je relativní. Měří rychlost pohybu při tisku trysky v cm/sec (běžně 1-4cm). Parametrem rychlost nelze přesně vypočítat, za jakou dobu bude výtisk zhotoven. Rychlost může značně zpomalit tvar a charakteristika a nastavení parametrů tištěného modelu. Stejně tak můžete tisk zrychlit optimálnější orientací při umístění modelu na tiskovou desku, zvětšením mezer vnitřní výplně nebo zvýšení tiskové vrstvy. Výrobci většinou ve svém dodávaném software dokáží vypočítat dobu tisku konkrétního objektu. Tiskárny vybavené displejem zpravidla zobrazují, kolik času uplynulo a kolik času zbývá. Někdy poskytují i údaj, kolik vrstev z kolika bylo vytištěno. Hodnoty rychlosti uváděná v technickém popisu tiskárny nemusí mít úplnou vypovídající hodnotu. Obecně platí – buďte trpěliví, 3D tisk nepatří mezi nejrychlejší disciplíny

3D tiskárna a její vybavení

Komunikace s počítačem

Některé 3D tiskárny vyžadují stálé připojení prostřednictvím kabelu USB. Tiskárna má jen omezenou kapacitu paměti a příkazová data přijímá postupně. To vyžaduje připojený a zapnutý počítač po celou dobu tisku. Bude-li tisk vyžadovat 8 hodin, musíte zajistit, aby počítač byl 8 hodin připojen (nesmíte jej vypnout, odnést, nesmí usnout atp.). Pokud neexistuje nějaký zvlášť závažný důvod, takovému to připojení se rozhodně vyhněte! Většina současných 3D tiskáren mají dostatečnou vlastní paměť, která během chvíle načte tisková data. Po zahájení tisku můžete počítač odpojit, vypnout, odnést apod. Tisková data tiskárna během tisku získává ze své paměti.
Pro zaslání dat z počítače do tiskárny se využívá běžně USB kabel (méně praktické), nebo lze data do tiskárny přehrát z USB flash disku (mnohem praktičtější). Ideální je připojení Wi-Fi nebo přímo ethernet zásuvkou. Síťové připojení (Wi-Fi / Ethernet) umožní pohodlnou komunikaci a většinou se prostřednictvím sítě dozvíte, co právě tiskárna dělá a jak je s tím daleko.
Některé tiskárny jsou vybavené vnitřním flash diskem, na kterém se udržuje historie tisků. Pokud to jeho kapacita dovolí, nemusíte při opakování tisku data znovu zasílat. Na displeji zvolíte v historii požadovaný soubor a tisk jednoduše zopakujete.

Vyhřívaná komora a podložka

Chladnutí plastu při tisku u některých materiálů může vyvolávat pnutí, které zejména u větších tisků způsobuje odlepování od tiskové podložky, praskání vrstev objektu, zkrátka poškození modelu již během tisku. Budete-li tisknout takovýmto „konfliktním“ materiálem (typicky ABS), je skoro nutností, aby tiskárna měla vyhřívanou tiskovou podložku nebo uzavřenou a ještě lépe vyhřívanou komoru. Pokud je komora „otevřená“, bude velmi obtížné tisknout větší a vyšší objekty. Bez vyhřívání podložky spolehlivě vytisknete takovýmto materiálem maximálně žeton. Pro větší výtisky z teplotně závislého materiálu je skoro nezbytné aby tiskárna disponovala uzavřenou a teplotně řízenou stavební komorou.

Tisk více materiály/barvami současně

Většina tiskáren je vybavena pouze jednou tryskou. Pokud bude třeba tisknout podpůrnou konstrukci, bude tato tištěna stejným materiálem jako model. Podpěry pak snadno či obtížněji odlomíte. Zbydou jizvy, které bude třeba zabrousit. Kritickým bude případ modelu, který bude podpůrnou konstrukci vyžadovat uvnitř v nějaké dutině. Tam se patrně těžko pro odlomení podpěr dostanete. Pro tyto případy jsou tiskárny vybavené dvěma nebo více tryskami. První staví model a druhá vytváří podpory z nějakého materiálu, který lze odplavit. Aby tiskárna umožňovala tisk modelu a podpěr (neboli dva různé materiály) musí mít nejen dvě trysky, ale hlavně výrobce musí umožňovat současný tisk různými materiály. Každý materiál má jiné teplotní a tiskové parametry. Každá tryska bude mít tedy jiné nastavení a nesmí se vzájemně ovlivňovat. Můžete se snadno setkat s tiskárnou se dvěma tryskami, které jsou však určeny pro tisk dvou stejných materiálů např. pro potřebu dvoubarevného tisku. To je sice na pohled hezké, ale vůbec to neřeší hlavní potřebu – řešení stavby snadno odplavitelných podpor. Připravte se na to, že multi materiálový tisk bude časově náročnější. Příslušná část dané vrstvy bude tisknuta materiálem objektu. Po dokončení tisku v dané vrstvě se musí tato tryska ochladit, aby nedocházelo k samovolnému výtoku materiálu. Následně se nahřeje tryska s materiálem podpor. Jakmile ta dokončí svůj úkol v dané vrstvě, ochladí se a bude se nahřívat tryska se stavebním materiálem. A tak dál až do dokončení výtisku. Je to sice zdržení, ale řadu objektů není možné tisknout jinak.

Software jako příslušenství

Ověřte si co je součástí balení tiskárny. Mnohé z nabízených 3D tiskáren neobsahují v základní dodávce software, nebo obsahují open source nebo jinou free licenci. Zde ale pozor, nemusí to být pravda. Mnohý software, který se může tvářit free, může mít specifická omezující licenční ustanovení. Je také pravděpodobné, že informace o updatech software a firmware tiskárny budete muset řešit manuálně.