PK model

Technologie 3D tisku

Všechna zařízení na výrobu 3D modelů pracují na principu rozložení počítačového modelu do tenkých vrstev a jejich následném sestavení do reálného modelu v pracovním prostoru tiskárny. Na rozdíl od klasického obrábění se materiál neubírá, ale naopak je po vrstvách přidáván. Model je stavěn na základní desce, která po dokončení každé vrstvy poklesne dolů právě o tloušťku této vrstvy. Na základě přípravy výukového programu o technologiích 3D tisku, který jsme zpracovávali, uvádime stručný přehled technologií v oblasti 3D tisku, jejich výhody a nevýhody, popř. nejvhodnější oblast použití a výrobce:

SLS - Selective Laser Sintering, zapékání práškového materiálu laserovým paprskem, tloušťka vrstvy cca 0,1 mm, levný stavební materiál, v ceně modelu kompenzovaný vysokou pořizovací cenou stroje, oblast využití: neomezeno, ideální na subtilní vzdušné struktury - EOS, Německo, www.eos.info
SLA - stereolitografie, nejstarší technologie používaná od roku 1986, vytvrzování tekutého kompozitu laserovým paprskem, univerzální technologie - 3D Systems, USA, www.3dsystems.com
ZCORP - v tenké vrstvě nanesený prášek je spojován pojivem, které je vytlačováno z tiskových hlav (obdoba inkjetové tiskárny), je možné vyrobit i barevný 3D model, povrch není hladký, model je křehký a vyžaduje další povrchovou úpravu, oblast využití: hmotové modely bez požadavku na kvalitu povrchu a míru detailu, jediná technologie na výrobu barevných modelů - Zcorporation, USA, www.zcorp.com
LOM - Laminated Object Manufacturing, každá vrstva je vyříznuta z plastu a plošně přilepena k vrstvě předchozí, tloušťka vrstvy 0,165 mm, nejlevnější stavební materiál, model je po dokončení umístěn v kvádru materiálu o maximálních rozměrech 3D modelu (X x Y x Z), velké množství stavebního materiálu nevyužito (odpad), podpůrný materiál se odstraňuje mechanicky, nejkvalitnější povrch vodorovných ploch, oblast použití: hmotové modely, nevhodné pro velmi subtilní konstrukce, velmi kvalitní povrch a přesnost - Solido, Izrael, www.solido3d.com
FDM - Fused Deposition Modeling, nanášení roztaveného materiálu v tenké vrstvě, dva stavební materiály - modelovací a podpůrný, tloušťka vrstvy 0,25 mm, minimální odpad, hrubá struktura modelu - velká tloušťka vrstvy, nerovný povrch vodorovné vrstvy, podpůrný materiál se odstraňuje manuálně event. vodou, oblast využití: pevné, tvarově stálé mechanické modely bez požadavku na kvalitu povrchu, nevhodné pro subtilní konstrukce - Dimension, USA, www.dimensionprinting.com
FDM COLOR - nově i v barvě na zařízení HP Designjet 3D Color Printer
POLYJET MATRIX - tiskovými hlavami vytlačovaný fotopolymer je vytvrzován pomocí UV lampy, dva stavební materiály - modelovací a podpůrný, velmi kvalitní povrch modelů, tloušťka vrstvy 0,016 mm, podpůrný materiál se odstraňuje tlakovou vodou, omezená životnost stavebního materiálu cca 1 rok, několik typů stavebního materiálu, oblast využití: neomezeno, vhodné na modely s vysokou mírou detailu - Objet, Izrael, www.2objet.com
MULTI JET MODELING - termoplastický materiál - vosk - je vytlačován tiskovými hlavami, dva stavební materiály - modelovací a podpůrný - s různou teplorou tání, podpory se odstraní nahřátím modelu - 3D systems, USA, www.3dsystems.com
THERMOPLASTIC INKJET WITH MILLING - kombinace vytlačování termoplastického materiálu - vosku - s horizontálním frézováním, velmi přesná metoda stavby modelu vhodná pro odlévání metodou ztraceného modelu - Solidscape, USA, www.solid-scape.com
DIGITAL LIGHT PROJECTION - nejnovější technologie založená na nasvícení fotopolymeru UV projekcí modelového řezu, univerzální technologie, bezodpadová technologie, omezená životnost materiálu - EnvisionTEC, Německo, www.envisiontec.de

Přehled popř. hodnocení technologií v přehledu je subjektivní na základě naší práce s konkrétním zařízením, vyrobených vzorových modelů, přípravy videoklipů o technologiích popř. modelů, které jsme měli možnost vidět na veletrzích apod.

