Témata
Zdroj: Elvira

Principy a technologie 3D tisku

3D tisk je v současnosti jednou z nejrychleji se rozvíjejících oblastí výroby. Každým rokem vznikají nové technologie, metody či přístupy. Internetová Wikipedie popisuje několik desítek zkratek názvů tiskových technologií, z nichž si jsou mnohé podobné (neřkuli zcela shodné). Názvy  však podléhají příslušným právům, patentům a ochranným známkám svého vlastníka, a proto si alternativní výrobci musí pro stejný způsob technologie vymyslet jiný název a zkratku.

Reklama

Klasickým příkladem je technologie tisku pomocí tavené struny (filamentu); vynálezce této technologie, společnost Stratatys, ji nazval FDM (Fused Depositiong Modeling). Většina ostatních výrobců ji označuje jako FFF (Fused Filament Fabrication). Přitom jde téměř vždy o shodný princip a technologii. Abychom neporušili něčí práva, budeme raději říkat FFF. 3D tisk je aditivním způsobem vytváření modelů (aditivní znamená, že materiál je v průběhu procesu tvorby modelu přidáván). Konvenčním a opačným způsobem je například obrábění, kdy je materiál při tvorbě modelu odebírán. Aditivní technologie v zásadě využívá čtyř základních principů, jejichž základní dělení je určeno způsobem zpracování materiálu modelu:

•  Princip 1 – materiál je vytlačován tiskovou hlavou (např. FFF);

•  Princip 2 – tekutý materiál je vytvrzován ve vrstvě osvitem (např. SLA);

•  Princip 3 – materiál je pojen pomocí lepidla, laseru apod. na podložce (např. SLS);

•  Princip 4 – oddělování materiálu v každé vrstvě (např. LOM).

Reklama
Reklama

Princip 1

Na tiskovou podložku je tiskový materiál nanášen po vrstvách. Vždy po dokončení tisku vrstvy se tisková hlava (nebo podložka) posune a tiskne se další vrstva. Typickým představitelem této technologie je tisk tavené struny – filamentu (FDM, FFF apod.). Nespornou výhodou je nízká pořizovací cena 3D tiskárny a nízké náklady na stavební materiál modelu. Spektrum stavebních materiálů je široké a stále se rozšiřuje. Nevýhodou je však např. dlouhý čas tisku, značný rozptyl v tiskové přesnosti, volbě orientace tisku modelu, způsobu a konstrukci podpěr a limity v geometrii.

Tato 3D tiskárna pracuje na principu FFF - roztavený materiál je po vrstvách nanášen prostřednictvím tiskové hlavy. (Zdroj: Elvira)

V profesionální sféře se využívá technologie MJP (Multi Jet Printing). Tiskový materiál tryská pomocí tisíců otvorů tiskové hlavy, která zároveň vytváří voskové podpěry. Každá vrstva je vytvrzena UV světlem. Voskové podpěry se na konci tisku odplaví automaticky pomocí páry. Dokončovací operace jsou buď minimální, nebo nejsou žádné. Detaily a rozměry výtisku mají velmi vysokou přesnost.

Ukázky modelů vytištěných pomocí technologie FFF. (Zdroj: Elvira)
Reklama

Princip 2

V nádobě s tekutým polymerem (rezinem) je umístěna tisková deska, jejíž úroveň proti hladině polymeru určuje výšku požadované tiskové vrstvy. Světelný paprsek (laser) vykreslí požadovaný tvar vrstvy a tím dojde k vytvrzení rezinu v příslušném tvaru. Následně se tisková deska posune a světelný paprsek pak vykreslí a vytvrdí další požadovaný tvar. Typickým příkladem je SLA (stereolitografie) – nejstarší technologie 3D tisku. Vyvinul ji Chuck Hull, zakladatel společnosti 3D Systems. Na konci osmdesátých let 20. století spatřila světlo světa první komerční 3D tiskárna, která využívala právě technologii SLA.

Tiskárna ProJet 6000 HD od firmy 3D Systems využívá technologii stereolitografie (SLA). (Zdroj: Elvira)

Podobnými technologiemi, u nichž je zdrojem světla projektor, jsou technologie DLP, LCD a MSLA. Tisk zde probíhá obráceně. Pod nádobou na rezin (s průhledným dnem) je umístěn projektor. Tisková deska je ponořena v rezinu v určité přesně stanovené vzdálenosti ode dna. Vzdálenost mezi deskou a dnem nádoby odpovídá výšce tiskové vrstvy. Projektor prosvítí dno a osvícený rezin mezi dnem a deskou se tak vytvrdí. Deska se poté posune nahoru, osvítí se další vrstva a tak to pokračuje do konce. Na rozdíl od laserového zdroje světla je díky použití panelu osvětlena celá vrstva najednou. Rychlost tisku tak není ovlivněna velikostí tištěného modelu.

