Mýty, pověry, zklamání a realita 3D tisku Tento dokument vznikl jako reakce na množství emailů ohledně zájmu o 3D tisk na naší 3D tiskárně. Umožní lépe pochopit co je a není možné vytisknout a proč. Také doufáme přispěje ke snížení zklamání zájemců o 3D tisk kteří jsou neustále masírování sdělovacími prostředky že vytisknout jde všechno a hned. Způsob tisku Naše 3D tiskárna tiskne systémem Fused deposition modeling. Tento způsob tisku ve zkratce znamená, že tryska tiskárny klade housenky roztaveného materiálu jednu na druhou. Jestli se pohybuje tryska nebo stůl či obojí je pro uživatele nepodstatné. Nejlépe to popisuje přiložený obrázek. (Je to totéž jako když zkusíte vymodelovat objekt vytlačováním zubní pasty z tuby) Rozměry modelu Pracovní stůl naší 3D tiskárny je rovná deska vyhřívaná na cca 80 C která se pohybuje ve vertikálním směru. Maximální rozměry modelu, který jsme schopni vytisknout je 220 x 220 x 200mm přičemž 200mm je ve vertikálním směru. Strana 1 z 9
Materiál tisku 3D tiskárna našeho typu podporuje 2 typy materiálů. Materiál ABS PLA Pevnost v tahu [MPa] 28 56 Elastický modul 1 800 3 350 [MPa] Lin. Termální Roztažnost [mm/(mm* C)] Opracovatelnost Poznámky Souhrn 9*10-5 - 21*10-5 8.5*10-5 Lehce se opracovává, řezáním, vrtáním, broušením, atd. Velkou výhodou je schopnost rozpouštění v Acetonu, čímž se dá výrazně zlepšit kvalita povrchu součásti. Dobře se lepí. Velké součásti mají tendenci k deformacím vlivem smrštění. Materiál je možno natírat či stříkat barvou. ABS je vhodnější na menší součásti kde je třeba vyhladit povrch či součást dále opracovávat. Ideální na velké modely rozdělené na více částí. V současné době tiskneme pouze z materiálu bílé barvy. Rozlišení tisku Tento materiál je velmi pevný. Díky své nízké teplotě tavení (od cca 50 C) se těžko obrábí či brousí. Je možno jej rozpouštět vodou o teplotě 80 C. Je biologicky odbouratelný (jde o derivát škrobu) a je citlivý na UV záření (křehne) PLA je vhodné využívat na součásti s vyšším mechanickým zatížením a takové u kterých není třeba dodatečných úprav povrchu. Taktéž vhodné na větší součásti v celku. Nejcitlivější téma které se téměř ve všech článcích o 3D tisku ignoruje. Tak jako 2D tiskárny mají jako jedno z měřítek kvality údaj o rozlišení (např. 300x300dpi) i 3D tiskárny mají své rozlišení. Bohužel neexistuje jednotný způsob udání rozlišení 3D tiskárny. Rozlišení je většinou dáno technologií tisku. Strana 2 z 9
Horizontální rozlišení Naše tiskárna disponuje tryskou o průměru 0.5mm. Tzn. není možné vytisknout tenčí vlákno. Pokud se kladou vlákna vedle sebe mají průměr cca 0.6mm. Pokud se ovšem vytiskne jedno vlákno samostatně vlivem gravitace dojde ke zploštění a tudíž k nárůstu tloušťky vlákna až na 0.8mm. Naše 3D tiskárna má tedy horizontální rozlišení 0.5mmx0.5mm. Nejmenší tloušťka stěny je ovšem 0.7mm 0.8mm. Tzn. je možno vytisknout vertikálně samostatnou stěnu o tloušťkách zhruba 0.7mm, 1.4mm 2.1mm, 2.7mm. Další tloušťky jsou s násobkem cca 0.6mm. To znamená pokud má model část o síle 1mm bude vytištěna o síle 0.7mm a její stabilita nebude velká. S tímto omezením je třeba počítat v návrhu modelu a změnit rozměr na 1.5mm (pokud to jen trochu jde). Síla vlákna uprostřed modelu (zvětšeno 400x) Síla samostatného vlákna (zvětšeno 20x) Jak již bylo uvedeno v úvodu tiskárna tiskne tak, že klade jednu vrstvu vláken na druhou. V místech kde dochází k přechodu do další vrstvy nebo k napojování vláken vzniká přechodová oblast. (zkuste nakreslit čáru vytlačováním zubní pasty z tuby a pak ji napojit a pokračovat. Uvidíte stejný efekt.) Tyto přechody jsou zpravidla silnější u samostatného vlákna. U více vláken vedle sebe dochází ke změně vzoru na povrchu modelu Strana 3 z 9
