Robotický 3D tisk a měnitelný průměr trysky

3D tisk patří k technologiím, které v posledních letech zaznamenaly významný technologický pokrok a rozšíření do mnoha oblastí jak v průmyslu, tak mimo něj. Vlastní 3D tisk je možné realizovat různými způsoby. K nejrozšířenějším patří technologie Fused Filament Fabrication (FFF), založená na principu nanášení roztaveného materiálu pomocí trysky do tvaru objektu tištěného po jednotlivých vrstvách [1][2] . Možnosti 3D tisku touto technologií jsou do určité míry omezeny polohou trysky vůči tiskové podložce, resp. tištěnému objektu, kdy až na výjimky je u klasických 3D tiskáren osa trysky kolmá k podložce. Pro tisk řady objektů nejde o zásadní omezení. V případě tisku tvarově složitých objektů již ale změna polohy osy trysky vůči tiskové podložce, resp. tištěnému objektu, může hrát velmi výraznou roli. A právě zde se otevírá prostor pro robotický 3D tisk. Klasický, univerzální průmyslový robot s angulární strukturou má šest stupňů volnosti. V kombinaci s polohovacím ústrojím, na němž by byla umístěna tisková podložka, je možné získat další stupně volnosti a tím dále zlepšit možnou variabilitu tisku tvarově složitých objektů [3].

V průběhu tisku na klasických 3D tiskárnách je v rámci jedné tiskové úlohy využívána tryska jednoho konstantního průměru. Jde o řešení výhodné jak z pohledu složitosti, resp. jednoduchosti konstrukce tiskové hlavy tiskárny, tak z pohledu přípravy kódu, podle něhož je možné požadovaný objekt následně tisknout. Toto řešení však má svá omezení. Pro tisk detailnějších částí je vhodné používat trysku s menším průměrem. To ale zároveň znamená celkově nižší rychlost tisku z důvodu omezeného maximálního průtoku tiskového materiálu. V současnosti se můžeme nejčastěji setkat s tryskami o průměru od 0,2 do 1,2 mm, přičemž z hlediska kompromisu mezi schopností tisku detailních objektů a rychlostí tisku se nejčastěji používá tryska o průměru 0,4 mm. Jedním z možných řešení, které by umožňovalo jak tisk detailních objektů, tak tisk vysokou rychlostí, je tryska s měnitelným průměrem [4].

V rámci dílčího výzkumného cíle „Adaptivní 3D tisk soustav robotizovaným systémem“, jenž je součástí projektu Národního centra kompetence mechatroniky a chytrých technologií pro strojírenství, se věnujeme oběma výše uvedeným oblastem. Cílem je navrhnout trysku s měnitelným průměrem, která by byla následně využívána při robotickém 3D tisku, a dále řešit softwarovou část vlastního 3D tisku.

V rámci projektu byly navrženy dvě koncepčně rozdílné trysky s měnitelným průměrem. Koncepce č. 1 je založena na principu změny výstupního průměru trysky, a to na základě deformace prvku trysky vyrobeného z vysoce elastického a zároveň teplotně odolného materiálu. K hlavním výhodám tohoto řešení patří jeho relativní konstrukční jednoduchost. Hlavní nevýhodou je složitost řízení změny výstupního průměru trysky. To je dáno nelineárním chováním elastického materiálu, který vykazuje vysoký stupeň hystereze a nedodržení kruhového tvaru výstupního otvoru v průběhu stlačování. To znamená, že změny v tlaku nebo ve vnějších podmínkách mohou způsobit nestabilitu ve velikosti výstupního otvoru, což ztěžuje precizní kontrolu nad tiskovým procesem. V současnosti lze u této koncepce trysky využít rozsah průměru výstupního otvoru v rozmezí od 0,5 do 1,3 mm.

