3D TISK A TISKÁRNY
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>3D</strong> <strong>TISK</strong> A <strong>TISK</strong>ÁRNY – KVD/TO<br />
Západočeská univerzita v Plzni<br />
Milan Růžička<br />
ruzicka6@students.zcu.cz
Obsah<br />
1. Princip <strong>3D</strong> tisku ................................................................................................................... 2<br />
2. Historie <strong>3D</strong> tisku .................................................................................................................. 2<br />
3. Technologie <strong>3D</strong> tisku ........................................................................................................... 3<br />
3.1. SLA – Stereolitografie (Stereolitography).................................................................... 3<br />
3.2. SLS – Selektivní laserové spékání (Selective Laser Sintering) ...................................... 4<br />
3.3. FDM – Fused Deposition Modeling ............................................................................. 4<br />
3.4. EBM – Electronic Beam Melting .................................................................................. 5<br />
3.5. DMLS – přímé kovové laserové spékání (Direct Metal Laser Sintering)...................... 5<br />
3.6. LOM – Laminační <strong>3D</strong> systémy ...................................................................................... 5<br />
3.7. ZCORP .......................................................................................................................... 6<br />
3.8. POLYJET MATRIX .......................................................................................................... 6<br />
3.9. MULTI JET MODELING ................................................................................................. 6<br />
3.10. THERMOPLASTIC INKJET WITH MILLING.................................................................. 6<br />
4. Software .............................................................................................................................. 6<br />
5. Používané materiály ............................................................................................................ 6<br />
6. Využití <strong>3D</strong> tisku .................................................................................................................... 7<br />
6.1. Úspěchy v medicíně ..................................................................................................... 7<br />
7. Zájem o <strong>3D</strong> tisk v průběhu času .......................................................................................... 8<br />
7.1. Josef Průša ................................................................................................................... 8<br />
8. Použité zdroje ................................................................................................................... 10
2<br />
1. Princip <strong>3D</strong> tisku<br />
Jak už z názvu vyplývá, jedná se o trojrozměrný tisk hmatatelných předmětů.<br />
Proces je označován jako aditivní, což znamená, že se materiál přidává. Na rozdíl od<br />
obráběcích strojů, kde se z celistvého bloku, např. železa, materiál odebírá, až zbyde jen<br />
požadovaný tvar.<br />
Princip <strong>3D</strong> tisku je založen na rozložení tisknutého modelu do vrstev pomocí speciálního<br />
softwaru.<br />
Model vzniká na desce, která po nanesení materiálu pro každou vrstvu klesne dolů o tloušťku<br />
vrstvy, nebo tisková hlava tiskárny se o tloušťku vytisknuté vrstvy zvedne, záleží na dané<br />
technologii.<br />
2. Historie <strong>3D</strong> tisku<br />
<strong>3D</strong> tisk je často spojován s pojmem třetí průmyslová revoluce. Považuje se za největší posun<br />
v technologiích od vzniku internetu.<br />
S nástupem prvních počítačů se začalo experimentovat s vývojem strojů, které by dokázaly<br />
sestrojit model objektu z různých materiálů, pokud možno bez fyzického přičinění člověka.<br />
Nejznámějšími byly „tiskové plotry“, které však namísto pera kreslícího obraz na papír měli<br />
připevněn nůž na vyřezávání<br />
lepenkových plátů. Jednotlivé vrstvy se<br />
následně skládali na sebe, čímž vznikl<br />
