NÁVRH A REALIZACE 3D TISKÁRNY SVOČ FST 2016

NÁVRH A REALIZACE 3D TISKÁRNY SVOČ FST 2016 Bc. Tomáš Klíma, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika Bc. Petr Klavík, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika ABSTRAKT V současné době celá populace zaznamenává nejen značný rozmach, ale především větší dostupnost moderních technologií. Veškeré průmyslové odvětví je tlačeno využívat tyto moderní technologie, rozvíjet je za účelem zisku a konkurenceschopnosti. Moderní technologie nám nejen usnadňují život, ale značně ho i zrychlují. Je zde tedy snaha více využívat nové poznatky a technologie. Jedním z možností využití moderních technologií je 3D tisk. 3D tisk je dnes velmi rozšířenou záležitostí a používá se v širokém spektru odvětví. Hlavní výhodou této technologie je, že výrazně šetří čas i náklady při vývoji a tvorbě prototypů. 3D tisk je dnes značně rozšířený a je finančně dostupný nejen pro laboratoře, ale i pro širokou veřejnost. Díky této technologii lze snadně vyrobit součást jakéhokoliv tvaru. Uvedená práce se zabývá návrhem a realizací vlastní 3D tiskárny. KLÍČOVÁ SLOVA Návrh, realizace, 3D tisk, metoda FDM 1. ÚVOD Tato práce se zabývá návrhem a realizací vlastní 3D tiskárny. Cílem práce je tedy navržení a sestavení všech částí tiskárny konstrukce, mechanických komponent, elektroniky a softwaru. Nejprve byl vytvořen CAD model celého zařízení, poté byly nakoupeny a vyrobeny jednotlivé komponenty. Následně byla celá tiskárna zkompletována. Sestavená nová tiskárna dostala název KliKla 1.0. Následně byly prováděny práce na odladění 3D tiskárny, které se samozřejmě neobešly bez menších problémů. Práce se zabývá také technologií tisku a materiály pro tisk na 3D tiskárně. Toto zařízení používá metodu tisku FDM, která je jednou z nejpoužívanějších metod 3D tisku. Zjednodušeně jde o nanášení tenkých vrstev nataveného proužku plastu na sebe. 2. 3D TISK Technologie 3D tisku je popisována jako aditivní proces. To znamená, že je materiál postupně přidáván a tím vznikne konečný výrobek, na rozdíl například od obrábění. Tato technologie je velkou výhodou 3D tisku, jelikož se s ní dají tvořit výrobky, které se klasickými způsoby vyrobit nedají. Jednou z nejpoužívanějších technologií, a také technologií v této práci použitou, je technologie FDM, zkratka anglické fusion deposition modeling. Tato metoda lze jednoduše popsat, jako nanášení tenkých vrstev nataveného proužku plastu na sebe. Existuje i mnoho dalších metod, například ZCORP, SLS, SLA, a další. Technologie SLS například používá vysoce výkonný laserový paprsek k spékání a tavení tiskového materiálu ve formě prášku do požadovaného tvaru. Nevýhodami tohoto zařízení je hlavně cena, energetická náročnost. SLA je nejstarší používanou technologií 3D tisku. Principem je vytvrzování tekutého kompozitu za pomoci laserového paprsku. Jedná se o univerzální technologii 3D tisku. ZCORP technologie spočívá v nanášení tenké vrstvičky prášku, který je spojen pojivem. Pojivo je vytlačováno z tiskové hlavy. Značnou výhodou této technologie je možnost vyrobit barevný model. Nevýhodou je kvalita povrchu a křehkost modelu. [1] Obrázek 1 Technologie FDM

