dnes je 13.4.2024

Input:

3D tisk staveb 03: Konstrukční části 3D tiskáren a materiály

29.8.2023, , Zdroj: Verlag Dashöfer

12.9.2
3D tisk staveb 03: Konstrukční části 3D tiskáren a materiály

Ing. Bohumír Číhal

Hotend

Hotend (doslova přeloženo horký konec) je důležitá součástka FDM 3D tiskáren. Tvoří jej sestava dílů, které se starají o nahřátí i chlazení tištěného materiálu. Skládá se z trysky, heatblocku, heatbreaku, topného tělesa, chladiče a pneu spojky. Pomocí tepla taví filament na tenké tvárné vlákno, ze kterého se pak na tiskové podložce tvoří následný výtisk.

Obr. č. 9: Sestava Hotendu

Materiál se zahřívá ve spodní části (heater block), zatímco chlazení probíhá výše (heat sink), oba díly jsou spojeny komponentou zvanou heat break, která má přerušit vedení tepla ze spodní části. Heat sink je většinou žebrovaný chladič pro lepší odvod tepla, u teplotně náročnějších materiálů je nutný ventilátor, který k chladiči přivádí chladnější vzduch.

Přesné nastavení teplot i množství vzduchu je důležité pro bezproblémový chod celého hotendu, proto se na pokročilých tiskárnách měří teplota pomocí termistorů nebo termočlánků a regulují otáčky ventilátorů přes pulzně šířkovou modulaci (PWM). Termistory jsou nejčastějším typem pro jejich nízkou cenu a jednoduchost použití. Termočlánky se používají pro vyšší teploty.

Posledním dílem je tryska (nozzle), ze které je materiál vytlačován po zahřátí v heater blocku (často je takto nesprávně označována celá sestava hotendu). Trysky se vyskytují v různých průměrech a jsou vyrobeny z rozličných materiálů, liší se především odolností. Jednotlivé trysky bývají zaměnitelné a liší se ve velikostech výstupního otvoru. Normálně se používá velikost 0,4 mm, pro detailnější tisk se používají průměry menší. Pro rychlejší tisk zase větší. Ucpání trysky je jeden z nejčastějších problémů s 3D tiskárnami.

Kromě chlazení hotendu je nutné chladit také tisk samotný, většinou samostatným druhým ventilátorem. Materiál rychleji dosáhne své finální pevnosti (ztvrdne) a nebude se bortit pod náporem dalších vrstev. Neplatí to však pro všechny materiály, u ABS se aktivním chlazením zvýší míra smrštění a tištěný objekt popraská. K tiskárně se dodávají tiskové profily, kde jsou otáčky obou ventilátorů nastavené dle tištěného materiálu.

Materiál pro tisk

Materiálů pro FDM 3D tiskárny existuje celá řada s rozdílnými vlastnostmi, cenou a vhodností použití, zpravidla jsou to však různé typy termoplastů. Jsou dodávány ve formě tiskové struny tzv. filamentu o průměru zpravidla 1,75 nebo 3 mm, navinuté na cívkách.

Obr. č. 10: Navinuté struny (filament)

Termoplastické polymery jsou například PET (Polyethylentereftalát), PC (Polykarbonát) a jeden z nejpoužívanějších materiálů ABS (Akrylonitril butadien styren). Často používaným plastovým materiálem je PLA (Kyselina Polymléčná), vyrobený z rostlinného škrobu.

Podle tiskových vlastnosti materiálů se odvíjí například teplota extrudéru či maximální teplota tiskové podložky. V následujícím textu stručně uvedeme a porovnáme vlastnosti vybraných nejpoužívanějších filamentů.

PLA – Polylactic Acid (Kyselina Polymléčná)

PLA je jeden z nejpoužívanějších materiálů, se kterým je možné tisknout i velké plochy a předměty. Je vyrobený z obnovitelných zdrojů (ze škrobu původem z kukuřice), při tisku nezapáchá a je biologicky zcela rozložitelný. Vyžaduje méně energie na zpracovávání v porovnání s plasty na bázi ropy.

Mezi jeho výhody patří značná tvrdost, pružnost a mechanická odolnost, minimálně srovnatelná s plasty založených na ropné bázi. Velkou výhodou je nepatrné nebo žádné kroucení a smršťování tištěného předmětu. Omezené je jeho použití ve vlhkých prostorách, protože pohlcuje vzdušnou vlhkost. Také filament musí být před tiskem skladován v suchých prostorách, jinak by při tisku vznikaly na povrchu tištěného předmětu bublinky způsobené vypařováním vzdušné vlhkosti z roztavené tiskové struny.