trojrozměrný model. Makety tohoto<br />
druhu bylo možno využít zejména při<br />
analýze terénu v topografických<br />
studiích.<br />
Práh vývoje <strong>3D</strong> světa překročil Charles<br />
Hull, později zakladatel společnosti <strong>3D</strong><br />
Systems, který stojí za zrodem podoby<br />
dnešního trojrozměrného tisku. V roce<br />
1983 objevil vlastnosti fotopolymerů<br />
Obrázek 1: Charles Hull<br />
Milan Růžička | ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI
3<br />
využívaných v inkoustech běžných tiskáren. Během pokusů s nimi přišel na to, že po vystavení<br />
UV záření tekutý polymer ztuhne a vytvoří se tím tenká vrstva pevné hmoty. Soustředěním<br />
silného UV záření do každé vrstvy získával požadovanou podobu <strong>3D</strong> objektu. Tuto technologii<br />
si nechal v roce 1984 patentovat a nazval ji „Stereolitografie“. Ve spolupráci s <strong>3D</strong> Systems<br />
vytvořili funkční prototyp první skutečné <strong>3D</strong> tiskárny nazvané SLA-1 (StereoLitographic<br />
aparatus number 1). Nepřesnost a nedokonalost použitých materiálů způsobovaly ještě<br />
mnoho chyb a výsledky, které tento přístroj nabízel se nevyrovnaly kvalitě současného <strong>3D</strong><br />
tisku. Ale i navzdory těmto nedostatkům tento stroj dokázal během jedné noci vytvořit vysoce<br />
komplexní objekty.<br />
3. Technologie <strong>3D</strong> tisku<br />
SLA – Stereolitografie (Stereolitography)<br />
K vytváření jednotlivých vrstev objektu se využívá ultrafialového laserového paprsku, který<br />
vrstvu vykresluje na hladinu polymerové tekutiny, vytvrzované UV světlem. Po dokončení<br />
vrstvy se tištěný objekt ponoří<br />
do polymeru a začne tvorba<br />
další vrstvy. Po dokončení této<br />
fáze se přebytečná tekutina<br />
odstraní a z nádoby se vyjme<br />
finální výrobek. Výhody<br />
tohoto systému spočívají v<br />
přesnosti výroby. Nevýhodou<br />
stavby modelů je zejména<br />
nutnost vytvářet podpěry pod<br />
částmi objektu, aby se<br />
jednotlivé části nebortily. Tím<br />
vzniká i potřeba dodatečného<br />
ručního opracování modelu.<br />
Obrázek 2: Stereolitografie<br />
<strong>3D</strong> <strong>TISK</strong> A <strong>TISK</strong>ÁRNY – KVD/TO
4<br />
SLS – Selektivní laserové spékání (Selective Laser Sintering)<br />
Jako další přišla technologie selektivního laserového spékání. Ta byla vynalezena v polovině<br />
osmdesátých let doktorem Carlem Deckardem. Využívá vysoce výkonný laserový paprsek<br />
k tavení a spékání jemných zrnek tiskového materiálu do požadovaného tvaru. Tato<br />
technologie nabízí řadu výhod. Pro tisk lze použít široké spektrum komerčních materiálů,<br />
dodávaných v práškové formě – plasty, kov, či dokonce sklo. Vzhledem k tomu že tištěný<br />
objekt je v době tvorby trvale obklopen neroztaveným materiálem, není nutná tvorba<br />
přídavného podpůrného systému ani při tisku složitých objektů. Mezi nevýhody této<br />
technologie lze bezesporu zařadit vysokou energetickou náročnost, cenu zařízení díky<br />
použitému druhu laseru. Na obrázku můžete vidět schéma, jak technologie funguje.<br />
Obrázek 3: Selektivní laserové spékání<br />
FDM – Fused Deposition Modeling<br />
V dnešní době se jedná o nejhojněji využívanou technologii i v domácím prostředí. Princip není<br />
závratně složitý. Do tiskové hlavy je pod tlakem zaváděn tiskový materiál – termoplast. Tisková<br />
hlava materiál roztaví a vytlačuje jej ven tenkou tryskou. Celá soustava se pohybuje nad<br />
tiskovým stolem a z vytlačovaného materiálu se opět po jednotlivých vrstvách tvoří výsledný<br />
objekt. Tato technologie sice nenabízí kvalitu tisku jako při předešlých systémech, které jsem<br />
již zmínil, přesto si svou nízkou cenou získává stále více zájemců. Ceny takových tiskáren na<br />
našem trhu začínají na 7500 Kč a končí klidně i na 120 000 Kč. Cena se odvíjí od provedení,<br />
jestli je tiskárna robustní, nebo plastová, jak velkou má tiskovou plochu, jak rychle tiskne, jak<br />
silné dělá jednotlivé vrstvy apod.<br />
Milan Růžička | ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI
5<br />
Obrázek 4: Fused Deposition Modeling<br />
EBM – Electronic Beam Melting<br />
Tato technologie není pro svou náročnost příliš rozšířená. Pro tvorbu objektu používá<br />
