VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN NASTAVENÍ MATERIÁLOVÉHO PROFILU STEREOLITOGRAFICKÉHO 3D TISKU SE ZAMĚŘENÍM NA ROZMĚROVOU PŘESNOST SETTING OF THE MATERIAL PROFILE OF STEREOLITHOGRAPHIC 3D PRINTING WITH A FOCUS ON DIMENSIONAL ACCURACY BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR Lukáš Topinka VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Ing. Aneta Zatočilová, Ph.D. BRNO 2017

Zadání bakalářské práce Ústav: Ústav konstruování Student: Lukáš Topinka Studijní program: Strojírenství Studijní obor: Základy strojního inženýrství Vedoucí práce: Ing. Aneta Zatočilová, Ph.D. Akademický rok: 2016/17 Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce: Nastavení materiálového profilu stereolitografického 3D tisku se zaměřením na rozměrovou přesnost Stručná charakteristika problematiky úkolu: Aditivní technologie stereolitografie pracuje na principu vytvrzování fotopolymeru laserem nebo DLP projektorem. Přesnost a kvalitu výroby ovlivňuje doba osvitu, ale i další parametry. Nalezení vhodných parametrů pro dosažení co nejpřesnějších dílů poukáže na možnosti dalšího vývoje a přispěje k rozvoji této technologie. Typ práce: výzkumná Cíle bakalářské práce: Hlavním cílem je nalezení vhodných procesních parametrů pro technologii stereolitografie s důrazem na dosažení vysoké rozměrové přesnosti. Dílčí cíle bakalářské práce: identifikace parametrů ovlivňujících přesnost: doba osvitu, tloušťka vrstvy a další, návrh experimentů pro objasnění závislosti přesnosti na zvolených parametrech, vyhodnocení experimentálně zjištěných dat a vyvození závěrů. Požadované výstupy: průvodní zpráva, fotografická dokumentace, laboratorní protokol, digitální data. Rozsah práce: cca 27 000 znaků (15 20 stran textu bez obrázků). Struktura práce a šablona průvodní zprávy jsou závazné: http://dokumenty.uk.fme.vutbr.cz/bp_dp/zasady_vskp_2017.pdf Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně / Technická 2896/2 / 616 69 / Brno

Seznam doporučené literatury: BÁRTOLO, Paulo Jorge (ed.). Stereolithography: Materials, Processes and Applications [online]. USA: Springer US, 2011. ISBN 978-0-387-92904-0. Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2016/17 V Brně, dne L. S. prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. ředitel ústavu doc. Ing. Jaroslav Katolický, Ph.D. děkan fakulty Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně / Technická 2896/2 / 616 69 / Brno

ABSTRAKT Aditivní technologie stereolitografie pracuje na principu vytvrzování fotocitlivého polymeru laserem nebo DLP projektorem. Přesnost a kvalitu výroby ovlivňuje několik parametrů, jako je například doba osvitu nebo tloušťka vrstvy. Tato práce se v první části věnuje popsání principů stereolitografie, včetně rozboru různých konstrukčních řešení tiskáren a jejich vlivu na kvalitu tisku. Dále se zaměřuje na identifikaci parametrů ovlivňujících přesnost a návrh experimentů pro jejich otestování. V závěru práce se věnuje popisu prováděných experimentů, shrnutí poznatků a návrhů pro další rozvoj této technologie. KLÍČOVÁ SLOVA Stereolitografie, SLA, 3D tisk, aditivní technologie, rapid prototyping ABSTRACT Additive technology of stereolithography works on the principle of curing a photosensitive polymer by laser or by DLP projector. Dimensional accuracy and quality of printing are affected by various parameters, such as exposure time and layer thickness. This bachelor thesis is focused on the description of the basic principles of stereolithography, including construction solutions for printers and their influence on the quality of printing. Furthermore, this thesis identifies the main parameters affecting the accuracy and suggests experiments for testing the influence of these parameters. At the end of this thesis, there is a description of the performed experiments, followed by a conclusion and suggestions for further development of this technology. KEYWORDS Stereolithography, SLA, 3D printing, aditive technologies, rapid prototyping

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE TOPINKA, L. Nastavení materiálového profilu stereolitografického 3D tisku se zaměřením na rozměrovou přesnost. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2017. 53 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Aneta Zatočilová, Ph.D..

PODĚKOVÁNÍ Na těchto řádcích bych rád poděkoval své vedoucí Ing. Anetě Zatočilové, Ph.D. za odborné vedení, ochotný a přátelský přístup, rady a věcné připomínky při tvorbě této práce. Dále bych chtěl poděkovat mé rodině, která mě podporovala nejen během tvorby této práce, ale i po celou dobu mého studia. ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Tímto prohlašuji, že tuto bakalářskou práci Nastavení materiálového profilu stereolitografického 3D tisku se zaměřením na rozměrovou přesnost jsem vypracoval samostatně pod vedením Ing. Anety Zatočilové, Ph.D. a v seznamu použitých zdrojů jsem uvedl veškeré literární zdroje. V Brně dne 19. května 2017. Lukáš Topinka

OBSAH 1 ÚVOD... 12 1.1 Metody 3D tisku... 12 1.1.1 FDM (Fused Deposition Modeling)... 13 1.1.2 SLS (Selective Laser Sintering)... 13 1.1.3 SLM (Selective Laser Melting)... 13 1.1.4 LOM (Laminated Object Manufacturing)... 13 1.1.5 SLA (Stereolithography)... 13 2 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ... 14 2.1 Historie a vznik stereolitografie... 14 2.1.1 Počátky moderní stereolitografie... 14 2.2 Současná stereolitografie... 15 2.2.1 Ozařování polymeru... 15 2.2.2 Proces vytvrzování... 17 2.2.3 Dotvrzovací operace... 20 2.2.4 Konstrukce tiskáren... 20 2.2.5 Fotopolymer... 23 2.3 Tvarová a rozměrová kontrola tisknutých součástí... 25 3 ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE... 26 4 MATERIÁL A METODY... 27 4.1 Tiskárna W2P SolFlex 650... 27 4.2 Materiál Detax SolFlex... 31 4.3 Testované objekty... 31 4.4 Postup tisku... 32 4.5 Návrh experimentů... 33 4.6 Použité skenovací zařízení ATOS... 34 4.7 Kontrola tisknutých modelů... 35 5 VÝSLEDKY... 37 5.1 Úpravy modelů a parametrů s ohledem na chyby tisku... 37 5.2 Test vlivu tloušťky vrstvy... 41 5.3 Test vlivu doby osvitu... 42 5.4 Porovnání materiálů... 43 5.5 Test přesnosti v závislosti na pozici... 44 6 DISKUZE... 45 7 ZÁVĚR... 47 8 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ... 48 9 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN... 50 10 SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ... 51 11 SEZNAM TABULEK... 52 12 SEZNAM PŘÍLOH... 53 11

ÚVOD 1 ÚVOD V dnešní době se technologie 3D tisku neustále rozvíjí a využívá se stále více v mnoha oblastech, především v tzv. Rapid Prototypingu nebo aditivní výrobě. Rapid Prototyping využívá 3D tisk k urychlení vývoje produktu. Než se začne vyrábět konečný produkt, je třeba nejdříve vyrobit prototyp, který bude otestován, zda byl správně navržen a vyhovuje požadovaným parametrům a funkčnosti. Pomocí 3D tisku může být tento prototyp vyroben nejen rychleji, ale mnohdy i levněji. Pro prototyp vytvořený 3D tiskem nemusí být vyráběny drahé komponenty, jako jsou například formy pro odlitky a mnohdy mohou být použity i levnější materiály. Díky této technologii tak mohou být výrobní náklady často výrazně sníženy a celý proces vývoje daného dílu urychlen. V dnešní době je však 3D tisk již na takové úrovni, že už nemusí sloužit pouze pro výrobu prototypů, ale jsme schopni díky němu vyrábět plně funkční díly, které mají podobné vlastnosti jako díly vyrobené ostatními technologickými procesy. 3D tisk navíc umožňuje vyrábět geometricky složité díly, které by byly jen těžko vyrobitelné konvenčními metodami. Například technologie SLM umožňuje výrobu dílů s nižší hmotností a některými lepšími mechanickými vlastnostmi. Tímto se zabývá tzv. aditivní výroba neboli proces, který využívá 3D tisk pro výrobu plně funkčních dílů a komponentů. Princip 3D tisku funguje na vytváření objektu z jednotlivých vrstev. Nejdříve se vytvoří virtuální model pomocí softwarů pro 3D modelování, který se následně rozdělí na jednotlivé vrstvy, které mohou mít tloušťku od milimetrů až po setiny milimetrů, nebo v některých případech dokonce méně. Tyto vrstvy jsou postupně vytvářeny jedna na druhé a tímto způsobem nakonec vznikne konečný produkt. Obr. 1 Vytvoření vrstev modelu [1] 1.1 Metody 3D tisku Metod, jak pomocí 3D tisku vyrobit reálnou součást, existuje v dnešní době více. Některé využívají jako základní materiál prášek, ať už kovový nebo plastový, jiné pak tavitelné struny materiálu, speciální fólie nebo dokonce tekuté materiály. Každý materiál vyžaduje jiné zpracování, a tak některé technologie využívají vyšších teplot 12