Koncepce č. 2 je založena na principu čelisťového mechanismu. Konkrétně jde o mechanismus složený z osmi čelistí, jejichž vzájemná poloha a synchronizace pohybu umožňují vytvářet výstupní otvor ve tvaru osmiúhelníku. K hlavním výhodám tohoto řešení patří větší rozsah rozměrů výstupního otvoru (u současné trysky v rozmezí od 0,2 do 4,5 mm) a celková odolnost (vzhledem k použití výhradně kovových materiálů). K hlavním nevýhodám patří vysoké nároky na přesnost výroby jednotlivých dílů trysky, aby bylo dosaženo potřebného utěsnění trysky, a celková konstrukční složitost jejího mechanismu.

V rámci testů trysky vyvinuté podle koncepce č. 1 byly realizovány výtisky s jediným perimetrem, tedy objekty s kontinuální stěnou, což je charakteristické pro tiskovou metodu typu Spiral Vase. Tento způsob testování umožňuje měřit a vyhodnocovat změny v tloušťce extrudované stěny, což je klíčové pro analýzu vlivu měnícího se výstupního otvoru trysky na geometrii výsledného objektu.

Při testování s minimálním průměrem výstupního otvoru byla získána struktura se stěnou o tloušťce 0,64 mm a tato struktura vykazovala vysokou úroveň detailu. Vzhledem k menšímu průměru extrudovaného vlákna docházelo k jemnější depozici materiálu, což vedlo k hladkému a preciznímu povrchu. Naopak při použití maximálního otevření trysky došlo k výraznému nárůstu tloušťky stěny, která se zvětšila až na 1,24 mm. To vedlo k celkově robustnější a pevnější struktuře objektu.

Tyto testy prokázaly, že je možné efektivně řídit fyzikální vlastnosti výsledného výtisku, přičemž plynulá změna průměru výstupního otvoru umožňuje flexibilně ovlivnit jak tloušťku stěny, tak i pevnost a detailnost jednotlivých vrstev.

V případě trysky vyvinuté podle koncepce č. 2 zatím byly provedeny jen dílčí testy funkčnosti. Testování vlastního tisku bude následovat po vyřešení problémů spojených s přesností výroby jednotlivých prvků čelisťového mechanismu.

Slicer je software, který dokáže na základě 3D modelu vygenerovat popis drah tiskové hlavy, nezbytný pro správné vytištění daného objektu na 3D tiskárně. Tisk probíhá postupným kladením vláken roztaveného plastu a dráhy pohybu tiskové hlavy jsou generovány pro konkrétní tloušťku vlákna, která souvisí s průměrem trysky, rychlostí pohybu trysky a rychlostí podávání materiálu. Existující slicery předpokládají v každé tiskové vrstvě konstantní tloušťku vlákna, což je pro trysku s proměnlivým průměrem nedostatečné řešení, které by nedokázalo plně využít všech možností nově vyvíjených trysek. Proto byl vytvořen slicer vlastní, který disponuje následujícími funkcemi:

• volba požadovaného průměru kladeného vlákna v různých místech modelu,
• generování drah s respektováním variabilního průměru vlákna.

Pro volbu průměru vlákna může existovat více různých kritérií, která lze i kombinovat. Základní možností je zvýšit rychlost tisku při zachování míry detailů. Díky měnitelnému průměru vlákna je totiž možné zároveň tisknout jemné detaily na povrchu modelu tenčím vláknem a rovné či méně tvarově náročné části povrchu vláknem hrubším. Rovněž výplně vrstev mohou být tvořeny tlustšími vlákny, což může vést k výrazné úspoře tiskového času. Algoritmus, využívající výše popsané možnosti, může být ve sliceru aplikován buď automaticky (na základě detekce složitosti detailů v jednotlivých částech vrstev), nebo ručně dle požadavků uživatele.