usměrněný proud elektronů, vháněný do zpravidla titanového prachu. Nespornou výhodou<br />
této technologie je výjimečná přesnost a vynikající technické vlastnosti vytištěných objektů.<br />
Ceny strojů však dosahují závratných hodnot, neboť celý proces je třeba provádět bez<br />
přítomnosti vzduchu.<br />
DMLS – Přímé kovové laserové spékání (Direct Metal Laser Sintering)<br />
DMLS je způsob rychlé výroby kovových dílů, založený na tom, že energie laseru taví kovový<br />
materiál v podobě jemného prášku pouze v oblasti geometrie dílu. Tento proces umožňuje<br />
výrobu několika tvarově odlišných výrobků zároveň.<br />
LOM – Laminační <strong>3D</strong> systémy<br />
Technologie laminování se také v poslední době dostává do popředí zájmu. Principem tohoto<br />
druhu tisku <strong>3D</strong> objektů je laminování jednotlivých plátů materiálu na tištěný objekt a následné<br />
oříznutí přebývajícího materiálu buď mechanicky, nebo laserem. Nevýhodou je spousta<br />
odpadu, který vzniká ořezáváním. Průkopníkem v této oblasti je společnost SOLIDO. V nedávné<br />
době se také objevila zpráva o nové tiskárně společnosti MCOR, využívající pro tisk <strong>3D</strong> objektů<br />
<strong>3D</strong> <strong>TISK</strong> A <strong>TISK</strong>ÁRNY – KVD/TO
6<br />
v podstatě běžný kancelářský papír a lepidlo, pomocí kterého se vrstvy spojují dohromady.<br />
Cena výtisku by tak mohla být i nízká.<br />
ZCORP<br />
Z tiskové hlavy je vytlačováno pojivo, které spojuje práškový materiál, ten se nanáší v tenkých<br />
vrstvách, možno použít i barevný materiál, model je velmi křehký, jeho povrch není hladký<br />
a potřebuje další povrchovou úpravu.<br />
POLYJET MATRIX<br />
Z tiskové hlavy je vytlačován fotopolymer, který je následně vytvrzen pomocí UV lampy,<br />
využívají se dva druhy materiálů – stavební a podpůrný, výhodou je velká přesnost detailů.<br />
MULTI JET MODELING<br />
Opět jde o vytlačování materiálu (termoplastického vosku) z tiskové hlavy, používají se dva<br />
typy – stavební a podpůrný materiál – mají různou teplotu tání, podpůrný se tedy pak odstraní<br />
pomocí nahřátí modelu.<br />
THERMOPLASTIC INKJET WITH MILLING<br />
Tato technologie je kombinací vytlačování materiálu z tiskové hlavy a poté jeho frézováním<br />
v horizontálním směru, používá se termoplastický materiál (vosk), je to velmi přesná metoda.<br />
4. Software<br />
Tisk se provádí na základě <strong>3D</strong> datového modelu, který je uložen v souboru s příponou .STL.<br />
Takový datový model se rozloží do tenkých vrstev a následně dojde k sestavení reálného<br />
modelu v pracovním prostoru tiskárny. Mezi softwarem, který si rozumí s těmito soubory,<br />
nebo dokonce umožňuje vytvářet vlastní modely, bych určitě zmínil programy jako je Blender,<br />
nebo <strong>3D</strong> Builder, který je zdarma ke každému operačnímu systému Windows 10 a nebo určitě<br />
pro všechny známý AutoCAD, který je ovšem placený. Některé tiskárny jsou dokonce<br />
dodávané s vlastním jednoduchým softwarem.<br />
5. Používané materiály<br />
Materiály, které se používají k <strong>3D</strong> tisku jsou například ABS plast, který je rozšířený v průmyslu<br />
a používá se pro tuhé a houževnaté výrobky jako jsou automobilové nárazníky, kryty<br />
Milan Růžička | ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI
7<br />
elektroniky, LEGO kostky apod. Je zdravotně nezávadný, odolný vůči kyselinám a vysokým<br />
teplotám. Je to druhý nejvhodnější materiál pro <strong>3D</strong> tisk. Při výrobě větších objektů se mohou<br />
vyskytovat deformace vlivem chladnutí materiálu. ABS se vyrábí z fosilních paliv, není proto<br />
biologicky odbouratelný.<br />
PLA umělá hmota je ideální materiál pro <strong>3D</strong> tisk. Původní použití nachází v oblasti biomedicíny,<br />
na konci minulého století se začal používat v potravinářství při výrobě plastových obalů, folií<br />
nebo jednoúčelového nádobí. Během <strong>3D</strong> tisku velice rychle chladne, proto zamezuje zkroucení<br />
nebo deformaci hotového výrobku. Díky této vlastnosti se hodí pro výrobu geometricky<br />
složitých a komplikovaných dílů. PLA je šetrný k životnímu prostředí, protože je vyroben na<br />
