3D tlač: ako funguje, kde stiahnuť predlohy a ako začať?

Základy 3D tlače – OBSAH

1. Ako funguje 3D tlačiareň?
2. Ako vybrať 3D tlačiareň: funkcie, parametre a značky
3. Čo všetko je na 3D tlač potrebné?
4. Čo možno na 3D tlačiarni vyrobiť a kde získať predlohy/modely?

Ako funguje 3D tlačiareň?

3D tlač je druh aditívnej (prídavnej) výroby, čo znamená, že na produkciu výrobkov dochádza postupným pridávaním materiálu. Tým sa líši ako od obrábacej a frézovacej CNC výroby, v ktorej ide naopak o uberanie materiálu, teda vyrezávanie výrobkov, tak od tvarovania materiálu pomocou foriem. Oba spomínané postupy sú síce veľmi rýchle a vo veľkovýrobe výhodné, vyžadujú ale zázemie, financie, odborných pracovníkov a mnoho prípravy. Než vôbec stihnete vytvoriť formu na odlievanie, môžete mať na 3D tlačiarni vytlačené, čo potrebujete. Keď príde na samotnú výrobu, je síce 3D tlač pomalšia, pretože ale môžete tlačiť prakticky ihneď, pre zákazkovú malovýrobu či domáce majstrovanie ide o ideálnu technológiu.

Rozlišujeme dve základné metódy tlače 3D objektov – FDM (FFF) a SLA. Oba princípy nájdete vysvetlené nižšie. Dôležité je, že podstatne rozšírenejšie a populárnejšie sú FDM tlačiarne. Začínajú na nižších cenovkách a umožňujú tlač z veľmi širokého množstva materiálov. SLA tlačiarne síce tieto prednosti nemajú, keď ale príde na presnosť tlače, schopnosť realizovať aj malé detaily a vytvoriť hladký povrch, nemôžu sa s nimi FDM tlačiarne merať. Pri pochopení toho, ako obe technológie tlače fungujú, je zrejmé prečo.

FDM (FFF) 3D tlač

Skratka FDM pochádza z anglického Fused Deposition Modeling, ide ale o ochrannú známku spoločnosti Stratasys, takže hoci sa v 3D tlačovej komunite hojne používa, na stránkach výrobcov ju zvyčajne nenájdete. Správny názov technológie je teda FFF (Fused Filament Fabrication), čo by sa dalo preložiť ako výroba taveným filamentov. A práve na tavenie a riadenú distribúciu filamentu, čo je struna tlačového materiálu, je táto technológia založená.

Samotná FFF 3D tlač prebieha nasledovne: do tlačiarne vstupuje tlačový materiál v podobe struny. Ten ich následne roztaví v tlačovej hlave (extruderi) dostatočne na to, aby mohol byť pretlačený cez trysku a po vrstvách transformovaný na tlačený výrobok. Práve na presnom tvorení tenkých vrstiev je 3D tlač založená. Tlačová hlava sa pohybuje nad tlačovou podložkou (bed) podľa inštrukcií vytvorených na základe 3D modelu a po vrstvách stavia výrobok odspodu nahor.

Tento spôsob tlače je presný, závisí ale od rozlíšenia trysky. Zároveň prináša niekoľko nežiaducich efektov, ako napríklad to, že tlačový materiál môže pri chladnutí meniť svoje vlastnosti a nečakane sa zraziť (maximálne v rade milimetrov). Preto bývajú tlačové podložky vyhrievané. Ich teplota sa rôzni v závislosti od konkrétneho hodvábu, zvyčajne sa ale pohybuje medzi 50 a 120 °C – chladnutie materiálu je vďaka tomu aspoň čiastočne kontrolovateľné. Teplota, pri ktorej sa materiál taví v tlačovej hlave, činí väčšinou 190 až 280 °C, pri bežných materiáloch potom maximálne 230 °C.

Výhody však pri FFF 3D tlači prevažujú. Základným plusom sú nízke ako obstarávacie aj prevádzkové náklady. Bežnú FFF 3D tlačiareň kúpite približne od dvoch stoviek eur, obmieňať pri nej musíte len minimum súčastí a máte na výber z mnohých tlačových materiálov rôznych farieb a vlastností. Môžete tlačiť predmety odolné, krehké, pevné, flexibilné, svietiace v tme, vodivé, imitujúce drevo aj ďalšie. A navyše je tlač na FFF tlačiarni rýchla – stačí pripraviť alebo stiahnuť model, vytvoriť z neho inštrukcie na tlačiareň a odoslať. Vďaka tomu sa hodí tento typ tlačiarní na výrobu prototypov aj pre všetkých, ktorí chcú mať z 3D tlačiarne praktické zariadenie na každodenné používanie.

