Průvodce klíčovými technologiemi 3D tisku

Od teorie k praxi

V minulém díle jsme odhalili, co je 3D tisk a proč je aditivní výroba tak revoluční. Nyní, když známe základní princip „přidávání materiálu“, je čas podívat se na to, jak to celé funguje v praxi. Pod pojmem „3D tisk“ se totiž skrývá celá rodina různých technologií, z nichž každá má své specifické výhody a ideální použití. Pojďme se seznámit s těmi nejdůležitějšími.

Jak funguje 3D tisk

Pod pojmem „3D tisk“ se skrývá celá rodina různých technologií, z nichž každá má své specifické výhody, nevýhody a ideální použití. Neexistuje jedna univerzální metoda, která by byla nejlepší na vše; spíše se jedná o sadu nástrojů, z nichž je třeba vybrat ten správný pro daný úkol. Podívejme se na ty nejdůležitější.

Fused Deposition Modeling (FDM/FFF): Král desktopového tisku

Toto je bezesporu nejrozšířenější a nejznámější technologie 3D tisku, zejména v segmentu pro domácnosti a hobby uživatele. Princip je snadno pochopitelný: plastová struna, nazývaná filament, je odvíjena z cívky a vtlačována do tiskové hlavy. Uvnitř hlavy se nachází topné tělísko (hotend), které filament roztaví na polotekutou konzistenci. Tento roztavený plast je následně vytlačován tenkou tryskou na vyhřívanou tiskovou podložku, kde vrstvu po vrstvě vykresluje průřez modelu. Po nanesení jedné vrstvy se podložka nebo tisková hlava posune a proces se opakuje, dokud není celý objekt dokončen.

Termíny FDM a FFF (Fused Filament Fabrication) označují v podstatě stejný proces. FDM je však registrovaná ochranná známka společnosti Stratasys, která tuto technologii v 80. letech vynalezla. Komunita a ostatní výrobci proto používají otevřený termín FFF.

Pro tisk složitějších tvarů s převisy (částmi, které visí ve vzduchu) je nutné generovat tzv. podpory. Jedná se o dočasné struktury, které se tisknou spolu s modelem a poskytují mu oporu. Po dokončení tisku se tyto podpory mechanicky odstraní – odlomí nebo odříznou.

• Výhody: Cenová dostupnost tiskáren i materiálů, široká škála použitelných plastů, jednoduchost a relativní rychlost pro méně složité objekty.
• Nevýhody: Viditelné vrstvy na povrchu výtisku, nižší rozlišení a přesnost detailů ve srovnání s jinými technologiemi, nutnost odstraňování podpor.

Stereolithography (SLA): Preciznost a detail

Tato rodina technologií představuje původní formu 3D tisku a je synonymem pro vysokou přesnost a hladký povrch. Místo plastové struny se zde jako stavební materiál používá tekutá, světlocitlivá pryskyřice (fotopolymer), která je uložena v průhledné vaničce. Zdroj UV světla pak selektivně vytvrzuje pryskyřici v požadovaných místech a vytváří tak pevnou vrstvu modelu.

Existuje několik variant této technologie, které se liší především zdrojem světla:

• SLA (Stereolithography): Využívá UV laserový paprsek, který je pomocí zrcadel precizně směrován a postupně „vykresluje“ každou vrstvu. Je to velmi přesná metoda, ale rychlost tisku závisí na složitosti dané vrstvy.
• DLP (Digital Light Processing): Místo laseru používá digitální projektor, který osvítí a vytvrdí celou vrstvu najednou. Díky tomu je tato metoda obvykle výrazně rychlejší než laserová SLA, protože čas na jednu vrstvu je konstantní bez ohledu na její obsah.
• MSLA (Masked Stereolithography) / LCD: Tato technologie, která zpopularizovala resinový tisk pro domácí použití, využívá pole UV LED diod jako zdroj světla. Mezi LED diodami a vaničkou s pryskyřicí je umístěn LCD displej, který funguje jako maska – propouští světlo pouze v místech, kde má dojít k vytvrzení. Je to cenově efektivní a rychlá metoda.

Důležité je si uvědomit, že proces zde nekončí vyjmutím modelu z tiskárny. Výtisk je pokrytý nevytvrzenou pryskyřicí, a proto musí projít post-processingem: nejprve se omyje v rozpouštědle (obvykle v isopropylalkoholu – IPA) a následně se finálně vytvrdí v UV komoře. Pryskyřice jsou navíc toxické chemikálie, takže při manipulaci s nimi je naprosto nezbytné používat ochranné pomůcky, jako jsou nitrilové rukavice a brýle, a pracovat v dobře větraném prostoru.

• Výhody: Mimořádná úroveň detailů, dokonale hladký povrch, ideální pro miniatury, šperky a prototypy s jemnými prvky.
• Nevýhody: Vyšší cena materiálů, nutnost složitějšího a špinavějšího post-processingu, bezpečnostní rizika spojená s chemikáliemi, obvykle menší tiskový objem.

Průmyslové technologie: Síla prášku

Tyto technologie jsou páteří profesionální a průmyslové aditivní výroby a umožňují tisk vysoce funkčních a odolných dílů.

• Selective Laser Sintering (SLS): Tato metoda využívá vysoce výkonný laser, který postupně spéká (sinteruje) tenké vrstvy jemného práškového plastu, nejčastěji nylonu. Zásadní výhodou SLS je, že model nepotřebuje žádné tištěné podpory. Během tisku je totiž plně obklopen a podepřen volným, nespečeným práškem. To umožňuje tisk extrémně složitých geometrií a volně pohyblivých sestav v jednom kroku.
• Direct Metal Laser Sintering (DMLS) / Selective Laser Melting (SLM): Princip je velmi podobný SLS, ale místo plastového prášku se používá prášek kovový (např. titan, hliník, nerezová ocel). Laser zde materiál plně roztaví, čímž vznikají husté a pevné kovové díly srovnatelné s těmi vyrobenými tradičním obráběním.

Další průmyslové metody: Svět aditivní výroby je ještě širší a zahrnuje technologie jako Binder Jetting, kde tisková hlava nanáší pojivo na vrstvu prášku (kovového, pískového nebo keramického), nebo Material Jetting, která funguje podobně jako inkoustová tiskárna, ale místo inkoustu nanáší kapky fotopolymeru, které jsou okamžitě vytvrzeny UV světlem. Společnost Stratasys také vyvinula technologii SAF (Selective Absorption Fusion), která využívá infračervenou lampu k tavení prášku, na který byla nanesena absorpční kapalina.

Funguje to

Seznámili jsme se s klíčovými technologiemi, které pohánějí svět 3D tisku. Od cenově dostupných FDM tiskáren pro každého, přes precizní SLA tiskárny pro dokonalé detaily, až po průmyslové giganty využívající sílu prášku. Každá metoda má své místo a účel. Teď už víte, jak tiskárny fungují, ale co je potřeba k tomu, abyste si sami něco vytiskli?

V příštím článku vás provedeme kompletním procesem od A do Z: ukážeme si, kde získat 3D model, jak ho připravit pro tisk a jaké vybavení budete potřebovat.