ÚVOD k tavení materiálu a jeho nanesení na přesně určené místo v dané vrstvě, kdežto jiné mohou pracovat na principu skládání celých vrstev najednou či vytvrzování světlem nebo teplem. 1.1.1 FDM (Fused Deposition Modeling) Tato technologie funguje na podobném principu jako klasické tavné pistole. Základním materiálem je struna namotaná na cívce, ze které je odvíjena do hlavice s tryskou. Tato hlavice se pohybuje v rovině jedné vrstvy, kde postupně nanáší roztavený materiál. Po dokončení dané vrstvy se buď hlavice nebo podložka posunou o tloušťku vrstvy a poté hlavice začne opět nanášet materiál. Je možné využít i více různých materiálů, které mohou být odlišné pro stavbu samotného dílu a pomocné podpory. 1.1.2 SLS (Selective Laser Sintering) Technologie SLS je založená na principu spékání prášku laserem. Na tiskovou plochu je pomocí speciálního nože nebo válce nanesen prášek, který je poté ozařován. Během tohoto procesu se však prášek úplně neroztaví, pouze je zahřátý na takovou teplotu, za které se dokáže spojit s ostatními zrny prášku. 1.1.3 SLM (Selective Laser Melting) Jako u předešlé technologie SLS, i tato technologie pracuje s materiálem v podobě prášku, který je na tiskovou plochu nanášen obdobným způsobem. Rozdíl je však v tom, že zde prášek ozářený laserem dosáhne teploty tavení, plně se roztaví a tím vytvoří jednotný objem. 1.1.4 LOM (Laminated Object Manufacturing) Princip stavby objektu na bázi LOM spočívá ve skládání folií pokrývajících jednotlivé vrstvy. Tyto fólie jsou poté ořezány laserem a následně spékány. Pro tuto technologii mohou být využity i speciální druhy fólií podobné papíru. 1.1.5 SLA (Stereolithography) Stereolitografie je jeden z dalších principů 3D tisku využívající speciální fotocitlivé polymerní materiály, které jsou následně vytvrzovány za pomoci chemické reakce spuštěné ozářením laseru či světelného UV záření po jednotlivých vrstvách. Během ozáření dochází k růstu molekul v řetězce, díky čemuž se materiál vytvrdí. Princip této technologie a různé metody využívající materiály citlivé na světlo budou podrobněji rozebrány v následujících kapitolách. 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5 13

PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ 2 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Metod, jak vyrobit objekt z materiálu citlivého na světlo, je více a stále se testují a vyvíjejí nové. Obecně se tato technologie nazývá stereolitografie, existuje však více možností, jak z takového materiálu vytvořit reálný objekt. 2.1 Historie a vznik stereolitografie Materiály citlivé na světlo byly známy už v dobách starověkých Egypťanů a pravděpodobně i dávno před nimi. Alchymisté středověkých dob a renesance znali jev černění stříbrné soli v závislosti na vystavení vůči světlu, přestože tenkrát přikládali tento jev spíše účinku tepla od slunečního záření, nikoliv samotnému záření [2]. V roce 1775 objevil Schultz, že směs obsahující stříbro se může zbarvit po osvětlení slunečním zářením do fialové barvy. Při pokusech s touto látkou rozdělil směs na dvě části. Jednu z nich ponechal zakrytou ve tmě a druhou část nechal osvítit slunečním světlem. Toto prováděl způsobem, že látku překryl papírem, ve kterém vyřezal otvory ve tvaru písmen a tímto způsobem byl schopný vytvořit text [2]. S dalším objevem přišel v roce 1822 Niépce, když vytvořil kopii rytiny papeže Pia VII. Směs rozpuštěného bitumenu Judea v oleji levandule nanášel na skleněnou desku, kterou poté překryl rytinou papeže a následně nechal osvítit světlem. Bitumen, který se nacházel pod světlými částmi rytiny po osvitu ztuhl, kdežto pod tmavými částmi zůstal tekutý [2]. 2.1.1 Počátky moderní stereolitografie První významná práce podobná dnešním principům stereolitografie proběhla v sedmdesátých letech 20. století. V roce 1971 Swanson [3] představil patent systému, ve kterém dva křížící se paprsky záření způsobily fázové změny materiálu k vytvoření 3D objektu. Tento proces pojmenovaný fotochemické obrábění je znázorněn na obrázku 2. Obr. 2 Fotochemické obrábění [3] 14

PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Japonský výzkumný pracovník Dr. Hideo Kodama [5] použil metodu vrstvení blížící se dnešní stereolitografii použitím ultrafialového záření k vytvrzení fotocitlivého polymeru. Polymer je makromolekula skládající se z velkého množství molekul atomů jednoho nebo více druhů v takovém množství, že odebráním nebo přidáním několika základních jednotek, se chemické ani fyzikální vlastnosti vůbec nezmění. Světlo schopné vytvrdit fotocitlivý polymer dopadalo přímo na povrch a požadovaný tvar byl vytvořen použitím příslušné prosvětlované masky. 2.2 Současná stereolitografie Stereolitografie využívá principu vrstvení pro tvorbu modelu, neboli skládání z vrstev, tak jako ostatní druhy 3D tisku. Samotná tiskárna se skládá z několika částí. Jednou z nich je nádoba či vanička, ve které se nachází nevytvrzený prepolymer, což je látka skládající se z mnoha monomerů a oligomerů, spolu s iniciátory urychlujícími chemické reakce. Další částí je platforma, na kterou probíhá samotný tisk. Tato platforma se pohybuje v tekutém prepolymeru a během osvitu na ní dochází k vytvrzení materiálu. Stereolitografický proces můžeme podle druhu osvitu rozdělit na více typů. Základní rozdělení je na jednofotonovou a dvoufotonovou polymerizaci. Další dělení je pak ve vlnové délce použitého zářiče a v metodě osvětlování. Podrobněji je rozdělení vidět na obrázku 3. 2.2 Stereolitografie dvoufotonová polymerizace jednofotonová polymerizace viditelné záření ultrafialové záření (UV) infračervené záření (IR) UV + IR záření (nebo tepelné) přímé ozařování ozařování přes masku přímé ozařování ozařování přes masku Obr. 3 Dělení stereolitografických procesů podle druhu osvitu [4] 2.2.1 Ozařování polymeru Stereolitografický proces transformuje prepolymer do zesíťovaného polymeru působením řetězové reakce iniciované reaktivními volnými radikály nebo ionty generovanými světelným zářením. Kvůli tomu, že mnoho monomerů či prepolymerů nedokáže produkovat iniciující částice, je nutné přidat molekuly s nízkou molární hmotností (tzv. iniciátory), které nastartují proces polymerizace skrze fotofyzikální a fotochemické procesy. Prvním krokem ozařování polymeru je fotofyzikální proces, který nezpůsobuje chemické změny, avšak pouze usměrní elektrony do pohybu. Když je světlo 2.2.1 15

PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ absorbováno chromoforem, tedy látkou absorbující elektromagnetické záření (častěji část molekuly odpovědná za absorpci záření, mnohdy i ultrafialového), fotony musí vzájemně působit na atomy nebo skupiny atomů a podpořit změny mezi základním stavem a excitovanými 1 stavy. V závislosti na Frank-Condonově principu [9] je čas potřebný pro absorpci fotonu a jeho následnou přeměnu do excitovaného stavu velmi krátký (řádově 10-5 s). Pro absorpci fotonu musí být energie fotonu E, která je dána vztahem: E = hf, kde h je Planckova konstanta (h = 6,626 10 34 J s [CODATA 2014]) a f je frekvence radiace, nejméně tak velká, jako je rozdíl mezi energiemi základního stavu a excitovaného stavu. Dále zde musí nastat specifická interakce mezi elektrickou složkou dané radiace a molekulou, která vede ke změně dipólového momentu molekuly během přeměny. Absorpce je dána součinem εβl, kde ε je molární absorptivita, β vyjadřuje koncentraci absorpčních částic (fotoiniciátorů) a L je délka dráhy ozařujícího světla. Jakmile paprsek UV záření dopadne na povrch kapalné pryskyřice, je rozptýlen a pohlcen. Tento efekt omezuje průnik záření a tím i hloubku vytvrzování. Tato hloubka je definována následovně: C d = D p ln ( E max E c ), (2-1) (2-2) kde C d je maximální vytvrzovatelná hloubka, D p je hloubka průniku, ve které je intenzita paprsku snížena na 1 e hodnoty na povrchu, E max je maximální energie osvitu na povrchu pryskyřice a E c je hodnota kritické energie potřebné k přeměně polymeru z tekuté na tuhou fázi. Tuto hloubku můžeme korigovat změnou hodnoty radiace na povrch pryskyřice. Maximální energie osvitu na povrchu je dána vztahem: E max = 2 π P w 0 v s, kde P je výkon laseru, w 0 je poloměr paprsku a v s je rychlost snímání. Energie v určité pozici x na povrchu tekutiny je: E(x) = E max exp ( x2 w 0 2 ) a v jakémkoliv bodě v rámci tloušťky prepolymeru se rovná: (2-3) (2-4) E(x, y, z) = E(x, y, 0) exp ( z D p ). (2-5) V závislosti na tloušťce vrstvy a na orientaci povrchu modelu vůči směru záření, může být povrch součásti méně či více drsný. Schodovitý efekt se projevuje, pokud povrch není kolmý na směr záření a probíhá tisk s větší tloušťkou vrstvy. Pro zjemnění nebo úplné odstranění tohoto efektu bylo použito spousty technik a výpočetních nástrojů, kdy například probíhal tisk s proměnnou tloušťkou vrstvy nebo natáčecí platformou vůči zdroji záření [15]. 1 Excitovaný stav = fyzikální jev, při kterém jsou atomy přesunuty z elektronového obalu do vyšších energetických hladin, než v jakých se nacházejí normálně 16

PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Jednofotonové ozařování fotopolymeru může být prováděno dvěma způsoby, a to buď přímým zářením, což je řízený paprsek světla, nebo systémem založeným na prosvětlování masky, které ozařuje celou vrstvu najednou. Přímé ozařování Během této metody je zářič laserového paprsku sloužící jako zdroj světla buďto přemisťován nad místa určená k vytvrzení, nebo je jeho paprsek usměrňován pomocí systému zrcadel k vytvoření dané vrstvy pomocí polymerizace malých objemů částic zvaných také jako voxely. Během vytváření vrstvy laser nedříve objede obrys a poté vyplní vnitřní prostor v závislosti na vybraném způsobu šrafování. Výsledkem je poté model s vnitřní strukturou připomínající plástev medu a celistvým povrchem, který zapouzdřuje zbytky tekuté báze. Pro vytvoření vnitřní struktury udáváme vzdálenost mezi jednotlivými vektory pohybu laseru, která nám určuje hustotu zašrafované struktury. Pokud je vzdálenost velmi malá, dráhy pohybu laseru se budou překrývat, díky čemuž se sníží počet nevytvrzené báze ve vrstvě, což sníží dobu potřebnou na tzv. dotvrzování nebo vůbec vyloučí nutnost tohoto procesu. Na druhou stranu příliš malá hustota, vytvořená nastavením příliš velké vzdálenosti mezi vektory pohybu laseru, způsobí, že se v mezerách usadí velké množství nevytvrzené báze. Poté bude zapotřebí náročnějšího dotvrzovacího procesu a může dojít ke zhoršení kvality výrobku a jeho mechanických vlastností. Šířka vytvrzovací linie se vypočítá následovně: L w = B C d 2D p, (2-6) kde B je průměr paprsku laseru. Ozařování přes masku Metoda na bázi osvětlování fotopolymeru skrze masku je založena na principu ozařování modelu pomocí lampy. Model je překryt maskou, aby světlo prošlo pouze v určitých místech. Energie osvětlujícího záření začne vytvrzovací proces v osvětlené části formováním modelu ve všech částech zároveň. První systém stereolitografického tisku založený na tomto principu, který byl komerčně dostupný, byl SGC (Solid Ground Curing) vynalezený Pomerantzem v Cubitalu [16]. Nejdříve byl rozprostřen fotocitlivý polymer a vytvořeny osvětlovací masky. Generátor masek vytvářel negativy obrazů každé vrstvy modelu na skleněné desce. Po ozáření byla nevytvrzená část odsáta vysavačem a mezery vyplněny voskem, který poté sloužil jako podpora pro další vrstvu. Systém tohoto osvětlování vyžadoval velké množství masek pro tvorbu modelu a následně jejich přesné vyrovnání. Tento problém je dnes nahrazován pomocí displejů na bázi tekutých krystalů (LCD), digitálních mikro-zrcadlových zařízení (DMD) nebo digitálním projekčním systémem jako flexibilní maska. 2.2.2 Proces vytvrzování Vytvrzovací reakce stereolitografického prepolymeru je exotermický 2 polymerizační proces, který je charakterizován chemickou síťovou reakcí vytvářející netavitelnou, nerozpustnou a velmi hustou 3D síť. Průběh reakce, která je iniciována dodáním 2.2.2 2 Exotermický = proces, při kterém se uvolňuje energie, většinou ve formě tepla 17

PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ vhodné formy energie, prochází z tekuté fáze (prepolymer) přes fázi napodobující gel až po tuhou fázi (vytvrzený materiál). Tato reakce je znázorněna na následujícím obrázku. Obr. 4 Fáze vytvrzování fotopolymeru. a) tekutý prepolymer, b) nárůst viskozity, c) gelová fáze, d) vytvrzený polymer [17] Vytvrzování je nevratný děj odpovídající počáteční formaci molekulární sítě, která je spojena s rychlým nárůstem viskozity. V tomto bodě již nebude systém nadále téct, přičemž zde budou existovat gelová fáze i tekutá fáze. Zpevněná (gelová) fáze je již nerozpustná, zatímco tekutá fáze může být odstraněna různými rozpouštědly. Makroskopické zpevňování je spojeno s razantním nárůstem viskozity materiálu a tomu odpovídajícímu poklesu zpracovatelnosti. Náhlá změna z tekutiny na elastický gel nám definuje počátek procesu vytvrzování. S nárůstem doby reakce, tedy doby, po kterou je daná vrstva ozařována, ubývá tekuté části směsi a v polymeru se vytváří více vazeb s větší hustotou umístění. Další průběh vytvrzovacího procesu je tzv. vitrifikace, tj. postupný, avšak teplem zvratný proces, korespondující s formováním tuhého materiálu během zvyšování hustoty vazeb a nárůstem molární hmotnosti vytvrzovaného polymeru. Poté začne rychlost reakce klesat na velmi malou, kdy začne být řízena více difuzí reaktivních částic. Místo doposud převažující kinetické charakteristiky se reakce změní na difuzní charakteristiku. V tomto režimu je čas potřebný ke sjednocování jednotlivých reaktivních skupin mnohem delší než během vlastní chemické reakce. Difuzně charakteristický efekt může také vést k tvoření nehomogenních struktur, upravujících fyzikální vlastnosti a trvanlivost polymeru. Během vytvrzovacího procesu je pozorován nárůst teploty skelného přechodu materiálu, což je následkem zvýšení molární hmotnosti a hustoty vazeb. Běžně se dá očekávat, že nárůst rozsahu vytvrzení povede k nárůstu molární hmotnosti a zvýšení počtu vazeb, což bude mít za následek odstranění volných konců řetězců a zmírnění pohybu makromolekul. Proto se objem složený z volných i využitých částí zmenšuje s mírou vytvrzení. Tudíž by mělo být očekávané, že dojde ke zvýšení hustoty materiálu během přeměny [8]. 18

PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Kinetika vytvrzovacího procesu je ovlivněna především intenzitou světla, teplotou a složením tekutého prepolymeru, například koncentrací iniciátorů apod. Během těchto reakcí systém nefunguje podle zákona zachování objemu, protože objemové smrštění je mnohem pomalejší než rychlost chemické reakce. Tento efekt vytváří dočasný přebytek volného objemu, který zvyšuje mobilitu reaktivních částic systému. Celkově tedy platí, že čím vyšší je intenzita záření, teplota a koncentrace iniciátorů, tím větší je rychlost tvorby gelové fáze (a tím přebytečných volných objemů), které vedou k většímu smrštění. S procesem vytvrzování souvisí úzce i doba osvitu jednotlivých vrstev. Během doby, kdy je daná vrstva ozařována, dochází k seskupování jednotlivých monomerů a následnému růstu polymerních řetězců. Vzhledem k tomu, že k vytvrzování a růstu polymeru dochází od povrchu, na který dopadá záření, je důležité nastavit správnou dobu osvitu, aby došlo k řádnému spojení vrstev. Pokud bude doba osvitu příliš malá, jednotlivé vrstvy budou spojeny velmi slabě nebo ke spojení vůbec nedojde. Naopak při příliš dlouhém osvitu může dojít k přerůstání vrstev, což vede ke zhoršení kvality daného výrobku. Srovnání krátké a dlouhé doby osvitu je znázorněno schématem na následujícím obrázku. Obr. 5 Nákres vytvrzení jednotlivých vrstev při krátké a dlouhé době osvitu [5] Pokud je tedy doba osvitu nastavena mírně delší, než by ideálně měla být, bude docházet k tomu, že jednotlivé vrstvy budou do sebe prorůstat, ale stále to nemusí mít příliš velký dopad na kvalitu tisknutého dílu. Větší problém však může nastat při mnohonásobku ideální doby osvitu. Formování velkých makromolekul je snazší v místech, kde jsou jednotlivé monomery volně umístěny. Při několikanásobku ideální doby osvitu tedy začne docházet k tomu, že růst řetězců směrem do dalších vrstev se zpomalí, protože již nestačí energie k formování a přesunu již navázaných řetězců, ale začne růst směrem, obvykle rovnoběžným s jednotlivými vrstvami, kde jsou monomery volné a není zde tedy zapotřebí tolik energie. Tento negativní efekt je zřetelně vidět na obrázku 6 na následující straně. 19

PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr. 6 Srovnání správné (vlevo) a několikanásobně delší (vpravo) doby osvitu [12] 2.2.3 Dotvrzovací operace Jakmile je model vytisknutý, musí ještě podstoupit řadu operací, než bude možné jej použít. Model je vyčištěn od přebytků tekuté báze ponořením do vody a následně ponořením do etyl-alkoholu před tím, než budou odstraněny podpory. Kvůli nedostatečnému vytvrzení v průběhu tisku modelu je nutné dokončit vytvrzování v ultrafialové komoře, kde dojde ke konečnému dotvrzení součásti. Důležité následky nedokončené polymerizace během tisku jsou deformace během uvolnění, difuze, odpařování komponent s nízkou molární hmotností a dotvrzovací smršťování, které může vytvářet vnitřní napětí. To je logickým následkem formování velkých molekul z menších během procesu vytvrzování, což způsobuje zvýšení hustoty. Mimo jiné, vytvrzovací proces každé vrstvy způsobuje ohýbání předešlých vrstev, které jsou již vytvrzené. Během odstranění modelu z podložky tak může dojít k dalšímu zkřivení a zkroucení kvůli uvolnění vnitřních sil, které se vytvořily během tisknutí mezi modelem a podložkou. 2.2.4 Konstrukce tiskáren Samotný tisk je řízen počítačem nebo řídící jednotkou, která využívá informace o jednotlivých vrstvách samotného modelu, vytvořených pomocí počítačového softwaru, pro řízení osvitu a pohybu jednotlivých částí tiskárny. Poté, co je daná vrstva natisknuta, je třeba na již vytisknuté vrstvě vytvořit film, který bude následně vytvrzován. Další vrstva se začne tisknout po určité době potřebné k překrytí předešlé vrstvy. Účel čekací doby spočívá v tom, aby na již vytisknuté vrstvě došlo k vytvoření rovnoměrného filmu, který může být následně vytvrzován. Během ponořování platformy s modelem do prepolymeru může na hladině nastat vlnění a mohou zde vzniknout malé bubliny, které poté mohou zůstat uvnitř modelu a tím zhorší kvalitu a vlastnosti tisknuté součásti. Definice a určení správné čekací doby po namočení je velmi důležitá, protože příliš krátká doba způsobuje zhoršení přesnosti a špatné navázání jednotlivých vrstev a tím snižuje celkovou kvalitu tisknuté součásti, kdežto příliš dlouhá čekací doba je nežádoucí z důvodu nárůstu doby tisku. Další důvod ovlivňující délku této mezidoby, zvláště u prepolymerů s vysokou viskozitou, je povrchové napětí kapaliny, kvůli kterému se formuje do nepříznivého tvaru a je zde třeba počkat, než dosáhne rovnováhy. Čas potřebný k dosažení této rovnováhy a 20

PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ rovnoměrné vrstvy prepolymeru nelze vynechat, je možné ho však zkrátit použitím prepolymeru s nižší viskozitou nebo úpravou konstrukce tiskárny. Nakonec je tento proces opakován pro každou vrstvu, dokud není vytisknutý konečný 3D model výrobku. Způsobů, jak zkrátit čas čekací doby mezi jednotlivými vrstvami a zároveň zajistit dostatečnou přesnost vytvořením rovnoměrného filmu daného prepolymeru je více. Základní rozdělení tiskáren podle způsobu tisku, který tento vliv omezuje, je rozdělení na tisk shora a tisk zespoda na platformu. Pro další urychlení procesu se používají další nástroje, jako například nůž pro srovnání hladiny prepolymeru. Tiskárna s tiskem z horní strany Tato tiskárna obsahuje větší nádobu na prepolymer, do které zajíždí platforma, na které probíhá tisk. Poté, co se platforma ponoří do tekutého polymeru, ustaví se tak, že hladina prepolymeru je nad horní stranou platformu (případně nad vrchní již natisknutou vrstvou) o tloušťku jedné tisknutelné vrstvy. Tento slabý film je poté z horní strany ozařován zdrojem světla, díky čemuž dojde k vytvrzení dané vrstvy. Poté se platforma opět ponoří do prepolymeru a následně se výškově ustaví o tloušťku vrstvy pod hladinu kapaliny. Obr. 7 Schéma stereolitografického aparátu s tiskem z horní strany [10] Kvalita vytvořeného filmu na vrchní vrstvě, která má být vytvrzována, velmi ovlivňuje přesnost celého výrobku. Kvůli vysoké viskozitě těchto polymerů může ustavení a uklidnění hladiny dělat značné problémy. Platforma s tisknutým dílem musí kvůli povrchovému napětí dané kapaliny sjíždět hluboko, aby byl zajištěn dostatečný přeliv a následně po výjezdu do pozice, ve které probíhá tisk, dlouho čekat, aby přebytečná kapalina stihla odtéci. To nejen že prodlužuje dobu tisku, ale kvůli velkým pohybům a povrchovému napětí kapaliny může docházet k tvorbě malých bublin, které znehodnocují jak mechanické vlastnosti vytisknutých dílů, tak jejich přesnost a kvalitu povrchu. Pro urychlení tisku a odstranění těchto nežádoucích vlivů se používá speciálního srovnávacího nože, který po každém ustavení platformu přejede po hladině prepolymeru, kterou uklidní a vyrovná. Ozařování dané vrstvy tak může začít mnohem dříve, přičemž je lépe zaručena tloušťka kapaliny a hladina neobsahuje nežádoucí bubliny. 21

PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Obr. 8 Schéma stereolitografické tiskárny se srovnávacím nožem [11] Tiskárna s tiskem ze spodní strany Tato konstrukce tiskárny umožnuje použití mnohem menší vaničky na tekutý polymer a spolu s tím i mnohem menší množství daného prepolymeru. Platforma s tisknutým dílem totiž nezajíždí celá do této kapaliny, ale přijíždí z horní strany a do prepolymeru ponoří pouze svoji část. Platforma se ustaví tak, aby mezi poslední vytisknutou vrstvou a dnem vaničky s prepolymerem zůstala mezera o tloušťce tisknuté vrstvy. Následně proběhne ozáření skrze dno vaničky, čímž se daná vrstva vytvrdí. Zde však světlo prochází více prostředími (např. vanička-prepolymer) a na každém takovém rozhraním může docházet k refrakci paprsku světla, tedy jeho lomu a změně směru je dalšího šíření. Tento lom, který vychází z Huygensova principu záření a je popsán Snellovým zákonem [6], může značně zhoršit přesnost vyráběných dílů. Paprsek světla tedy nezáří na přesné místo dopadu, ale jeho směr je lehce pozměněn právě kvůli lomu způsobeném při průchodu rozhraním. Obr. 9 Schéma stereolitografického tisku ze spodní strany [13] 22

PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Další skutečností, která tento způsob tisku omezuje je, že tvrdnoucí vrstva přirůstá nejen k předchozím vrstvám, ale částečné také ke dnu vaničky. Během pohybu směrem vzhůru, který následuje po vytvrzení dané vrstvy, tak dochází k odtržení vytisknutého modelu ode dna vaničky a může tedy dojít k poškození tohoto výrobku, protože se z modelu mohou odtrhnout nejenom malé části, ale může dojít i k odtržení celé vrstvy a následně tedy k razantnímu zhoršení kvality daného dílu. Jedním ze způsobů, jak zmírnit tento vliv, je použití vaničky z pružného materiálu. Během pohybu platformy dojde k prohnutí vaničky, což umožní postupné odtrhnutí tisknuté části a zmírní tak její poškození. K dalšímu snížení tahových sil působících na výrobek od vaničky může dojít při zmenšení rychlosti pohybu vzhůru, nebo dokonce při přerušovaném pohybu, kdy platforma vyjede do určité výšky a tam počká, aby se zmírnily síly a mohlo dojít ke snadnějšímu odtrhnutí. To sice prodlouží dobu tisku, nicméně zajistí to větší kvalitu a přesnost výrobku, zvláště u dílů s většími rozměry, kde je tento problém výrazně znatelný. Dalším způsobem, který je testován, je technologie CLIP (Continuous Liquid Interface Production), vyvíjená společností Carbon, Inc. [7]. Tento způsob tisku pracuje na principu, kdy je mezi dnem vaničky a tekutým polymerem vytvořena propustná vrstva (také zvaná jako mrtvá zóna ) přifukováním kyslíku, která zabraňuje kontaktu prepolymeru se dnem vany a tedy i přituhnutí vytvrzované vrstvy ke dnu vaničky. Samotný tisk je pak kontinuální a nedochází zde ke klasickému přerušování při tisku jednotlivých vrstev, jako u ostatních metod 3D tisku [14]. Obr. 10 Schéma stereolitografického tisku metodou CLIP [14] 2.2.5 Fotopolymer Stereolitografie pokročila v dnešní době již na takovou úroveň, že je možné využít velké množství materiálů, čímž se i rozšiřuje využitelnosti této technologie. Složení fotopolymerních materiálů obsahuje monomery nebo oligomery, jako základní stavební jednotky, fotoiniciátory pro účinnější spouštění reakce a dále může obsahovat různé přísady. Tisknout je možné od velmi elastických polymerů a hydrogelů přes naopak velmi tuhé a křehké plasty, ale pozadu nezůstávají ani kompozity obsahující různé kovy a další materiály [4]. Základním principem je chemická řetězová reakce fotocitlivých prepolymerů v tuhý zesíťovaný polymer, který je odolný proti 2.2.5 23

PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ zbývajícímu fotopolymeru. Pro zjednodušení se dá tento proces rozdělit do dvou kroků: iniciátor + foton reaktivní částice reaktivní částice + M nerozpustný polymer Poté, co foton dopadne do tekutého prepolymeru, začne spolu s iniciátory vytvářet reaktivní částice, kterými jsou většinou volné radikály nebo ionty. Následně začnou tyto částice reagovat s molekulami monomerů či oligomerů (M), čímž dochází k růstu řetězců až do vytvoření již nerozpustitelného polymeru. Výběr správných fotoiniciátorů je jedna z nejdůležitějších věcí ohledně stereolitografie, jelikož ovlivňují kvalitu celkového vytvrzovacího procesu. Vhodný systém fotoiniciátorů musí mít zahajovací účinnost, dobrou rozpustnost v prepolymeru a stabilitu při skladování. Navíc produkty vytvořené pomocí těchto iniciátorů nesmí být obarvené, toxické, nebo způsobovat degradaci polymeru po stárnutí. Běžně používané fotoiniciátory mohou být rozděleny do dvou hlavních skupin, a to radikální a kationické iniciátory. Tyto iniciátory jsou většinou přidávány v množství 0,5-12 hm%, přičemž umožňují vytvrzování vrstvy do hloubky 0,1-2,5 mm. Radikální fotoiniciátory jsou používány k absorbování dopadajícího záření a následně procházejí procesem vedoucím k tvorbě radikálů. Tyto iniciátory musí předložit vysokou absorpci v emisním rozsahu laseru. Radikální fotoiniciátory můžeme rozdělit na dva hlavní typy, a to buď na iniciátory, které podporují polymerizaci pomocí štěpením světlem, nebo na ty, které podporují polymerizaci abstrakcí vodíku. Kationická fotopolymerizace používá acidy vlastnící anionty s velmi nízkou nukleofilitou 3. Kationické iniciátory jsou většinou oniové soli, jako jodové a sulfonové soli, které produkují částice reaktivní na UV ozáření. Kompozity obsahující kovy nebo keramiku patří do další kategorie materiálů používaných při stereolitografii. Tyto materiály jsou složeny z velmi jemného prášku, ať už kovového či jiného materiálu, a fotocitlivého polymeru, který slouží podobně jako pojivo. Zde je ovšem důležité pečlivě vybrat jak polymery, tak fotoiniciátory. Tyto složky totiž nesmí narušovat strukturu použitého práškového materiálu, který v nich bude obalen. Takto vytisknuté díly mohou být nadále zpracovány různými metodami, jako například spékáním, pro vylepšení jejich vlastností [4]. 3 Nukleofilita = vyjadřuje afinitu nukleofilu k atomovámu jádru; nukleofil je látka, která v chemické reakci poskytuje elektronový pár 24

PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ 2.3 Tvarová a rozměrová kontrola tisknutých součástí Pro ověření, zda se daný model správně vytiskl s požadovanými rozměry je nutné vytvořit jeho digitální kopii, kterou je následně možné porovnat s původně vytvořeným modelem. Obor, který využívá technologie trojrozměrné digitalizace pro odvození digitálního modelu z reálné součásti, se nazývá reverzní inženýrství. Vytisknutý model je přenesen do digitální podoby pomocí 3D skenovacího zařízení. Přímým výstupem 3D skenování je mračno souřadných bodů, které kopíruje skutečný povrch objektu. Mračno bodů je následně matematicky upraveno a převedeno do podoby polygonální sítě formát STL. Za pomoci počítačového softwaru se pak porovnává naskenovaný díl s ideální předlohou, která byla vytvořena jako model pro 3D tisk. 2.3 Obr. 11 Ukázka skenování pomocí skeneru ATOS III Triple Scan s technologií modrého světla [25] 25

ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE 3 ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE Stereolitografický tisk je ovlivňován spoustou parametrů týkajících se především světelného záření a jeho působením na daný materiál. Významný vliv při tiskovém procesu mají však i ostatní veličiny. To, jak funguje proces vytvrzování a jak jej ovlivňuje světlo již bylo popsáno v předchozích kapitolách. Každý materiál však vyžaduje různé nastavení procesních parametrů, které ovlivňují celý proces tisku. Mezi nejdůležitější nepatří pouze tloušťka vrstvy, doba osvitu a další parametry popsané v předchozích kapitolách, ale dopad na kvalitu produktu má i celkové řízení pohybů tiskárny, které je třeba uzpůsobit i fyzikálním vlastnostem používaného materiálu. Cíle bakalářské práce: Hlavním cílem je nalezení vhodných procesních parametrů pro technologii stereolitografie s důrazem na dosažení vysoké rozměrové přesnosti. Dílčími cíli této práce jsou: identifikace parametrů ovlivňujících přesnost: doba osvitu, tloušťka vrstvy a další, návrh experimentů pro objasnění závislosti přesnosti na zvolených parametrech, vyhodnocení experimentálně zjištěných dat a vyvození závěrů. Experimenty budou provedeny s materiálem Detax SolFlex na prototypu stereolitografické tiskárny SolFlex 650 od společnosti Way2Production [19], která byla dodána společností Konica Minolta [20]. 26

MATERIÁL A METODY 4 MATERIÁL A METODY 4 Metod a postupů, jak otestovat přesnost tiskárny je více. Pro základní testování se použije model, na kterém se nacházejí různé geometrické objekty, které jsou následně vyhodnocovány na rozměrovou přesnost [22,23]. Poté následuje série tisků, kde se daný model vytiskne s různými procesními parametry. Pomocí 3D skeneru dojde k převedení vytisknuté části zpět do digitální podoby, kde je možné provést inspekci a zkontrolovat odchylky jednotlivých rozměrů a tvarů. Po vytvoření modelu probíhalo testování na tiskárně W2P SolFlex 650, následně byl využit 3D skener ATOS III Triple Scan a software GOM Inspect pro vyhodnocení dat. 4.1 Tiskárna W2P SolFlex 650 Stereolitografická tiskárna SolFlex 650 je prototypová tiskárna využívající technologii tisku ze spodní strany pomocí osvitu UV-LED DLP projektorem. Nádoba pro fotocitlivý materiál je vyrobena z flexibilního materiálu, což umožní zmírnit odtrh vytvrzené součásti ode dna vaničky. Tisková plocha je rozdělena na 6 sekcí jednotlivě osvětlovaných DLP projektorem, který se pod nimi horizontálně pohybuje. Toto rozdělení tiskové plochy na menší části je z důvodu vymezení nepřesností vznikajících při lomu paprsku světla procházejícího skrze různá rozhraní, konkrétně vaničky a okolního prostředí. Nad vaničkou se nachází platforma pohybující se ve směru osy Z, na kterou probíhá samotný tisk. Ovládání tiskárny probíhá přes dotykový displej. 4.1 Obr. 12 Tiskárna W2P SolFlex 650 [19] 27

MATERIÁL A METODY Tiskárna umožňuje vytvářet poměrně rozměrné díly díky tomu, že tisknutý model může být stavěn na více sektorech zároveň. Na rozmezí sektorů je třeba zajistit navázání modelu mezi jednotlivými sektory, toto řeší funkce SeamingFactor. Tato funkce zajišťuje překryv osvitu na rozmezí jednotlivých segmentů. Délku osvitu je možné procentuálně nastavit tak, aby došlo k ideálnímu provázání molekul na tomto rozhraní. Základní tiskové parametry jsou uvedeny v následující tabulce. Tab. 1 Základní parametry tiskárny W2P SolFlex 650 [19] Technologie osvitu Rozměr pixelů Tiskový objem Podporované tloušťky vrstev UV-LED DLP (vlnová délka 385 nm) 50 μm 120 128 100 mm 25 200 μm Před samotným tiskem je třeba provést iniciaci, která otestuje a sjednotí všechny pohyby tiskárny, a dále nahrát soubory, které řídí proces celého tisku. Prvním souborem je svazek obrázků jednotlivých vrstev, které mají být ozařovány. Tento soubor je vytvořen v softwaru Netfabb s prostředím, které obsahuje informace o platformě tiskárny W2P SolFlex 650 a jejím tiskovém objemu. Po importu modelu součásti ve formátu STL je možnost tyto modely dále editovat. Prvním krokem je ustavení modelů na platformu. Dále je možné editovat samotné díly, změnit jejich velikosti nebo doplnit podpůrné struktury, které napomáhají lepšímu tisku. Poté je možné vytvořit tzv. Jobfile, což je soubor obsahující obrázky všech jednotlivých vrstev, které mají být tisknuty. Obr. 13 Prostředí softwaru Netfabb pro tiskárnu W2P s ustavenými modely Ve vytvořeném souboru jsou obrázky seřazeny postupně od spodní vrstvy. Tyto obrázky jsou složeny ze dvou barev, bílou barvou je vyznačena část určená pro osvit a černou zbytek tiskové plochy, která ozařována není (viz Obr. 14). Rozlišení jednotlivých pixelů tohoto obrázku odpovídá velikosti 50 μm. Přitom ale program při tvorbě těchto obrázků nevygeneruje rozměry menší než 150 μm, a to z důvodu, že v 28

MATERIÁL A METODY šikmém směru by pixely sousedily pouze svými rohy a vznikaly by chyby závislé na vzájemné poloze jednotlivých pixelů. Tisk menších rozměrů je tedy možný pouze s manuálním vytvořením profilů vrstev. Nelze však vytisknout menší rozměr, než udává rozlišení DLP projektoru. Obr. 14 Příklad profilu pro 130. vrstvu testovacích modelů Dalšími dvěma soubory jsou poté zdrojové kódy, které obsahují informace o materiálu (MaterialProfile) a o pohybu a funkci jednotlivých částí tiskárny (BuildStyle). Přestože každý soubor nastavuje jiné funkce, oba obsahují konstanty, pomocí kterých lze upravit parametry definované v druhém souboru. Každý ze souborů obsahuje název a ID kód, pomocí kterého je rozeznán v tiskárně. Obr. 15 Ukázka kódu BuildStyle 29

MATERIÁL A METODY Soubor MaterialProfile obsahuje informace o řízení osvitu. Je zde nastavení pro délku osvitu jednotlivě pro prvních pět vrstev, které mívají delší dobu osvitu z důvodu zajištění pevného přilnutí k platformě, a následně nastavení pro ostatní vrstvy s dobou osvitu pro danou tloušťku vrstvy. Kromě doby osvitu je zde možnost korigovat i směr světelného paprsku. K tomu slouží funkce Offset a Shrinkage. Soubor BuildStyle naopak řídí pohyby celé tiskárny. Je zde nastavení pro pohyb směrem vzhůru, kdy dochází k odtrhu ode dna vaničky (PeelOffCoordinates) a směrem dolů (RepositioningCoordinates). Definování pohybů obsahuje nastavení, do jaké výšky má platforma vyjet, rychlost, kterou se má pohybovat a následně nastavení času, po který má po daném pohybu vyčkat (WaitTime). Dalším parametrem, který se dá v tomto souboru nastavit, je intenzita osvitu. Během jednotlivých kroků lze také nastavit napínání vaničky, které slouží k eliminaci prohnutí. Seznam nastavitelných parametrů tiskárny je uveden v tabulce 2. Tab. 2 Seznam nastavitelných parametrů tiskárny W2P SolFlex 650 Shrinkage Offset PeelOffSpeedFactor PositioningSpeedFactor IluminationPowerFactor MaxIlluminationTime MinIlluminationPause SeamingFactor PeelOffCoordinates RepositioningCoordinates Position ScaleDistance SpeedFactor ScaleSpeed WaitTime ScaleWaitTime DisplacementValueDecay Koeficient pro úpravu rozměrů modelu ve směru osy Z Koeficient pro úpravu směru paprsku v rovině XY Koeficient pro úpravu rychlosti při pohybu platformy směrem vzhůru (+Z) Koeficient pro úpravu rychlosti při pohynu směrem dolů (-Z) Koeficient upravující intenzitu osvitu Maximální čas, po který je možné v kuse osvětlovat jedno místo [ms] Minimální čas, během kterého se nesmí ozařovat aktuální plocha [ms] Funkce upravující vlastnosti záření v místě hranice mezi dvěma segmenty Oddíl popisující pohyb platformy směrem vzhůru (+Z) Oddíl popisující pohyb platformy směrem dolů (-Z) Pozice, na kterou se má posunout platforma [mm] Funkce upravující vzdálenost podle velikosti ozařované ploch Koeficient upravující rychlost pohybu Funkce upravující rychlost pohybu podle velikosti ozařované plochy Čas, který má tiskárna počkat mezi jednotlivými kroky [ms] Funkce upravující čekací čas podle velikosti ozařované plochy čím větší objekt, tím delší čas Porovnává aktuální čekací dobu s dobou pro vrstvu o 1 mm výše a vybírá vyšší hodnotu 30

