12.9.1
3D tisk staveb 02: Technologie 3D tisku
Ing. Bohumír Číhal
Všechny technologie 3D tisku jsou založeny na principu rozložení trojrozměrného modelu pomocí CAM procesoru na jednotlivé tenké vrstvy, které jsou následně ve výrobním prostoru tiskárny specifickým způsobem sestaveny na sebe do reálného výsledného objektu.
Metod 3D tisku existuje celá řada, jednotlivé metody se kromě svého principu od sebe odlišují mimo jiné cenou, nároky na vybavení, rychlostí a kvalitou tisku, spotřebou elektrické energie a dalšími parametry.
Pro tisk kovových materiálů jsou využívány zejména metody na bázi tavení částic kovového prášku a jejich spékáním do větších celků. Jde zejména o metody SLM (Selective Laser Melting) a DMLS (Direct Metal Laser Sintering). Částice kovu lze spojovat pojivem, jak je tomu u metody Binder Jetting.
U plastového 3D tisku je paleta metod 3D tisku též rozmanitá. Kromě tavení částic tiskového prášku laserem se velmi často používá princip polymerace metodou stereolitografie SLA a roztavení tiskové struny (filamentu) pomocí topného tělesa v případě metody FDM (Fuse Deposition Modeling). Posledně uvedené technologie získaly rozšíření z hlediska veřejného využití, jsou cenově dostupné a využitelné i v domáckých, případně v mírně pokročilých podmínkách.
Technologie FDM/FFF
Suverénně nejrozšířenější technologií 3D tisku je metoda FDM (Fused Depositon Modeling – Modelování pomocí taveného depozitu), jejíž princip byl objeven v 80. letech 20. století. Protože si na toto označení nechala společnost Stratasys zaregistrovat ochrannou známku, vžilo se (nejen) pro komerční účely označení FFF (Fused Filament Fabrication – Tváření z tavených vláken). V obou případech se jedná o tentýž princip fungování 3D tiskárny.
Technologie tisku FDM/FFF pracuje na principu natavování termoplastického materiálu, který je tiskárně dodáván nejčastěji ve formě plastové struny, takzvaného filamentu. Ten je v zásobníku 3D tiskárny umístěn na cívce, ze které si tiskárna materiál postupně posouvá pomocí malého ozubeného kolečka a dostává se do tiskové hlavy. Tisková hlava tento pevný materiál taví, reguluje jeho teplotu a následně i tok pomocí tiskové trysky. Takto roztavený materiál je z tiskové trysky vytlačován a pohyby tiskové hlavy vrstven na tiskovou podložku čímž je vytvářen požadovaný předmět.
Vytlačovací hlava se nejčastěji pohybuje ve dvou dimenzích a ve třetí dimenzi se pohybuje platforma, na kterou je materiál vytlačován. Hlava je ovládána počítačem, který definuje dráhu trysky, a tudíž i tvar tištěného objektu. Tryska nanese materiál nejdříve v jedné vrstvě, kdy se pohybuje ve dvou dimenzích a po ukončení vrstvy se posune vertikálně, aby mohla tisknout další vrstvu.
Obr. č. 1: Systém tisku a tisková hlava sytému FDM/FFF
K vytvrzení materiálu dochází ihned po natisknutí. Při použití některých materiálů je však nutné, aby si již natištěné vrstvy materiálu udržovaly požadovanou teplotu kvůli dobrému spojení s dalšími vrstvami. Stejně tak je nutné, aby tisková podložka měla definovanou teplotu kvůli přichycení tištěného předmětu k podložce. Proto bývá tisková podložka ve většině případů vyhřívaná.
Mezi nejčastěji používané materiály v této metodě 3D tisku patří termoplastické polymery například vlákno ABS (Akrylonitril butadien styren), vlákno PLA (kyselina polymléčná) anebo PETG (Polyethylentereftalát-glykol). Je zde i možnost použití materiálů s příměsí např. mědi, kovu, dřeva apod.
Rozlišení tisku (tloušťka vrstvy) se nejčastěji pohybuje od 50 do 400 mikronů. Při některých aplikacích může být po dokončení tisku třeba dodatečných úprav povrchu materiálu, jako je například broušení či leštění.
V případě stolních 3D tiskáren drtivá většina používá k modelování právě tuto technologii, neboť je nejlevnější a u většiny filamentů při jejich tavení nevzniká žádný či jen minimální zápach.