Do PLA lze přidávat při výrobě další příměsi (částečky dřeva nebo kovů) a tím přiblížit jeho vlastnosti k přidané příměsi. Přítomnost skutečných dřevěných částic dává výtiskům jedinečný povrch, který vypadá a působí jako skutečné dřevo. Na rozdíl od jiných kompozitů nepotřebují vlákna plněná dřevem zvláštní trysku odolnou proti opotřebení. Přesný typ použitého dřeva a jeho koncentrace se u různých značek liší, dřevěný prach a korek mají koncentraci kolem 30 %.

K tisku v zásadě nepotřebuje vyhřívanou podložku a komoru. Doporučuje se však teplota tiskové podložky v rozmezí 20 - 60 °C. Teplota tiskové hlavy (extrudéru) se většinou používá v rozmezí 180 - 220 °C. Přesto, že tisk probíhá při nižších teplotách bez použití vyhřívané tiskové podložky, je vytištěný předmět pevný a bez tendenci odlupování jednotlivých vrstev vytištěného materiálu. Doporučený povrch desky je "modrá malířská páska".

Z materiálů PLA lze vyrobit celou řadu produktů náročných na rozměrovou stálost při procesu tisku a přesnost (prototypy, stolní hračky). Tím, že je zdravotně nezávadný, je možné z něj vyrábět výrobky i pro potravinářský průmysl. Nutné je však vždy zohlednit nízkou maximální teplotu, při níž může být používán a postupnou degradaci v závislosti na konkrétním prostředí.

Při použití PLA může celý proces tisku probíhat rychleji než v případě jiných plastů. Následné opracování vytištěného předmětu (pomocí broušení nebo obrábění) je problematičtější než např. v případě ABS. Při vystavení vyrobeného předmětu vysokým teplotám a slunečnímu záření dochází poměrně brzo k velkým deformacím.

ABS – Acrylonitrile Butadiene Styrene

Jedná se o amorfní termoplastický polymer na ropné bázi, Je pevnější a tepelně odolnější než PLA. Mezi jeho klíčové vlastnosti patří odolnost proti mechanickému poškození, současně je poměrně lehce opracovatelný. Vekou výhodou je mechanická pevnost s poměrně dlouhou životností, houževnatost a odolnost proti nízkým i vysokým teplotám. Je též málo nasákavý a v pevném stavu zdravotně nezávadný. Dobrou vlastností je i odolnost proti působení kyselin, hydroxidů, uhlovodíků nebo olejů a tuků. Nevýhodou je smršťování vytisknutého předmětu při jeho postupném chladnutí a uvolňování škodlivých výparů při tisku.

Při tisku je nutné, z důvodu zabránění deformacím tisknutého předmětu, použití vyhřívané tiskové podložky s doporučenou teplotou 95 - 130 °C. Doporučuje se použití vyhřívané komory na 100 °C. Teplota tiskové hlavy (extrudéru) se pohybuje v rozmezí 220 - 275 °C. Doporučený povrch desky je kapton páska, či jiný způsob zvýšení adheze.

Jedná se o levný materiál, navíc vyráběný v široké škále různých bare. Je výhodné z něj vyrábět prototypy, funkční vzorky, nástroje či běžné věci pro každodenní použití. Tyto výrobky však nesmí být vystaveny delší dobu povětrnostním vlivům, jinak dochází k jejich degradaci. Výrobky z ABS není vhodné používat pro medicínské účely nebo v potravinářství.

Nylon

Nylon je velmi silný, pružný a odolný univerzální materiál. Tenká vrstva je flexibilní a s vysokou přilnavostí mezi vrstvami. Je vhodný na výrobu oděru odolných součástek a pohyblivých části (závěsy). Nylonové vlákno se tiskne jako jasně přirozené bílé s průsvitným povrchem. Dokáže pohlcovat přidané barvy post-procesu s nejběžnějšími oděvními barvami na bázi kyselin nebo barvami z umělých tkanin. Nylonové vlákno je extrémně citlivé na vlhkost, proto se doporučuje, aby se při skladování a při tisku využilo vysoušečů, vakua nebo zvýšené teploty. Cenově je dražší, komplikované je skladování.

Doporučené teploty nosné desky 70 - 90 °C, extrudéru 220 - 270 °C.

PET – Polyethylene terephthalate

PET se většinou vyrábí s nějakou sloučeninou. Nejčastěji jako PETG – modifikovaný glykolem, který je svými vlastnostmi kompromisem mezi PLA a ABS. Výsledkem je vlákno, které je jasnější, méně křehké a snadněji se používá než jeho základní forma PET. Toto vlákno kombinuje snadné použití PLA vlákna se silou a trvanlivostí ABS. Jeho

Nahrávám...
Nahrávám...