MATERIÁL A METODY 4.2 Materiál Detax SolFlex Pro testování tiskárny SolFlex byl použit materiál od společnosti DETAX určený pro tvorbu produktů v oblasti zubního zdravotnictví (viz. Příloha 1). Jedná se o již připravenou směs akrylátových/metakrylátových fotopolymerů s doplňujícími přísadami, kterou tedy nebylo nutné dále upravovat. Základní fyzikální vlastnosti tohoto materiálu jsou znázorněny v následující tabulce. Podrobnější popis včetně chemického složení a ostatních informací lze nalézt v popisu od výrobce v příloze 1. 4.2 Tab. 3 Základní fyzikální vlastnosti materiálu Detax SolFlex Fyzický stav (při 20 C) Tekutý Zbarvení Odstíny šedé Zápach Slabý, podobný esterům Hustota (při 20 C) 1,09 g/cm 3 4.3 Testované objekty K ověření přesnosti stereolitografického tisku byly vytvořeny modely s několika geometrickými tvary, které byly následně analyzovány. Protože se jednotlivé objekty nemohly nacházet příliš blízko u sebe, aby se nepřekrývaly a bylo možné je kvalitně naskenovat, byly navrhnuty dva modely. Každý model měl velikost menší než velikost jednoho sektoru tiskové plochy, aby nedocházelo k ovlivnění kvality na hranici dvou sektorů. Oba modely se skládaly z několika geometrických tvarů umístěných na základní podložce o tloušťce 2,5 mm. Ta byla použita z důvodu, že jednotlivé objekty jsou příliš malé, aby s nimi mohlo být manipulováno jednotlivě. Na prvním modelu (Obr. 16) se testovala přesnost tisku svislých stěn s postupně se zmenšujícími tloušťkami stěn (1 mm; 0,75 mm; 0,5 mm; 0,25 mm; 0,15 mm). Dále zde bylo 5 válců s vnějším průměrem 7 mm. První válec byl plný, další čtyři byly duté s tloušťkami stěn 1 mm, 0,5 mm, 0,25 mm a 0,15 mm. Poté zde byla krychle o rozměrech 10x10x8 mm s vyhloubenou polokoulí o průměru 8 mm, která byla porovnávána s vypuklou 4.3 Obr. 16 Testovací model 1 31

MATERIÁL A METODY polokoulí stejného rozměru. Dále se zde nacházel dutý kvádr se stejnou tloušťkou stěny 0,25 mm jako jeden z válců a pro otestování možností tisku bez podpor zde byl objekt připomínající most s volnými mezerami pod vodorovnou deskou o vzdálenostech 1 mm, 2 mm, 3 mm, 5 mm a 10 mm. Na druhém modelu (Obr. 17) byly prováděny testy na přesnost šikmých ploch. Tento test se skládal ze čtyř ploch skloněných pod různými úhly (30, 45, 60, 75 ), které byly vyplněny až po základní desku. Vedle těchto ploch se nacházely desky skloněné pod stejnými úhly, ale mezi nimi a základovou deskou byla volná mezera, ve které se nenacházely ani žádné podpory. Na těchto plochách byla kromě úhlové přesnosti testována také kvalita tisku bez podpor, což je jednou z předních výhod této technologie. Dále se zde nacházela dutá polokoule s tloušťkou stěny 1 mm, která obsahovala spoustu otvorů, aby svým tvarem připomínala složitější strukturu. Tato polokoule byla opět tisknuta bez jakýchkoliv podpor. Posledním objektem je polovina jehlanu a kužele se stoupáním 60 přisazené k sobě tak, aby vytvořily jeden objekt. Obr. 17 Testovací model 2 Výše popsané modely byly prvními návrhy objektů pro navrhnuté experimenty. Po prvních testovacích tiscích se však ukázalo, že jejich tvar bude muset být upraven a přizpůsoben vlastnostem materiálu tak, jak je popsáno v kapitole 5.1 Úpravy modelů a parametrů tisku s ohledem na chyby tisku. 4.4 Postup tisku Před zahájením tisku se nasadí flexibilní nádobka na kolíky a nalije se do ní tekutý fotopolymer. Poté se bez horní platformy spustí iniciace, během které tiskárna vykoná několik kontrolních pohybů, aby byla otestována funkčnost všech částí. Kolíky, na které je připevněna vanička, jsou pohyblivé z důvodu napínání vaničky a slouží pro vymezení jejího prohnutí. Nejdříve se testuje jejich pohyb v jednotlivých směrech a následně dojde k ustavení nádobky do střední polohy nad DLP projektorem. Poté je otestován pohyb rámu, ve kterém je při tisku platforma, v pojezdové ose Z (tedy pro pohyb směrem nahoru a dolu). Rám sjede do nejnižší polohy, kde má definovaný nulový bod. Poté mírně vyjede vzhůru a znovu sjede dolů, tentokrát však přes nulové 32

MATERIÁL A METODY hodnoty, aby došlo k případnému srovnání poloh rámu na pohybových šroubech a zaručení jeho vodorovné pozice. Následně rám vyjede do horní pozice a tím se iniciace ukončí. V tuto chvíli je již možné nasadit platformu do rámu a nahrát příslušné soubory. Po úspěšném importu všech tří souborů do tiskárny je možné spustit tisk. Jakmile je tisk spuštěn, dojde k uzamčení platformy pomocí magnetů, aby nedošlo k jejímu pohybu během tisku. Následně provede tiskárna ustavení vaničky a její napnutí a spustí vlastní tisk od první vrstvy. Po dokončení tisku je platforma vyjmuta z tiskárny, aby bylo možné oddělit od ní modely. Modely jsou poté očištěny v isopropylalkoholu (C 3 H 8 O), který odstraní z povrchu modelu nevytvrzené řetězce, přičemž nenaruší strukturu vytisknuté součásti. Pro urychlení tohoto procesu je model ponořen do kádinky s C 3 H 8 O, která je následně vložena do ultrazvukové čističky. Po několika minutách je možné model vytáhnout a za pomoci stlačeného vzduchu očistit od isopropylalkoholu. Takto očistěný a vysušený model je poté vložen do dotvrzovacího zařízení, kde díky UV zábleskům dochází k dokončení polymerizace ještě zcela nevytvrzených částí. Po tomto procesu je již možné pracovat s předmětem bez ochranných pomůcek. 4.5 Návrh experimentů Pro otestování přesnosti tisknutých součástí s různými parametry tisku bylo navrženo několik experimentů, které se samostatně zaměřují na jednotlivé parametry ovlivňující přesnost tisknutých dílů. Testovanými faktory jsou tloušťka vrstvy, doba osvitu, vlastnosti materiálu a poloha modelu na platformě. Cílem prvního experimentu je otestování vlivu nastavení tloušťky vrstvy na přesnost a kvalitu vytisknutého dílu. Vytvořené modely jsou tištěny se čtyřmi různými tloušťkami vrstvy a následně porovnány. Doby osvitu pro každou tloušťku jsou určeny z grafu na obr. 21. Druhý test bude sleduje vliv doby osvitu. Tisk modelů je proveden s konstantní tloušťkou vrstvy 50 μm, přičemž se mění nastavená doba osvitu (950 ms, 1250 ms, 1550 ms, 1800 ms) Další experiment se zabývá porovnáním materiálů. Každý materiál má jiné vlastnosti a potřebuje tak jiné nastavení. Cílem je tedy provést tisk modelů z druhého dostupného materiálu, kterým je prototypový W2P Prototype Clear, a následně porovnat se srovnatelným modelem z materiálu Detax SolFlex. U ozařování pomocí DLP projektoru navíc není paprsek světla vždy kolmý na tiskovou podložku, ale jeho úhel se mění se šířkou tisknuté součásti. Zde pak může přesnost ovlivnit lom paprsku světla, který se výrazněji projevuje se zvětšujícím se úhlem dopadu paprsku. Další ovlivnění přesnosti může být způsobené průhybem flexibilní vaničky. Poslední prováděný experiment se tedy zaměřuje na otestování přesnosti objektů v závislosti na umístění na platformě tiskárny. Pro ověření a analýzu experimentů budou vytisknuté vzorky naskenovány pomocí 3D skeneru a tyto vytvořené modely dále porovnávány s ideálními rozměry modelů vytvořených pro tisk. 4.5 33