Nevýhodou této technologie je dlouhý čas tisku, široký rozptyl kvality tisku, která je závislá na modelu tiskárny i použitém materiálu, a různá konstrukční omezení (například natavený materiál musí nejprve vytvrdnout, u složitějších modelů je potřeba proto počítat i s tiskem podpěr a podobně). Za nevýhodu lze považovat viditelnost jednotlivých vrstev a taky to, že díky principu této metody je vytištěný předmět značně anizotropní.
NahoruTechnologie SLA
Druhou v současnosti hojně používanou a zároveň nejstarší metodou 3D tisku je metoda SLA (Stereolithography). Představuje postupné vytvrzování tekuté fotopolymerní pryskyřice pomocí soustředěného zdroje světla (LED diod) či UV laseru. Tento 3D proces se nazývá foto-polymerizace.
V zařízení je umístěna nádrž s tekutým materiálem – foto-polymerizující pryskyřicí. Nad ní je umístěna vyzdvihovací platforma, umožňující posun ve směru osy z. Zařízení emitující světlo přesně osvětluje průhledné dno nádrže ve směru os x a y. Poté co je vytvrzena jedna kompletní vrstva určené geometrie, posune zařízení vytvrzenou část vertikálně přesně o velikost jedné vrstvy. Následně laser začne tvořit vrstvu další. Tento proces se opakuje, až do vytvoření kompletního objektu.
Obr. č. 2: Schéma tvorby vrstev SLA
(Poznámka: Umístění zdroje světla a vyzdvihovací plošiny představují jednu variantu technického řešení.)
Hlavní doménou této technologie tisku je její extrémní přesnost, která výrazně převyšuje tiskové rozlišení FDM/FFF tiskáren. Dosahuje přesnosti v řádu mikronů, navíc bez nutnosti dalších úprav jejich povrchů. To se odrazuje v ceně, která je u větších modelů v porovnání s FDM/FFF nesrovnatelná. Nevýhodami naopak jsou křehkost a náchylnost na zhoršení mechanických a vizuálních vlastností předmětů, pokud jsou vystaveny slunečnímu záření a nutnost použití podpůrných konstrukcí. Závažným problémem je to, že při vytvrzování pryskyřice paprsky se uvolňují toxické plyny, které je nutné odsávat. Z tohoto důvodu jsou SLA tiskárny rozměrově náročné a s uzavřenou tiskařskou plochou, napojenou na odsávání (stavební úpravy).
Využití je pro integrované obvody, prototypů před sériovou výrobou, rapid prototyping, pro výrobu formy pro lití či vstřikování.
NahoruTechnologie DLP
Technologie DLP (Digital Light Processing) je velmi podobná technologii SLA. Místo laseru používá digitální projektor. Zdroj světla je buď LED nebo UV světlo. Tento princip funguje rychleji než SLS tisk díky projektoru, který dokáže osvítit celou vrstvu najednou a nemusí postupně osvěcovat vrstvu po částech. Vrstva se tvoří z malých čtvercových bloků z důsledku osvícení pixelů, které jsou hranaté.
Obr. č. 3: Schéma tvorby vrstev DLP
NahoruTechnologie SLS a SLM
Technologie Selective Laser Sintering (SLS) používá laser ke spékání termoplastických polymerů v práškové formě a Selective laser melting (SLM pracuje s keramickým a kovovým práškem.
Obr. č. 4: Schéma tvorby vrstev a uspořádání tiskárny SLS
Metodou SLS je předmět postupně tvořen z vrstev prášku termoplastických polymerů o tloušťce několika mikrometrů (řádově 10 až 100 μm), které jsou v požadovaných místech spékány laserem. Po vytvoření jedné vrstvy předmětu se tisková podložka posune a na již vytvořenou vrstvu předmětu je nanesena další vrstva prášku ze zásobníku. Prášek tiskového materiálu je v zásobníku udržován zahřátý na teplotě těsně pod jeho bodem tavení. Celý proces se opakuje do vzniku požadovaného produktu. Následně je třeba nechat předmět vychladnou a poté je možno jej očistit. V neosvícených místech zůstává prášek v původním stavu a tvoří podpůrný materiál, který lze po skončení tisku velmi jednoduše odstranit a lze ho použít pro další cyklus.
Laser je řízený prostřednictvím počítače, který určuje přesnou geometrii definovanou 3D modelem. Poté co je materiál nahřátý na teplotu před bodem tání laser s vysokým napětím (např. carbon dioxide laser) pulsně osvítí a spojí malé částice materiálu. Vytvoří jednu…