Proces 3D tisku lze shrnout do 3 částí. Nejdříve je zapotřebí vytvořit model v CAD systémech, popřípadě model vytvořit pomocí 3D scanneru. CAD model se dále exportuje do formátu STL. Dále se převede STL soubor do generátoru G-kódu, který rozřeže model na jednotlivé vrstvy, které pak tiskárna postupně tiskne. Programů generujících G-kód je mnoho, jsou i volně dostupné a v případě této práce byl použit software SLIC3R. Obrázek 2 Postup při 3D tisku 3. MATERIÁLY Materiálů pro tisk na 3D tiskárně je celá škála. Rozlišují se nejen barvou, ale především svými vlastnostmi. Výrobci na celém světě se neustále snaží vyrobit materiál pro 3D tisk, který bude mít ideální vlastnosti. Bude napodobovat jiné materiály, zejména atraktivní, či exotické (např. kámen, dřevo). Nejpoužívanějším materiálem pro 3D tisk je ABS, PLA. ABS je amorfní termoplastický kopolymer, jehož výhodou je zdravotní nezávadnost, odolnost vůči vysokým i nízkým teplotám a především vůči mechanickému poškození. Nevýhodou je, že při ochlazování může dojít k narušení povrchu. ABS plast lze obarvit různými barvivy a pigmenty. Neupravený má krémově bílou barvu. Zásluhou za své vlastnosti je nejvíce používaným technickým plastem ve všech odvětví. PLA se od klasických plastů odlišuje tím, že je vyroben z obnovitelných zdrojů. Hlavním surovinou je kukuřičný škrob. PLA plast je zdravotně nezávadný a je možné ho ekologicky likvidovat. Při tom je odolný na jiné plasty, pružný a tvrdý. Je považován za univerzální materiál pro 3D tisk, neboť dobře při ohřátí roztaje a při ochlazení ztuhne. Je vhodný pro tisk modelů se složitým tvarem. Nevýhodou je, že materiál pohlcuje vlhkost. PLA plast při tisku zapáchá. PLA plast je rozpustný v hydroxidu sodném. WPC je kompozitní materiál složený z dřevité moučky a polymeru. Výrobky z něj mají vzhled dřeva a přitom nemá jeho nevýhodné vlastnosti jako plesnivění, změna barvy nebo možné poškození vnějšími vlivy. V závislosti na teplotě tisku může mít materiál různé odstíny hnědé. Při teplotě kolem 180 C je barva světlejší, při teplotě 240 C bude tmavě hnědá. BendLay je bezbarvý materiál. Jeho předností je vyšší ohebnost oproti jiným materiálům používaným v 3D tisku. Životnost a schopnost rychlého ochlazení bez změny tvaru jako u PLA je oproti ABS nižší. Je to materiál pružný a lehký. Je to skvělý materiál pro tisk součástí přístrojů, protože je flexibilní, tlumí nárazy a umožňuje připájení k jiným částem. Nevýhodou je, že při rychlém ochlazení se může poškodit. PC (polykarbonát) patří mezi termoplastické plasty. Má dobrou tepelnou odolnost a odolnost proti nárazům. Ohebnost je zachována i v chladu. Je využíván hlavně pro tisk transparentních prototypů. Je to nejtvrdší materiál, který se v současnosti používá v 3D tiskárnách. Nevýhodou je vysoký bod topení oproti ABS a PLA, což prodlužuje dobu zpracování. PET-G (polyetyléntereftalát glykol) je na rozdíl od jiných materiálu víc odolný vůči kyselinám a rozpouštědlům, vysokým i nízkým teplotám PVA (polyvinylalkohol) je ve vodě rozpustný syntetický polymer. Používá se pro tisk na dvouhlavých 3D tiskárnách. Jedna hlava vytiskne podpůrné konstrukce z PVA a druhá samotný model z ABS či PLA. Po ukončení tisku se podpůrné konstrukce rozpustí ve vodě. HIPS (houževnatý polystyrén) je termoplast, polystyrén s přídavkem kaučuku. Používá se pro tisk na dvouhlavých 3D tiskárnách. Jedna hlava vytiskne podpůrné konstrukce z ABS nebo HIPS a druhá samotný model z ABS nebo HIPS. Podpůrné konstrukce z ABS je možné rozpustit acetonem a konstrukce z HIPS limonenem. XT je amorfní kopolymer vyrobený z biologicky odbouratelných materiálů. Je transparentní, elastický a jemný na dotek. Lay-brick je to nový typ vlákna vyrobený ze směsi křídy a minerálních příměsí s polymerem. Vytištěné modely mají kamenný vzhled. TPE je materiál, který vzniknul kombinací polymerů s termoplastickými a gumovými vlastnostmi. Typický TPE je měkký a pružný. V 3D tisku má využití v případě, že výsledný produkt musí být pevný a pružný zároveň. Všechny zmíněné materiály jsou vhodné pro použití na 3D tiskárnách s technologií tisku FDM. Nejnovější technologie 3D tisku již využívají i jiné materiály jako titan a jiné druhy kovů. [2]