MATERIÁL A METODY 4.6 Použité skenovací zařízení ATOS Pro ověření a analýzu rozměrů je nutné vytisknutý model převést zpět do digitální podoby. Před skenováním je nejdříve třeba nanést na povrch modelu titanový prášek, díky kterému nedochází k lesku povrchu a kamery 3D skeneru tedy dokáží naskenovat díl bez větších problémů. Titanový povlak se nanáší ze směsi velmi jemného titanového prášku s lihem pomocí pistole s tryskou na stlačený vzduch. Tím vznikne na povrchu součásti vrstva o průměrné tloušťce 0,44 μm [25]. Dále je třeba nalepit na model kruhové značky, které zajistí složení jednotlivých skenů do jednoho souřadného systému. Obr. 18 Model připravený ke skenování Skenovací zařízení, které bylo použito k převedení vytisknutých modelů do digitální podoby, byl 3D skener ATOS III Triple Scan (viz obr. 11). Tento skener používá technologii modrého světla (Blue Light) a speciálně vyvinutou měřící a projekční technologii společnosti GOM, díky které se vyznačuje vysokou přesností měření. Díky vlnové délce modrého světla je umožněno přesné měření, které není závislé na světelných podmínkách. Během měření skener promítá na součást pruhované vzory pod růzými úhly, které snímá kamerami a díky jejich zakřivení pak vytváří virtuální model. Skener ATOS má výměnné kamery, díky kterým umožňuje nejen přesné měření malých a složitých objektů, ale také digitalizaci rozměrných dílů s objemem do 2 m [26]. Během skenování modelů používaných během experimentů byly použity kamery s čočkami MV170, která byly kalibrované na měření malých objektů 4. Referenční body nalepené na vytisknutých modelech měly průměr 0,8 mm. Podrobnější parametry použitého zařízení jsou uvedeny v tabulce 4 na následující straně. 4 Pozice kamer SO (= small objects). 34

MATERIÁL A METODY Tab. 4 Parametry 3D skeneru GOM ATOS III Triple Scan Měřitelný objem (mm) 170 x 130 x 130 Měřitelná vzdálenost (mm) 490 Technologie projekční lampy LED Rozlišení kamer (Mpx) 2 x 8 Ohnisková vzdálenost čoček kamery 40 (mm) Ohnisková vzdálenost čočky projektoru 60 Použité referenční značky (mm) 0,8 4.7 Kontrola tisknutých modelů Poté, co je model naskenován a je vytvořen digitální model, je možné provést analýzu. Inspekce vytisknutého modelu a jeho ideální předlohy probíhala v programu GOM Inspect. Zde byly nahrány oba modely a následně byl naskenovaný vzorek ustaven na jeho předlohu, tedy model, co byl původně vymodelován. Základní ustavení probíhalo pomocí metody Prealigment. Ta automatickým výpočtem ustaví díl metodou Best-Fit 5 na všechny plochy modelu. Výpočet však může selhat v případě rotačně symetrických dílů nebo u dílů s velkými deformace (tvar naskenovaného dílu se velmi liší od CAD modelu). Kvůli chybně vytisknuté základové desce bylo před kontrolou každého rozměru provedeno ustavení vždy individuálně pro každý geometrický prvek pomocí metody Local Best-Fit, která provádí výpočet pro ustavení pouze na označené části modelu. Tím byl eliminován vliv chyb základní desky a deformací na tvar a rozměr testovaných objektů. 4.7 Obr. 19 Ustavení metodou Local Best-Fit pro přesné měření krychle 5 Metoda Best-Fit porovnává výpočtem body na naskenovaném dílu s body na vytvořeném modelu a následně ustaví díl tak, aby co nejvíce odpovídal tvaru a pozici ideálního modelu. 35

MATERIÁL A METODY Zde je možné zobrazit barevnou mapu odchylek a využít množství nástrojů pro kontrolu rozměrů a geometrické přesnosti tvarů. Převážně u objektů s malými tloušťkami stěn 0,25 mm a 0,15 mm docházelo k velkým deformacím, nebo se je v některých případech dokonce nepodařilo vytisknout vůbec. Využití měřících nástrojů, které vytvářejí geometrické objekty na označených plochách, jako například válce nebo roviny, by v tomto případě způsobovalo velké chyby měření. Z toho důvodu byly vytvořeny řezy ve dvou k sobě kolmých rovinách, ve kterých bylo prováděno měření v 1/3 a ve 2/3 výšky jednotlivých těles. U každého rozměru pak byla zobrazena tabulka s hodnotami naskenovaného dílu (Actual) a CAD modelu (Nominal). Z těchto rozměrů byly následně určeny průměrné odchylky, které sloužily k dalšímu porovnání. Obr. 20 Ukázka měření tloušťky stěny naskenovaného dílu 36

Tloušťka vrstvy [mm] VÝSLEDKY 5 VÝSLEDKY 5 Než začalo samotné testování přesnosti tisku s tímto materiálem, bylo nutné nejprve vytvořit materiálový profil, který slouží ke zjištění vhodné délky osvitu pro jednotlivé tloušťky vrstev nastavené během tisku. Tato závislost byla experimentálně stanovena v rámci bakalářské práce Vliv parametrů stereolitografického 3D tisku na dobu tisku [21]. Časy osvitů byly voleny z této závislosti vyobrazené na následujícím obrázku s tím, že naměřené délky je pro reálné využití nutno vynásobit 1,2-1,8krát a to z důvodu mírného zarůstání jednotlivých vrstev do sebe. Pokud by tak nebylo učiněno a tisk byl proveden pouze s naměřenými hodnotami, jednotlivé vrstvy by na sebe nebyly navázané a došlo by k jejich oddělování. 0,7 Závislost tloušťky vrstvy na době osvitu 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 Doba osvitu [ms] Obr. 21 Naměřená závislost tloušťky vrstvy na době osvitu [21] 5.1 Úpravy modelů a parametrů s ohledem na chyby tisku Po naměření hodnot a jejich přepočtu k vytvoření materiálového profilu bylo možné určit dobu osvitu pro požadované tloušťky vrstev. Na první testování byl použit tiskový Build Style FlexVat Normal, který byl již předdefinovaný v tiskárně a tisk byl proveden s tloušťkou vrstvy 50 μm, pro kterou byla určena doba osvitu 1800 ms. Pro první vrstvu bylo nastaveno 10000 ms kvůli zajištění pevného přilnutí k platformě, to se však následně ukázalo jako nedostatečné. Během tisku došlo vlivem smršťovacích sil k částečnému odlepení modelu od platformy a pokřivení základní desky, která propojovala jednotlivé geometrické tvary tisknutého objektu. Další problém nastal právě u této desky, která se vytiskla s mnohem větší tloušťkou, než s jakou byl vytvořen model. Pro další tisk tedy byla doba osvitu prvních vrstev zvýšena na 25000 ms. Tato doba již zajistila dostatečné přilnutí vytvrzovaného materiálu ke kovové platformě. Během takto dlouhého osvitu ale začalo docházet k vytvrzovacímu procesu i do dalších směrů mimo ozařovanou oblast, což způsobilo nepřesnost rozměrů základní desky a její rozšíření do bočních směrů. Navíc měla deska opět větší tloušťku, tak jako tomu bylo u prvního tisku, což ovlivnilo kvalitu tisknutých tvarů a výrazně zhoršilo jejich přesnost. To se projevilo zejména u objektů, které nebyly k základové desce kolmé. U 5.1 37

VÝSLEDKY šikmých ploch nebyla zřetelná hranice mezi deskou a šikmou plochou, ale místo ní se plochy vytiskly s postupným náběhem, jak je vidět na následujícím obrázku. Obr. 22 Ukázka náběhu u šikmých ploch vzniklého velkou tloušťkou základové desku Mnohem větší chyba se však projevila u vypouklé polokoule, místo které se vytiskl pouze tvar připomínající čočku. Na druhém modelu, kde byla testována tloušťka stěn se nepodařilo vytisknout nejtenčí z tvarů, a to jak deska, tak válec s tloušťkou stěny 150 μm. Obr. 23 Ukázka čočkovitého tvaru vzniklého místo polokoule 38

VÝSLEDKY Zvýšení základové desky bylo způsobeno příliš rychlým tiskem v závislosti na fyzikálních vlastnostech materiálu a vaničky. Jakmile bylo na platformě natisknutých již několik vrstev, kterými nemohla kapalina protékat, pak při pohybu směrem dolů nestačil fotopolymer kvůli své vyšší viskozitě odtéct a začal tlačit na dno vaničky. Ta se díky své pružnosti v důsledku tlaku prohnula a tím se vytvořil prostor pro vrstvu o větší tloušťce, která byla následně vytvrzena. Pro danou vrstvu a osvit byl proveden další test, kdy se pro řízení tiskového procesu použily zbývající přednastavené Build Styly, tedy FlexVat Gentle a FlexVat Rapid. Při tisku s nastavením Rapid, které je určeno pro rychlejší tisk spíše menších modelů se chyba u základové desky projevila ještě více. Naopak u druhého nastavení Gentle, během kterého jsou jednotlivé pohyby pomalejší, došlo ke zlepšení, nicméně základová deska stále měla průměrné o 2,2 mm větší tloušťku. Obr. 24 Barevná mapa s několika měřenými odchylkami Ani s jedním z přednastavených souborů BuildStyle se nepodařilo vytisknout daný model v alespoň dostatečné kvalitě pro testování, a tak byl vytvořen nový BuildStyle, ve kterém již byl tiskový proces výrazně upraven. Pohyb, při kterém platforma sjížděla dolů a ponořovala se do fotopolymeru byl před koncem pohybu výrazně zpomalen a po ustavení do tiskové pozice nastavena delší doba čekání před zahájením osvitu, aby měla kapalina vetší možnost odtéct do bočních směrů. Tato doba byla navíc upravována pomocí funkce WaitTime, která ji přepočítávala podle velikosti ozařované plochy a navyšovala tak čas čekání pro větší plochy. Tato funkce byla sice nastavená již u přednastavených souborů BuildStyle, nicméně čas pro přepočet byl nižší a čekací doba byla stále příliš krátká. Další úpravou prošly i modely. Základová plocha byla pro omezení chybného tisku snížena na tloušťku 1,5 mm a ve volných místech zde byly vytvořeny díry, které napomáhaly odtoku viskózního fotopolymeru. S tímto nastavením již došlo k zásadnímu zlepšení vytisknutých modelů. Chyba navýšení desky se zde sice stále projevila, nicméně průměrná odchylka činila už pouze 1 mm a podařilo se vytisknout i válec a desku s tloušťkou stěny 0,15 mm. Otvory v základové desce sice neplnili funkci dokonale, protože kvůli nutnosti velkého osvitu první vrstvy docházelo k vytvrzování slabé vrstvy i v menších otvorech, a tedy ucpání otvoru, nicméně stále umožnily alespoň částečně odtok kapaliny. 39