Modely vyrobené pomocí technologie SLA. (Zdroj: Elvira)

Zhotovený výtisk je zapotřebí následně omýt v izopropylalkoholu a dodatečným UV světlem definitivně vytvrdit. Dodnes je SLA jednou z nejpřesnějších technologií s nabídkou stovek různých druhů polymerů různých vlastností včetně dentálních aplikací.

Princip 3

Na tiskové desce je rozprostřen stavební materiál ve formě prášku. Tvar požadované vrstvy modelu je vytvrzen pomocí laseru nebo lepidla. Tisková deska se posune níž o úroveň definované výšky vrstvy, nanese se další vrstva prášku a laser či lepidlo vytvrdí požadovaný tvar. Tento princip je hojně využíván technologiemi SLS (Selective Laser Sintering), CJP (Color Jet Printing) a DMP (Direct Metal Printing). Stavebním materiálem je dle technologie celá škála plastů, kovů a prášků na bázi sádry. Práškové plasty mají navíc tu výhodu, že jako podpůrný prostředek poslouží nepoužitý prášek mimo model. U kovového prášku by ve vyšších vrstvách hrozilo kvůli hmotnosti propadnutí. Je zde tedy nutné stavět kovové podpěry společně s modelem. Technologie CJP dokáže vytisknout téměř fotorealistický 3D model.

Tiskárna 3D Systems sPro 60 HD je jedním ze zástupců technologie SLS. (Zdroj: Elvira)

Princip 4

Tento princip je výrobci nejméně aplikován. Technologie LOM (Laminated Object Manufacturing) jako stavební materiál využívá zpravidla papír nebo fólii. Tvar vrstvy „tištěného“ modelu je vyříznut z materiálu nožem a následně další vrstva je přilepena na předchozí. Podání nové vrstvy materiálu je zajištěno odvinutím z role nebo podáním ze zásobníku např. formátu A4, A3 apod. Po dotištění/vyříznutí vrstvy ji lze pomocí principu inkoustové hlavy obarvit a dosáhnout tak barevných efektů finálního modelu. Vzhledem k tomu, že model se skutečně netiskne, ale vyřezává, je možná s podivem, že hovoříme o 3D tisku. Nicméně materiál, v roli nebo v zásobníku papíru, se bezesporu přidává. Tato technologie je rovněž aditivní a má v tomto výčtu své místo.

Použití 3D tisku ve studentském projektu

Stejně jako vznikají stále nové technologie 3D tisku, také se rozšiřují praktické možnosti aplikace 3D tisku. Jejich rozmanitost lze ilustrovat například na projektu Formula Student, v jehož rámci společnost Elvira technologicky podporuje dva studentské týmy: CTU Cartech a VUT Brno Racing.

Pražským týmem z ČVUT jsou 3D technologie využívány na 3D tisk dílů, jako jsou části aerodynamických komponent, krabičky na elektroniku či olejové nádoby. Dalším zajímavým použitím je 3D tisk forem pro aerodynamické komponenty typu přítlačných křídel a bočnic, které po finální úpravě povrchu umožňují studentům tyto díly jednoduše vylaminovat. Pokud by se aerodynamické komponenty vyráběly konvenčním způsobem, formy by při nízkém počtu kusů byly velmi nákladné – takto přijdou na pouhou desetinu ceny.

Brněnský tým spolupracuje s firmou Elvira na vývoji a výrobě těhlic, vahadel odpružení či sloupků řízení, tedy dílů, které se vyrábějí metodou odlévání. K odlévání takových dílů je potřeba vytvořit formy, jež jsou však z pohledu prototypové výroby velmi nákladné. Studenti se proto spoléhají na metodu odlévání prostřednictvím forem vyrobených za pomoci voskového modelu.

Související články
Návštěva v království 3D technologií

V malebném koutě pražských Hlubočep, u staré železniční trati při vstupu do Prokopského údolí, je umístěn památkově chráněný funkcionalistický tovární objekt z třicátých let. Sem se před necelými třemi roky z Nuslí přestěhovala společnost Elvira a vybudovala tu nejen své nové reprezentativní sídlo, ale také centrum ABC3D pro prezentaci 3D technologií. Uvítali jsme možnost toto centrum navštívit v rámci dne otevřených dveří.

Deset zastavení s JK: Síťování

Série 10 rozhovorů s legendou inovační sféry Jánem Košturiakem je retrospektivou dílčích milníků, které jej na jeho osobní a profesní cestě potkaly a umožnily mu realizovat jeho sny, touhy a přání. Nahlížejme postupně do minulosti a hledejme společně okamžiky, které vytvářely Jánovu budoucnost a umožňovaly mu vidět za horizont zřetelněji než nám ostatním.

Deset zastavení s JK:
Lokální výroba

Série 10 rozhovorů s legendou inovační sféry Jánem Košturiakem je retrospektivou dílčích milníků, které jej na jeho osobní a profesní cestě potkaly a umožnily mu realizovat jeho sny, touhy a přání. Nahlížejme postupně do minulosti a hledejme společně okamžiky, které vytvářely Jánovu budoucnost a umožňovaly mu vidět za horizont zřetelněji než nám ostatním.