Materiály pro 3D tiskárnu se prodávají v cívkách podle hmotnosti, průměru a barvy plastového drátu. Nejpoužívanějším rozměrem plastového drátu je průměr 3mm a 1.75 mm. Obrázek 3 Barevná škála materiálů [3] 4. DOSTUPNÉ 3D TISKÁRNY Existuje mnoho 3D tiskáren, která mají různá řešení jednotlivých částí a komponent. Tyto tiskárny lze koupit jako stavebnice, kdy se dodává celá tiskárna rozložená na jednotlivé díly s plánem stavby, anebo lze koupit tiskárnu sestavenou a připravenou k tisku. Cílem této práce ale bylo, sestavit vlastní, kvalitní, funkční 3D tiskárny, která bude poskytovat přesný a kvalitní tisk. Obrázek 4 - Dostupné 3D tiskárny FELIX (vlevo) PRUSA (vpravo) [4], [5] 5. NÁVRH ZAŘÍZENÍ Je zapotřebí říct, že celá konstrukce návrh zařízení je předimenzovaná. Je to z důvodu budoucího záměru přestavby 3D tiskárny na malé frézovací centrum. Jak je vidět na obrázku níže, návrh celého zařízení se týká všech komponent. Skládá se tedy z návrhu konstrukce, mechanických komponent, elektroniky a softwaru. Zařízení dostalo pracovní název KliKla 1.0. Obrázek 5 Postup návrhu zařízení

Konstrukce a mechanické díly Nejprve byl vytvořen CAD model celé konstrukce včetně dalších mechanických dílů. CAD model sloužil hlavně k ověření rozměrů a funkčnosti zařízení. Konstrukce byla vytvořena z hliníkových profilů, které byly spojeny pomocí úhelníků. Extrudované profily zaručují dostačující tuhost a pevnost konstrukce. Oproti jiným 3D tiskárnám je v tomto návrhu jinak vyřešen posuv v osách X a Y. Klasicky se na tiskárnách objevuje řešení, kdy je posuv v ose X vyřešen pomocí jedné desky, dále se celá tisknoucí hlava pohybuje ve směru v Y a v ose Z se pohybuje celý model se spodní deskou. V případě nového návrhu vypadá řešení asi takto: pohyb v ose X a Y je zajištěn dvěma hliníkovými deskami, které jsou posouvány pomocí ozubených řemenů a řemenic a vedeny vodícími tyčemi. Posuv v ose Z je zprostředkován pomocí závitové tyče. Oproti jiným tiskárnám má toto řešení větší zastavěnou plochu, ale zajišťuje to větší tuhost a stabilitu zařízení a větší kvalitu tisku. Obrázek 6 - CAD model konkrétního řešení Elektronika a software Elektronika byla další částí, kterou bylo zapotřebí navrhnout. Tato část návrhu se skládá hlavně z nakupovaných komponent. Hlavními částmi jsou dvě desky. První z nich Ramps 1.4, slouží k připojení všech konektorů od krokových motorů, driverů krokových motorů, termistorů, koncových spínačů, vyhřívání desky a tiskové hlavy apod. a je připojena na programovatelnou desku Arduino Mega 2560, která ovládá veškerou elektroniku a tisk. Z praktického hlediska musely být na desce Ramps 1.4 vyměněny některé komponenty, které by mohly být iniciátorem problémů. Těmito součástkami byli pojistky a také tranzistory. K zprostředkování všech posuvů slouží krokové motory s krokováním po 1,8, tedy 200 kroků na otáčku. Při osazení drivery motorů získáme další rozdělení každého kroku na 16 kroků, což znamená, že se dosáhne na jednu otáčku 3200 kroků. To velmi zvyšuje přesnost a kvalitu tisku. Mezi další důležité komponenty patří extruder, který slouží k tlačení tenkého proužku plastu do tiskové hlavy, ve které je přivedeno topné tělísko, které natavuje plast a přes trysku nanáší jednotlivé vrstvy. Vyhřívaná deska (HOTBED) je nezbytnost pro tyto tiskárny. Zahřátí podložky zvyšuje přilnavost modelu k tiskové podložce, především však snižuje teplotní gradient v modelu během tisku a omezuje deformace způsobený tuhnutím.

Obrázek 7 Schéma zapojení desky Ramps 1.4 [6] Software byl vyřešen pomocí volně dostupného programu SLIC3R. Tento program slouží ke generování G-code. To znamená, že 3D model ve formátu STL rozřeže na slabé vrstvy, které pak tiskárna nanáší. Dále se zde dají nastavovat jednotlivé parametry tisku, jako jsou rychlosti tisku, procentuální vyplnění materiálem, tvar vyplnění, tloušťka vrstvy apod. Obrázek 8 Prostředí software SLIC3R

Nastavení tisku Jednotlivé materiály pro tisk se odlišují teplotou topení a tuhnutí. U některých není zapotřebí vyhřívaná deska. Orientační parametry pro každý materiál jsou zaneseny do tabulky níže. Tabulka 1 - Materiály a potřebné teploty [7] Materiál Teplota extruderu ( C) Teplota tiskové desky ( C) Chlazení min max min max filamentu ABS 220 275 100 130 NE PLA 150 210 0 50 ANO Nylon 235 260 100 130 ANO WPC 170 210 0 50 NE Bendlay 215 240 30 40 X PC 270 305 75 95 X PET-G 210 235 45 60 X PVA 160 200 0 50 X HIPS 220 240 100 120 X XT 195 220 75 104 X LAYBRICK 165 200 0 50 X TPE 210 230 30 40 X Výběr vhodné trysky Z trysky je pomocí extruderu vytlačován materiál. Průměr otvoru v jejím hrotu určuje přesnost, rozlišení detailů a taky rychlost tisku. Běžně jsou k dostání trysky s průměrem 0,2, 0,3, 0,35, 0,4 a 0,5 mm. Platí, že čím menší průměr trysky je použit, tím bude rozlišení detailů lepší ale rychlost tisku menší. Použití trysky s průměrem 0,3 v porovnání s 0,4 mm prodlouží čas tisku téměř o 100%. Proto trysky s menším průměrem jsou používány spíše pro tisk malých modelů, u kterých je důležité rozlišení detailů.výběr průměru trysky závisí také na použitém materiálu. Například pro ABS nebo PLA můžeme použít menší průměry. U materiálů jako WPC nebo LAYBRICK musíme počítat s větší tryskou., jelikož tyto materiály obsahují drobné částice, které by mohly úzké trysky ucpat. [8] 6. ZÁVĚR Bylo provedeno navržení a následné sestavení 3D tiskárny. Na tiskárně dále proběhl proces ladění a nyní je schopna s očekávanou přesností a kvalitou tisknout materiál ABS. Dalším záměrem je použití i ostatních materiálů, které se mohou metodou FDM tisknout. Následným vylepšením bude přidání další tiskové hlavy a tím bude umožněno tisknout z více materiálů najednou, což je velmi důležité k tisknutí velmi složitých modelů. Jedna tisková hlava tiskne stavební materiál a druhá tisková hlava tiskne dočasné podpory. Tento materiál je pak rozpustný například v acetonu, nebo také ve vodě. Záleží na druhu použitého materiálu pro tisk dočasných podpor. Budoucím záměrem je také relativně snadná přestavba 3D tiskárny na malé frézovací centrum lehkých kovů, plastu nebo dřeva. Pozitivní ohlas na tento projekt KliKla 1.0, nás vede k postavení dalších 3D tiskáren potenciálním zákazníkům. 7. POUŽITÉ ZDROJE 1. PKMODEL [online]. [cit. 2016-duben-10]. Dostupné z: http://www.pkmodel.cz/3dtisk.html 2. FURUT3D- Human and Technology [online]. [cit. 2016-duben-10]. Dostupné z: http://www.futur3d.net/materialypro-3d-tisk 3. 3Dstruny [online]. [cit. 2016-duben-10]. Dostupné z: http://www.3dstruny.cz/fotky47635/fotos/ 47635_355_47635_354_47635_351_47635_350_47635_348 vyrp16_347maketbot_3.jpg 4. PLAYCODEACADEMY [online]. [cit. 2016-duben-10]. Dostupné z: https://playcodeacademy.com/wp-content/ uploads/2015/11/prusa-i3-hphestos-1.jpg 5. FELIXPRINTERS [online]. [cit. 2016-duben-10]. Dostupné z: http://www.felixprinters.com/media/catalog/product/ cache/1/slider_image/9df78eab33525d08d6e5fb8d27136e95/t/e/testpro1_small_v8.png 6. DanielHansen.net [online]. [cit. 2016-duben-10]. Dostupné z: http://www.danielhansen.net/2014/05/reprap-3dprinter-prusa-i3-build-log.html 7. FUTUR3D [online]. [cit. 2016-duben-10]. Dostupné z: http://www.futur3d.net/nastaveni-tisku 8. FUTUR3D [online]. [cit. 2016-duben-10]. Dostupné z: http://www.futur3d.net/nastaveni-tisku