VÝSLEDKY Obr. 25 Nově upravené modely vytisknuté s vlastním souborem BuildStyle Poslední úpravou, která proběhla při snaze o zlepšení tisku základové desky, bylo snížení doby osvitu na 1550 ms, aby docházelo k co nejmenšímu prorůstání jednotlivých vrstev, a nastavení většího napínání vaničky. Ta je uchycena na čtyřech kolících, které se mohou posouvat a vaničku tak zpevnit. Tím je možnost zmírnit následky prohnutí způsobeného nedostatečným odtokem kapaliny, nicméně zlepšení vytisknutého modelu bylo pouze nepatrné. Dalšího zpřesnění této desky se již nepodařilo docílit a následoval tak první experiment, který měl za cíl otestovat vliv tloušťky vrstvy na přesnost vytisknutých objektů. Protože se nepodařilo vyladit nastavení pro tak velkou základnu, byly pro porovnání vytisknuty krychle a plný válec bez základové desky. Obr. 26 Válec a krychle bez základny v porovnání s objekty na základně 40

Absolutní velikost odchylky [mm] VÝSLEDKY 5.2 Test vlivu tloušťky vrstvy V prvním testu byla hodnocena přesnost rozměrů jednotlivých tvarů na modelech tisknutých s různými tloušťkami vrstev a jim odpovídajícími dobami osvitu určených z grafu na Obr. 21. Po analýze tisku se ukázalo, že tloušťka vrstvy neměla na přesnost jednotlivých objektů příliš výrazný vliv. Po výpočtu průměrných hodnot rozměrů jednotlivých tvarů a jejich vynesení do grafu bylo sice vidět, že nejpřesnější model byl vytisknut s tloušťkou vrstvy 100 μm a naopak největší odchylky se projevovaly u tisku na nejjemnější vrstvu o tloušťce 25 μm, nicméně velikost odchylek se od sebe lišila průměrně jen o 0,017 mm. Tyto rozměry mnohem více ovlivňuje doba osvitu, což je vidět na výsledcích druhého experimentu. 5.2 Průměrná velikost odchylky 0,05 0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 25 50 75 100 Tloušťka vrstvy [μm] Obr. 27 Graf zobrazující průměrnou velikost odchylky od ideálního rozměru pro jednotlivé vrstvy Mnohem větší vliv měla tloušťka vrstvy spíše na dodatečné prohnutí modelu po odstranění z platformy a tloušťku základové desky. Čím větší tloušťka vrstvy byla použita, tím bylo znatelnější následné prohnutí. Zároveň se však snižovala chyba tloušťky základové desky. Při tisku každé vrstvy totiž docházelo k malému zvětšení její tloušťky. Z toho vyplývá, že čím více vrstev tedy bylo použito, tím větší chyba se zde projevila. Toto znázorňuje Obr. 28, kde jsou pro porovnání modely vytisknuté s tloušťkou vrstvy 25 μm a 100 μm. Další rozdíly byly vidět u vodorovné desky objektu ve tvaru mostu. Objekt se sice vytiskl celý, avšak v nejdelší mezeře se u jemnějších tisků několik prvních vrstev odtrhlo. U nastavené větší tloušťky vrstev Obr. 28 Porovnání zakřivení u tisku s tloušťkou vrstvy 25 μm (vlevo) a 100 μm (vpravo) 41

Absolutní velikost odchylky [mm] VÝSLEDKY došlo pouze k prohnutí prvních vrstev, ale nedošlo k odtržení žádné z nich. U všech nastavených tlouštěk se navíc u desky nad nejdelší mezerou projevilo malé prohnutí celé desky. Dalším místem, kde se projevil vliv tloušťky vrstvy byly šikmé plochy. Po změření odchylek úhlů se ukázalo, že u větších tlouštěk vrstev docházelo k menším odchylkám úhlů šikmých ploch, než tomu bylo u tisku s menší tloušťkou vrstvy. Dále se zde projevila tzv. schodovitost, která je známá u všech typů 3D tisku používajících tisk po vrstvách. Pro srovnání byly změřeny i válce a krychle, které byly tisknuty bez základové podložky a ostatních objektů. Zde se ale ukázalo, že mezi rozměry těchto objektů a těch, které byly na základové desce nebyly rozdíly. Pouze v prvních několika vrstvách byly objekty širší, což bylo způsobeno vyšší nastavenou dobou osvitu těchto vrstev. 5.3 Test vlivu doby osvitu Během druhého testu byly modely tisknuty se stejnou tloušťkou vrstvy 50 μm, ale byla měněna doba osvitu. Z naměřených hodnot je patrné, že se snižující se dobou osvitu se zmenšovaly i rozměry jednotlivých tvarů. Tloušťka stěn u desek a válců byla při době osvitu 950 ms dokonce menší než na původním modelu, jak je vidět z grafu na obr. 28 znázorňujícího průměrné odchylky rozměrů. Průměrná odchylka tlouštěk stěn 0,08 0,06 0,04 0,02 0 900-0,02 1100 1300 1500 1700-0,04-0,06-0,08-0,1 Doba osvitu [ms] Obr. 29 Graf zobrazující závislost tloušťky stěn objektů na délce osvitu vrstvy Z grafu je patrné, že nejpřesnější tisk byl proveden s dobou osvitu 1250 ms. Zde už ale také nastaly větší deformace objektů s tenkými stěnami (tloušťky stěn byly velmi přesné, pouze tvar byl deformován). Ještě větší deformace nastaly při tisku s dobou osvitu 950 ms, který je vidět na obr. 29. Zde je také vidět špatný výtisk tvarů s tloušťkou stěny 0,25 mm, které jsou mnohem více deformované než u jiných modelů. Nejtenčí tvary s tloušťkami stěn 0,15 se poté nevytiskly vůbec. Problém u tenkostěnných tvarů se projevil i u dutého kvádru v rohu modelu, jehož stěny se zdeformovaly směrem dovnitř. 42

VÝSLEDKY Obr. 30 Ukázka modelu vytisknutého s dobou osvitu 950 ms U šikmých ploch se při různých dobách osvitu neprojevila žádná závislost a jednotlivé odchylky úhlů, pod kterými byly plochy skloněny se pohybovaly okolo 1. Žádný rozdíl nebyl viděn ani mezi objekty tisknutými zvlášť a na podložce. 5.4 Porovnání materiálů V dalším experimentu byl proveden tisk modelů s prototypovým materiálem W2P Prototype Clear a následně srovnán s modelem z používaného materiálu Detax SolFlex. Aby bylo možné jednotlivé objekty porovnat, byl tento model tisknut s tloušťkou vrstvy 50 μm a jí odpovídající době osvitu 1800 ms [27]. Po zkušebním 5.4 Obr. 31 Model vytisknutý z prototypového materiálu W2P Prototype Clear 43

VÝSLEDKY tisku modelů se ukázalo, že mezi reakcemi materiálů na světelné záření jsou velké rozdíly. U materiálu W2P nedocházelo k tak velkému růstu vytvrzovaného materiálu ve směru rovnoběžném s platformou, takže se neucpávaly díry v základové desce modelu. Navíc se zde chyba ve zvýšení této desky projevila pouze odchylkou 0,18 mm a nebyly tedy způsobené takové nepřesnosti. Odchylky mezi dalšími jednotlivými rozměry, naměřenými na porovnávaných modelech, se pohybovaly do 0,02 mm. Oba modely se zmíněnými materiály byly rozměrově velmi podobné, nicméně přesnější model, včetně chyb tlouštěk základové desky, byl vytisknutý materiálem W2P. 5.5 Test přesnosti v závislosti na pozici Během tisku testovacích válců rozmístěných po celé tiskové ploše se ukázalo, že i samotné umístění tisknutého dílu má vliv na jeho rozměrovou přesnost. Z porovnání polohy v rámci jednoho segmentu vyplynulo, že nejpřesnější válce, s odchylkou průměru do -0,01 mm, byly naměřeny uprostřed segmentu. V tomto místě dopadá světelný paprsek kolmo nebo pod velmi malým úhlem a díky tomu zde nevzniká chyba způsobená lomem světla. Naproti tomu na okrajích segmentů se odchylky průměrů od skutečných rozměrů pohybovaly okolo 0,04 mm, a to jak do kladných, tak i do záporných hodnot. To mohlo být způsobeno jednak výraznějším lomem světla, kvůli paprsku, který z projektoru dopadal skloněn pod úhlem. Navíc mohl být tento efekt zvětšen prohnutím vaničky, které se projevilo také tím, že válce uprostřed tiskové plochy se nevytiskly. V tomto místě je prohnutí vaničky největší a mohlo tak docházet k tomu, že se tvořila vrstva s větší tloušťkou. Pro tuto tloušťku však nebyla doba osvitu dostatečně dlouhá, čímž bylo způsobeno nedostatečné provázání a vrstev a jejich následné oddělení. Obr. 32 Modely vytisknuté pro test přesnosti v závislosti na poloze sestavené tak, jak byly umístěné na platformě 44