bázi kukuřičného škrobu a je plně biologicky odbouratelný.<br />
Materiály jako jsou ABS a PLA jsou vhodné pro FDM technologii.<br />
Fotopolymer je hmota citlivá na světlo, tedy na UV záření a působením tohoto záření mění tak<br />
své skupenství na pevné. Tato vlastnost polymeru se využívá v technologii stereolitografie.<br />
Dalšími používanými materiály při <strong>3D</strong> tisku můžou být např. vosk a práškový materiál jako je<br />
kov, sádra či například i drcené sklo.<br />
6. Využití <strong>3D</strong> tisku<br />
<strong>3D</strong> tisk umožňuje tisk dílů, prototypů, slouží k představě o vzhledu výsledného dílu, který bude<br />
nasazen do stroje jako plnohodnotný díl.<br />
Má využití v mnoha oblastech průmyslu, architektury, umění, medicíny a školství.<br />
Úspěchy v medicíně<br />
• 1999: Vytvoření části orgánu potažené pacientovými vlastními buňkami způsobuje<br />
převrat v medicínském průmyslu a otevírá nové možnosti při transplantaci orgánů.<br />
• 2002: Byla vytištěna první miniaturní funkční ledvina, která byla úspěšně použita při<br />
transplantaci pro nemocné zvíře.<br />
• 2008: <strong>3D</strong> tisk proniká do protetiky – „vytištění“ komplexní protézy nohy skládající se<br />
z několika částí, která nepotřebuje následnou montáž.<br />
• 2009: Pomocí <strong>3D</strong> biotiskárny se společnosti Organovo daří vytisknout organické cévy<br />
použitelné při transplantaci pro lidského pacienta.<br />
<strong>3D</strong> <strong>TISK</strong> A <strong>TISK</strong>ÁRNY – KVD/TO
8<br />
• 2012: Lékaři v Nizozemsku si od společnosti LayerWise nechávají vytvořit novou spodní<br />
čelist pro 83 letou pacientku, kterou jí následně úspěšně implantují.<br />
7. Zájem o <strong>3D</strong> tisk v průběhu času<br />
Zájem o <strong>3D</strong> tiskárny a o samotný <strong>3D</strong> tisk začal rapidně stoupat až kolem roku 2010. Důvodem<br />
bylo uvolňování open-source licencí (volně dostupné pro jakékoli použití) na <strong>3D</strong> tiskárny. Mezi<br />
průkopníky v oblasti open-source tiskáren lze zařadit českého vývojáře <strong>3D</strong> tiskáren Josefa<br />
Průšu.<br />
Obrázek 5: Zájem v průběhu času o <strong>3D</strong> tisk a <strong>3D</strong> tiskárny<br />
Josef Průša<br />
Josef Průša je jedním z klíčových vývojářů <strong>3D</strong> tiskáren RepRap, které dnes patří k těm<br />
nejrozšířenějším na světě. Zkratka „RepRap“ znamená Replicating Rapid Prototyper. Česky<br />
zjednodušeně „Replikující se <strong>3D</strong> tiskárna“ – tiskárna je schopná vytisknout většinu svých<br />
komponentů. Celý projekt je do posledního šroubku a bitu firmwaru open source. Aktuálně<br />
(2012) jde o nejčastější typ <strong>3D</strong> tiskárny na světě využívající technologii FDM.<br />
Milan Růžička | ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI
9<br />
Obrázek 6: <strong>3D</strong> tiskárna typu RepRap<br />
<strong>3D</strong> <strong>TISK</strong> A <strong>TISK</strong>ÁRNY – KVD/TO
10<br />
8. Použité zdroje<br />
• Our Story. <strong>3D</strong> Systems, 3dsystems.com [online]. 2017 [cit. 2017-03-06]. Dostupné<br />
z: www.3dsystems.com/our-story<br />
• Historie <strong>3D</strong> tisku. Imanica, s. r. o., o3d.cz [online]. 2017 [cit. 2017-03-06]. Dostupné<br />
z: www.o3d.cz/3d-tisk/%C5%A1t%C3%ADtky/historie-3d-tisku/<br />
• Informace o technologiích <strong>3D</strong> tisku. 4ISP SPOL. S.R.O., easycnc.cz [online]. 2017 [cit.<br />
2017-03-06]. Dostupné z: www.easycnc.cz/inpage/informace-o-technologiich-3dtisku/<br />
• <strong>3D</strong> tisk. České vysoké učení technické v Praze, geo3.fsv.cvut.cz [online]. 2012 [cit.<br />
2017-03-06]. Dostupné z:<br />
http://geo3.fsv.cvut.cz/vyuka/kapr/sp/2012/noskyova_stefikova_vlk/index.html<br />
• FAQ – vysvětlení DMLS, SLS, SLM, EBM, Laser Cusing. Innomia a.s., innomia.cz<br />
[online]. 2012 [cit. 2017-03-06]. Dostupné z: www.innomia.cz/faq-vysvetleni-dmlssls-slm-ebm-laser-cusing<br />
• Josef Průša: Moje <strong>3D</strong> tiskárna je nejrozšířenější, CN Invest a.s., zive.cz [online]. 2012<br />
[cit. 2017-04-03]. Dostupné z: http://www.zive.cz/clanky/josef-prusa-moje-3dtiskarna-je-nejrozsirenejsi/sc-3-a-166385<br />
Milan Růžička | ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI
Change language