Pro výrobu hmotových modelů a modelových dílů pro výrobu architektonických modelů používáme 3D tiskárnu Solidimension SD 300 využívající technologii LOM. Zařízení má pracovní prostor 160 x 210 x 135 mm a zpracovává materiál PVC z role v zásobníku tiskárny, barva materiálu bílá, variantně černá nebo žlutá průhledná.

Princip stavby modelu v tiskárně SD 300

Tiskárna si odvine z role materiál na výrobu jedné vrstvy a pomocí lišty s tryskami rozprašujícími lepidlo přilepí pruh k základní desce. Vyřezávací nůž vyřeže do nalepené folie obrysy vrstvy modelu. Poté je maskovací tekutina pomocí speciálních per nanesena na plochu v místech, která nemají být součástí modelu (okolí). Základní deska klesne o 0,165 mm dolů. Tiskárna si odvine pruh materiálu a přilepí ho na stávající vrstvu a postup se opakuje. Díky systému maskování byl v okolí modelu účinek lepidla eliminován a po dokončení stavby je možné okolní materiál snadno odstranit.

Odpad je nesrovnatelně vyšší než u ostatních technologií, nutno však vzít v úvahu cenu cca 1000 Kč za kilogram stavebního materiálu (nejnižší cena ve srovnání s ostatními technologiemi). Při vhodném uspořádání modelů v pracovním prostoru tiskárny je možné využít cca 50 % stavebního materiálu pro stavbu modelu, zbytek skončí jako odpad, který posloužil jako podpora při stavbě modelu. Nejvyšší efektivity práce a využití stavebního materiálu (také i nejnižší výrobní náklady) je možné dosáhnout maximálním zaplněním prostoru o šířce 160 mm (= max. šířka modelu tj. maximální využití šíře role materiálu), délce do 210 mm (přizpůsobí se velikosti modelu) a minimální výšce (minimalizace počtu vrstev). Tímto způsobem docílíme nejlepšího poměru využití materiálu. Příkladem vhodné předlohy pro stavbu modelu na naší tiskárně je model vodárenské věže na Pankráci v galerii 3D printer. Model v měřítku 1:200 vysoký cca 20 cm byl pro stavbu horizontálně rozdělen na pět dílů, aby došlo k nejlepšímu využití pracovní plochy. Cena spotřebovaného materiálu 2300 Kč, doba stavby modelu 15 hodin. Nevhodným typem předlohy jsou modely typu lehkých příhradových prostorových konstrukcí. Pro takové modely jsou lepší technologie SLS nebo PolyJet.

Pravidla pro tvorbu 3D datového modelu

Tiskárny často mají problém se zpracováním STL souborů, které obsahují chyby, některé tiskárny takové soubory odmítnou zpracovat a vyžadují jejich opravu (Dimension). Nejčastějšími problémy jsou obrácené normály ploch a díry. K odstranění těchto chyb je nutné použít speciální programy např. Magics RP, popř. využít serveru firmy Materialise, kde za poplatek soubor opraví. Naše tiskárna je vybavena programem SDview, který je vůči většině chyb imunní. Pokud je v STL souboru díra (většinou mají velikost v řádu micrometrů), tak jí ignoruje. Pro výrobu bezchybného modelu je nutné dodržovat určitá pravidla, protože může nastat situace, že některé 3D soubory jsou chybně interpretovány. Dále popsané pokyny vychází z příkazů programu rhino a není možné je zobecňovat pro všechny 3D tiskárny:

modelovaný objekt vytvářejte příkazy pro tvorbu těles (definice tělesa, vytáhnutí nebo rotace plochy), tvarujte je pomocí příkazů sjednocení, průnik a rozdíl
po každé operaci stříhání (TRIM) použijte příkaz pro uzavření rovinných otvorů
pokud pracujete s plochami používejte příkaz pro jejich spojení (JOIN)
výsledkem by měl být datový soubor popisující jeho povrch, struktury uvnitř objektu (neviditelné, nadbytečné) odstraňte, netýká se požadovaných vnitřních dutin modelu

V případě dotazů nebo nejasností neváhejte a kontaktujte nás chalupa@pkmodel.cz.