Související články
Přestaneme vyrábět a budeme tisknout?

3D tisk (AM – Additive Manufacturing) je obor, který přes svou krátkou historii překvapuje v mnoha ohledech – efektivitou, praktičností, flexibilitou... Jeho využitelnost jako technologie roste téměř exponenciálně, a přitom ale trochu utajeně.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Automatizace masové výroby vs. 3D tisk

Automatizace ve velkých společnostech je již dlouho běžnou praxí. V posledních letech se však setkáváme s poptávkou po automatizaci i v případech malosériové výroby a u dodavatelů s kusovou výrobou. Mnohdy jde o produkty s vysokou přidanou hodnotou, ať už to jsou výrobky pro automobilový průmysl, nebo pro maloodběratele.

Soumrak strojírenských bohů

Až do nedávné doby, dalo by se říci před covidem, bylo jednání některých tradičních firem vyrábějících obráběcí stroje bez pokory, a někdy hraničilo až s arogancí. Jednání bez úcty nejen vůči zákazníkům (což zní přímo drze), ale také vůči partnerům dodávajícím subdodávky, vysokým školám a také spolupracujícím partnerům. Mají za sebou přeci tradici desítek let, kdo jim bude co radit, jak mají jednat a dělat. Nikdo přeci. A nyní? Padla kosa na kámen a otupila se, možná se i pokřivilo ostří.

Podíl architektury na konkurenceschopnosti firmy

Česká architektura zažívá po letech stagnace svůj restart. Poptávka po kvalitním designu a funkčnosti staveb je na vzestupu. Jak si stojí česká komerční a průmyslová architektura, jak ovlivňuje image firmy, její kulturu, včetně mediálního obrazu, na to se naše redakce zeptala Ing. arch. Jiřího Opočenského.

Inovace podnikatelského modelu, Část 1. Role inovací v podnikatelském prostředí

Současná doba paralyzující naše osobní a profesní konání nám jasně ukázala realitu, se kterou se budeme setkávat stále častěji. Nastavila zrcadlo důsledků našeho, často konzervativního, přístupu k otázce dlouhodobé inovační strategie, a to jak z pohledu diverzifikace produktového portfolia, tak i marketingové a obchodní podpory zaváděných inovací. V tomto novém světě se musíme naučit žít a odolávat jeho často nepředvídatelným nástrahám.

Téma: technologie pro výrobu forem

Díly, součásti či výrobky, které spatřily světlo světa díky tomu, že byly vylisovány, odlity či vykovány ve formě, jsou doslova všude kolem nás. Forma je zařízení často velmi složité a komplexní a k její výrobě je potřeba řada špičkových technologií. Následující článek představuje některé z nich.

Odlehčovací optimalizace 3D tištěné frézy

Vývoj v oboru obrábění se tradičně potýká s mimořádným dynamickým zatížením soustavy na straně jedné a požadavky na přesnost a produktivitu obrábění na straně druhé. Nalezení takové konstrukce nástroje, která odolá extrémním provozním podmínkám, a přitom umožní proces obrábění urychlit, může vést k zefektivnění výrobního procesu. Příkladem toho může být vývoj odlehčené frézovací hlavy. Dosavadní konstrukce obráběcích nástrojů vycházely z jednolitých plných tvarů zaručujících vysokou tuhost na úkor dynamických vlastností nástroje. Změnou vnitřní struktury je však možné najít optimum mezi těmito protichůdnými požadavky.

Ujíždí nám vlak digitalizace?

Rozhovor s Martinem Peňázem ze společnosti Autodesk, nám dává možnost nahlédnout na současnou digitální transformaci optikou, jejichž rámec a obzory se vytvářely dalece před tím, než nás doba covidová naučila přemýšlet a konat jinak a pružněji, než bylo standardem.

Budoucnost české výroby

Česká výroba prochází složitým obdobím. Naši výrobci musí každý den řešit složité úkoly a problémy, za které si z části ani nemohou. Doba už je taková, je potřeba se jí ale postavit čelem.

Ve svém životě bych nic neměnil

Tuto charakteristiku nám sdělil na závěr našeho rozhovoru Zdeněk Pelc, šéf GZ v Loděnicích, který je další osobností našeho seriálu podnikatelských příběhů. Byl dlouhá léta ředitelem Gramofonových závodů, po Sametové revoluci pak pokračoval jako ředitel společnosti GZ Media, které se roku 2007 stal většinovým vlastníkem.

Na evropské trhy s finanční podporou

První celoevropsky významná akce v oblasti strojírenství a subdodavatelské branže se v příštím roce koná na lipském výstavišti v termínu 2. až 5. března: veletrhy Intec a Z 2021. Také a možná právě v současných obtížných časech zde čeští vystavovatelé a návštěvníci mohou navázat důležité obchodní kontakty a informovat se o nejnovějších trendech a vývoji v oboru. Vystavovatelé z Česka navíc se státní podporou.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit