Vytváření struktur metodou 3D litografie I. Úvod 3D litografie (stereolitografie) je variantou 3D tisku, která pro vytváření modelů, prototypů a strukturovaných povrchů využívá metod 2D fotolitografie. Konstrukční materiál (fotopolymer, plast, kov) je nanášen vrstvu po vrstvě, přičemž jednotlivé vrstvy jsou průběžně vytvrzovány (např. zdrojem UV světla, teplem). Existují tři základní principy těchto 3D tiskáren. V prvním případě je pracovní stůl, na kterém bude vytvořen model, ponořen v nádržce s fotopolymerem těsně pod jeho hladinu. Shora je na hladinu kreslen laserem požadovaný motiv. Fotopolymer je fotocitlivá látka, která po osvitu polymeruje a dochází tak k jejímu vytvrzení. Vždy je nakreslena jedna vrstva a poté se stůl posune níž, tak aby mezi již vytvořenou vrstvou a hladinou fotopolymeru byla mezera, která odpovídá tloušťce vrstvy. Tímto způsobem se pokračuje, dokud není vytvořen celý model. Druhá varianta eliminuje nutnost používat fotopolymery. Stavební materiálem je plast či kov v práškové formě. Princip je podobný jako v prvním případě, na pracovní stůl je nanesena vrstva prášku. Pomocí laseru dochází k selektivnímu tepelnému spojení částeček pracovního materiálu a je vytvořena jedna vrstva budoucího modelu. Stůl se posune níž, je nanesena nová vrstva prášku, laserem je nakreslena další vrstva a tak dále. Třetí varianta využívá principu fungování běžné inkoustové tiskárny. Inkoust je zde nahrazen fotopolymerem, který je čerpán ze zásobníku (cartridge) pomocí čerpadel do předehřívaných trysek. Jednotlivé vrstvy pak nejsou kresleny laserem, ale jsou tisknuty přímo na pracovní stůl a následně pouze vytvrzovány UV světlem. Vzhledem k tomu, že model není během vzniku ponořen ve fotopolymeru, je nutné nanášet tzv. podpůrný materiál, tak aby byla zajištěna strukturální pevnost modelu během tisku. Tento materiál lze následně velmi snadno odstranit. Na tomto principu funguje i 3D tiskárna Stratasys Objet30, kterou budete používat v rámci této práce. Vzhledem k principu fungování této tiskárny lze říci, že na dobu tisku má zásadní vliv výška tisknutého modelu. Modely pro 3D tisk jsou vytvářeny na počítači ve speciálním software, tzv. CAD systému. Mezi nejznámější CAD systém patří software od společnosti Autodesk (AutoCAD, Inventor). Pro běžné používání však postačí volně přístupný software pro 3D modelování Blender (https://www.blender.org/), který budete používat při vytváření vlastního modelu v této práci. 3D tiskárny se používají především k vizualizaci prototypů, vytváření odlévacích forem a výrobě konstrukčních součástek. Zajímavou aplikací je použití strukturovaných povrchů jako podkladu pro růst biologického materiálu (např. tkání). II. Cíl práce 1. Seznamte se 3D tiskárnou Stratasys Objet30 a příslušným ovládacím softwarem a návrhovým software Blender. 2. Vytiskněte předpřipravený model a zhodnoťte kvalitu tisku. 3. Vytvořte a vytiskněte libovolný jednoduchý model o maximální výšce 3 mm.
III. Popis zařízení Budete pracovat se stereolitografickou tiskárnou Stratasys Objet30. Jako pracovní materiál bude používat fotopolymer VeroBlue. Tiskárna disponuje dvěma sadami trysek, jedna pro VeroBlue a jedna pro podpůrný materiál. V zásuvce na pravé straně jsou umístěny vždy dva zásobníky pro VeroBlue a dva pro podpůrný materiál a zásobník pro odpad. Tyto zásobníky jsou průběžně váženy. Tisková hlava UV lampa Pracovní stůl Zásuvka se zásobníky materiálu a odpadu IV. Postup práce a) Otevřete ObjetStudio. Tlačítkem Insert vložte model, který najdete ve složce 3D tisk pod názvem PrvniUkol.stl b) Po vložení modelu zkontrolujte volbu materiálu (VeroBlue) a zvolte styl tisku (Glossy). V případě Glossy nebude celým model obalen podpůrným materiálem, ten bude použit pouze jako podkladová vrstva. Zkontrolujte rozměry modelu. c) Odznačte model a klikněte na tlačítko Placement. Ve stavovém řádku zkontrolujte stav Placement succeeded. Poté validujte model tlačítkem Validate a stavovém řádku zkontrolujte stav Validation succeeded. Poté klikněte na Estimate a podívejte se na dobu tisku a spotřebu materiálu. d) Ukažte model a nastavení ke kontrole asistentovi a pod jeho dohledem spusťte tisk tlačítkem Build. Budete vyzváni k uložení pracovního stolu, do názvu souboru zadejte příjmení členů skupiny. Rozhraní programu se přepne do správce tiskových úloh a dojde k přípravě několika prvních vrstev modelu. Nyní se připojte k 3D tiskárně pomocí vzdálené plochy (zástupce umístěn na ploše) a v ovládacím rozhraní tiskárny klikněte na červené tlačítko. Tiskárna přejde do online režimu a začne přijímat data z počítače. e) V průběhu tisku si připravte Váš model v programu Blender (viz další kapitola) a vytiskněte jej analogickým způsobem. Maximální výška by neměla překročit 3 mm, jinak bude tisk trvat dlouho. Model uložte se názvem složeným z příjmení členů vaší skupiny.
Důležitá ovládací tlačítka Materiál Spotřeba a doba tisku Stavový řádek Rozměry Styl tisku
V. Blender stručný návod Startovní rozhraní Blender již obsahuje jeden ze základních objektů krychli. Její rozměry zjistíte kliknutím na + v pravém horním rohu. Další objekty lze vkládat pomocí Add>Mesh. Výstup pro 3D tiskárnu se provádí v záložce 3D printing nalevo. Výběr základních objektů. Lze i klávesovou zkratkou Shift+A. Výstup ro 3D tisk, formát STL. Kontrola modelu tlačítkem Non-Manifold. Pro export vyberte složku a stiskněte Export.
Umístění a transformace objektů Označte objekt pravým tlačítkem myši. V nabídce Object>Transform zvolte Grab/Move, Rotate nebo Scale a tahem myší pohybujte, zvětšujte/zmenšujte a otáčejte. V nabídce View si zvolte příslušný pohled na objekt. V případě, že máte více objektů, je výhodné pracovat ve vizualizaci pomocí drátových modelů (Wireframe). Objekty můžete i sloučit pomocí Object>Join. Pro manipulaci s jednotlivým uzlovými body, hranami a stěnami objektu je nutné přepnout z Object Mode do Edit Mode. Výběr vizualizace Přepnutí módu úprav Vložení a tisk textu Tlačítkem Add>Text vložte text. Přepněte do Edit Mode a změňte výchozí text. Poté přepněte zpět do Object Mode a pomocí Mesh>Convert to>mesh from Text konvertujte text na editovatelný objekt typu mesh. Přepněte zpět do Edit Mode, stisknutím klávesy A označte celý objekt a stisknutím klávesy E extrudujte ve výškové souřadnici (stisknutím příslušné klávesy, tj. Z), dojde k zvýraznění výškové osy modrou čarou. Text potom přiložte k libovolnému primitivnímu objektu, oba objekty označte a spojte Object>Join. Práce s textem
VI. Bezpečnostní pokyny Během tisku neotvírejte víko tiskárny ani zásuvku se zásobníky materiálu. Před tiskem si v Objet Studiu zkontrolujte množství odpadu v zásobníku. Maximální výška modelu 3 mm je zvolena s ohledem na dobu tisku, zvolením větší výšky riskujete svůj oběd a odpolední výuku! VII. Zpracování dat Oba Vaše výtisky přiložte k protokolu. Pokud si chcete výtisky ponechat, přiložte jejich fotografie. U druhého výtisku přiložte i rozměry popsané schéma modelu. VIII. Kontrolní otázky 1) Co je to 3D litografie? 2) Co je to fotopolymer? 3) Je nutné k 3D tisku vždy používat UV světlo? 4) Proč je třeba u některých 3D tiskáren používat podpůrný materiál? 5) Na čem především závisí doba tisku u tiskárny Objet30? 6) Jaký software budete používat k vytváření 3D modelů? 7) Jaká je maximální výška modelu, kterou budete používat? 8) Jak Objet Studiu poznáte, že Váš model je správně navržen (validní)? 9) Co znamenají styly Glossy, Matte? 10) Jaké jsou aplikace 3D tisku?