Přechod na další vrstvu (zvětšeno 20x) Napojení samostatného vlákna (zvětšeno 20x) Vertikální rozlišení Zatím co horizontální rozlišení je dáno průměrem trysky a chováním tekutého materiálu, vertikální rozlišení je dáno mechanicky. (analogicky se zubní pastou: není možno kontrolovaně udělat užší housenku, ale nižší ano. Stačí tubu zvednout níže nad podložku a vytláčet pomaleji) Naše tiskárna dokáže tisknout s vertikálním rozlišením 0.125mm s tím že umožňuje nastavit krok 0.5mm, 0.25mm a 0.125mm. Z uvedeného vyplývá, že pokud je třeba tisknout detaily nebo malé části menší než 0.5mm musí být možno je tisknout vertikálně. Závěr: Naše tiskárna má min. rozlišení 0.5mmx0.5mmx0.125mm Přesnost modelu Velká část nepřesností je vnitřně kompenzována a tak výsledné rozměry nevykazují velké odchylky od zadaných rozměrů. Je třeba počítat s tím, že tolerance v horizontálním směru jsou vždy kladné vzhledem ke stěně modelu. To znamená, že části jsou vždy větší, ale pokud má model otvory, tak ty budou naopak menší. Vertikální tolerance kolísají + -. Příklad: Kvádr velikosti 40x20x40 [mm] (ŠxHxV) má výsledné rozměry 40.13x20.14x39.85 [mm] Strana 4 z 9
Výplň modelu Model je jen ve výjimečných případech z plného materiálu. Většinou je tvořen povrchovou vrstvou a výplní. Povrchová vrstva je tvořena zpravidla z 1 až 6 vláken materiálu a volí se podle určení využití modelu. Na model k dekoračním účelům stačí 1 až 2 vrstvy, zatím co na funkční součást je třeba 3 až 6 vrstev. Vnitřní dutiny je možno vyplnit různými výplňovými vzory a uvádí se v % vyplněného materiálu. Horní plocha modelu je plná a tak výplň není viditelná. Tento způsob vytváření modelu šetří čas a tiskový materiál. Z tohoto důvodu se cena za tisk určuje hmotností a ne objemem modelu. Příklady výplně a povrchové vrstvy Horní plocha uzavírající model (zvětšeno 20x) Tiskový čas 3D tisk je poměrně časově náročný. Vytištění i jednoduchého modelu trvá řádově desítky minut a vytištění velkého komplikovaného modelu i desítky hodin. Tiskový čas závisí na velikosti modelu, vertikálním rozlišení, počtu povrchových vrstev a hustotě výplně. Příklad: Kvádr velikosti 40x20x40 [mm] (ŠxHxV) Vertikální rozlišení [mm] Počet povrchových vrstev [-] Hustota výplně [%] Hmotnost [g] Čas tisku [h:mm] 0.5 2 20 15.58 0:58 0.25 2 20 15.65 1:53 0.125 2 20 13.99 4:08 0.5 4 50 22.81 1:23 0.5 6 75 27.02 1:38 0.125 6 75 28.34 8:18 Podpěry Z principu tisku je zřejmé, že modely které nemají převislé části půjde vytisknout snadno. Pro modely které mají převislé části je nutno vytvořit podpěrnou konstrukci tak, aby bylo na co položit první vrstvu. Tyto podpěry jsou bohužel spojeny s modelem a v místě spojení dochází k povrchovým nerovnostem. Navíc podpěra je další tiskový Strana 5 z 9
materiál který se jen vyhodí. V některých případech je možno změnit polohu tisku tak, aby nebyly podpěry potřeba. Další možností je rozdělení modelu tak, aby byly podpěry minimální. Příklad podpěry Příklad podpěry Kvalita povrchu Jako téměř vše v 3D tisku i kvalita povrchu je dána použitou technologií. V našem případě asi nebude překvapení že povrch vykazuje vodorovné nerovnosti o průměru 0.5mm. (popřípadě 0.25; 0.125 ve vertikálním směru. Stěna modelu (zvětšeno 20x) Stěna a hrana modelu (zvětšeno 20x) Kvalitu povrchu lze zvýšit dodatečným opracováním (např. broušení), popřípadě leptáním (nejvíce se osvědčuje natírání rozpouštědlem pomocí štětce. Dochází k snižování vrcholů a zároveň k vyplnění prohlubní.) Nevýhodou je změna rozměrů, popřípadě nemožnost zachování rovinnosti. Strana 6 z 9
Vady tisku Velký počet vad tisku je možno ovlivnit a nejsou pro zadavatele podstatné. Tady jsou některé které není možno ovlivnit a je třeba s tím počítat při návrhu. Mikrokrátery Tiskový materiál obsahuje vlhkost, popřípadě ji absorbuje z okolí. Před samotným tiskem je materiál zahřátý na teplotu 180 C 260 C a protlačován tryskou. V některých případech voda změněná na vodní páru expanduje a vytvoří mikrokráter. Jedná se povrchovou vadu která není větší než 0.5mm. Řešení: povrchová úprava. Mikrokrátery (zvětšeno 20x) Mikrokráter (zvětšeno 400x) Trhliny Plast používaný jako tiskový materiál má velkou tepelnou roztažnost. Z toho důvodu velké masivní díly vykazují trhliny způsobené tím že jedna část uchyceného modelu má 25 C a právě tisknutá část cca 200 C. To je ostatně důvod proč je většina 3D tiskáren omezena velikostí 300x300x300mm. Vytisknout větší plastový díl v celku je poměrně složité. Řešení: Větší díly dělit na menší a lepit k sobě. Trhliny ve velkém modelu po zchladnutí Strana 7 z 9
Rozšíření na základové desce Pro snazší uchycení tiskového modelu k podkladní desce je deska vyhřívána na 80 C. Tato teplota udržuje materiál ve změklém stavu. Tíha modelu způsobuje že se první vrstvy mačkají a model se rozšiřuje. (cca o 0.3mm 0.5mm). To může např. způsobovat problémy při spojování částí modelu. Řešení: Opracování po tisku. Navrhnout dělící rovinu tak aby byla nahoře. Rozšíření na základové desce Rozšíření na základové desce (zvětšeno 20x) Jak připravit model Je dobré před rozhodnutím vytisknout model promyslet několik základních bodů. - Je rozlišení a kvalita tisku dostatečná pro konkrétní model? - Jsou rozměry modelu takové, aby jej bylo možno vytisknout? - Bude model potřebovat podpory pro některé části? Obecně podpory nevadí, ale pokud by bylo třeba např. vytisknout strom tak je nejvyšší čas poohlédnout se po jiné technologii tisku. - Není možné model rozdělit na několik jednoduchých částí? Jen vy víte na co bude model použit a co je vidět, popřípadě co může být problém. Strana 8 z 9
Příklady: Dobrý návrh Model byl rozdělen na 2 části a vytisknut bez jakýchkoli podpor. Špatný návrh Model byl tisknut v kuse. Hmotnost modelu (červeně) 35g. Navíc bylo potřeba vytisknout ještě 10g podpor (modře) čímž utrpěla i kvalita tisku. Řešení: Stačilo rozdělit panáčka a podstavu zvlášť a tisknout panáčka naležato. A bylo by vše bez podpor. Obrázky zdroj www.thingiverse.com a www.wikipedia.org. Strana 9 z 9