Druhou motivací pro využití proměnlivého průměru vlákna může být zlepšení mechanických vlastností výsledného výrobku. Orientace tiskových vrstev a způsob kladení vláken výplní mají výrazný vliv na odolnost výrobku při mechanickém namáhání [5][6]. Existuje velké množství standardně používaných vzorů výplní, které obvykle mají pravidelný tvar, rovnoměrně vyplňují vnitřní objem modelu a snaží se zajistit srovnatelnou pevnost ve všech směrech. Pokud však předem známe převažující charakter namáhání výrobku, je možné výplně generovat tak, aby pevnost byla co nejvyšší právě pro toto typické zatížení. Proměnlivá tloušťka vlákna může být přínosná například při plném vyplnění objemu, neboť umožní omezit počet přerušení výplňových křivek v úzkých místech.

Slicer pracující s proměnlivou šířkou vlákna vyžaduje i komplexnější algoritmy pro generování drah trysky. Jedná se například o algoritmus tvorby ekvidistantní křivky (při tvorbě křivek perimetrů), který musí být schopen pracovat s plynule proměnlivou vzdáleností zdrojové a cílové křivky.

Požadavky na komplexnost sliceru vzrůstají i při požadavku na tisk pomocí robotického ramene se šesti stupni volnosti. V takovém případě je možné při generování tiskových drah využít i orientační ústrojí robotu a měnit orientaci trysky vůči tiskové podložce. Tuto dodatečnou informaci standardní slicery neposkytují – předpokládají orientaci osy trysky vždy kolmou k tiskové podložce.

Je rovněž potřeba řešit inverzní úlohu kinematiky pro robot a kontrolovat, zda vygenerovaná trajektorie trysky bude robotem dosažitelná v rámci rozsahů jeho kloubů při vyhýbání se singulárním polohám a při eliminaci kolizí mezi tiskovou hlavou, robotem samým, tiskovou podložkou a již vytištěnou částí výrobku. Tyto kontroly je možné provést předem ve sliceru a například navrhnout vhodné umístění modelu na podložce vůči robotu.

Robotický 3D tisk s tryskou s měnitelným průměrem a pokročilými orientačními systémy přináší nové možnosti pro různé průmyslové aplikace. Tento systém kombinuje flexibilitu, rychlost a efektivitu a umožňuje výrobu složitých, personalizovaných nebo velkoformátových dílů s vysokou přesností. Toto řešení však přináší řadu problémů a výzev, ať už z pohledu konstrukce vlastních trysek s měnitelným průměrem, nebo z pohledu softwaru potřebného pro samotný 3D tisk. V současnosti probíhají práce na optimalizaci konstrukcí trysek, hlavně z pohledu jejich rozměrů a hmotnosti, což by mělo mít pozitivní efekt jak z hlediska rychlosti, tak z hlediska energetické náročnosti vlastního 3D tisku. Také dochází k rozšiřování funkcionality sliceru, aby bylo možné dosáhnout co nejlepších výsledků tisku, hlavně v případech tvarově složitých objektů. Dosavadní výsledky budou prezentovány na veletrhu Amper 2025 v Brně.

[1] 3D tisk, principy, technologie. Abc3d [online]. online: abc3d, 2018 [cit. 2022-11-19].
Dostupné zde.

[2] Gibson, I. – Rosen, D. W. – Stucker, B. (2015): Additive Manufacturing Technologies (2nd ed.). Springer.

[3] Sutradhar, A. – He, Q. (2021): „Optimization techniques for robotic 3D printing in construction.“ Automation in Construction.

[4] Vše o tryskách s různým průměrem. Prusa3d [online]. [cit. 2022-11-19].
Dostupné zde. 

[5] Tezel, T. – Kovan, V. (2022): „Determination of optimum production parameters for 3D printers based on nozzle diameter“, Rapid Prototyping Journal, Vol. 28 No. 1, pp. 185–194. 

[6] Juracka, D. – Kawulok, M. – Bujdos, D. – Krejsa, M.: „Influence of Size and Orientation of 3D Printed Fiber on Mechanical Properties under Bending Stress“, Periodica Polytechnica Civil Engineering, 66(4), pp. 1071–1076, 2022.