SLA 3D tlač (stereolitografia)

3D tlač metódou SLA je založená na úplne inom princípe ako FFF. Síce ide taktiež o aditívny výrobný proces, už v ňom ale nehrá rolu filament tavený pri vysokých teplotách ani pohyblivá tlačová hlava opisujúca tvary výrobku. SLA 3D tlač je oveľa futuristickejšia: základom je postupné vytvrdzovanie fotoreaktívnej živice (anglicky resin), a to buď laserom, alebo diódami.

Proces začína naliatím tenkej vrstvy tekutej živice do nádoby, do ktorej je následne ponorená tiež tlačová platforma. Dno nádoby je potom zospodu riadene ožarované presným svetlom, čím dochádza k tvrdnutiu živice a jej prichyteniu k tlačovej platforme. Svetlo je pochopiteľne riadené tak, aby zasiahlo len miesta, ktoré majú tvoriť vrstvu výrobku. Keď je jedna vrstva hotová (plne stvrdnutá), zdvihne sa tlačová platforma o jej výšku a svetlo začne vytvárať novú vrstvu. Vrstvy majú výšku v rade desatín, alebo dokonca stotín milimetra. Počas celej doby je tlačený výrobok uchytený zvrchu, takže to v zrýchlených záberoch vyzerá, ako by bol z nádoby so živicou postupne vyťahovaný.

Aj SLA 3D tlačiarne sa medzi sebou líšia, a to najvýraznejšie typom svetla, ktoré používajú na ožarovanie živice. Základnými technológiami sú laser SLA, DLP SLA (Digital Light Processing) a MSLA (masková SLA). Laser SLA postupne ožaruje vrstvu jedným tenkým lúčom lasera, kvôli čomu je tento proces celkom zdĺhavý. DLP SLA využíva projektor, ktorým ožaruje celú vrstvu naraz, proces je teda už rýchlejší. Dnes je ale za najmodernejší považovaný princíp MSLA, ktorý funguje podobne ako DLP, namiesto projektora ale využíva LCD displej, často v kombinácii s UV diódami. Tie slúžia ako zdroj svetla a LCD ako maska, ktorá svetlo UV podsvietenia tvaruje tak, aby zodpovedalo vrstve, ktorá je práve tlačená.

Vďaka využívaniu svetla namiesto mechanických pohybov tlačovej hlavy sú SLA 3D tlačiarne výrazne presnejšie než FFF tlačiarne a z rovnakého dôvodu sú tiež schopné vytvárať objekty s veľmi hladkým povrchom. Pokiaľ teda máte v pláne často tlačiť veľmi detailné výrobky, možno je pre vás SLA technológia ako stvorená. Má ale aj svoje obmedzenia a tie sa spájajú najmä s fotoreaktívnou živicou. Tá sa nemôže rovnať filamentom na FFF tlač z hľadiska ceny, šírky ponuky ani materiálových vlastností. Či už potrebujete vyrobiť čokoľvek, ideálny filament nájdete takmer vždy. O živici sa to isté povedať nedá.

Ako vybrať 3D tlačiareň: funkcie, parametre a značky

Ak ste sa rozhodli kúpiť 3D tlačiareň, určite vás bude zaujímať, prečo sú niektoré modely drahšie ako iné aj ako sa líšia parametrami a funkciami. 3D tlačiareň možno kúpiť aj za nižšie obstarávacie hodnoty. Aby ste vedeli, či má zmysel investovať do drahšieho modelu, alebo vám bude stačiť nejaký základný, je dôležité sa orientovať aspoň v základných parametroch a funkciách. Čo teda pri výbere sledovať?

• Tlačová technológia: ako fungujú dve hlavné metódy 3D tlače, sme podrobnejšie vysvetľovali vyššie. Pokiaľ vyberáte svoju prvú tlačiareň, pravdepodobne bude lepšie siahnuť po univerzálnej technológii FDM/FFF.
• Rozmer tlačovej podložky (bed): tento parameter je úplne kľúčový, najmä ak chcete tlačiť väčšie výrobky. Zároveň ide o jeden z parametrov výrazne ovplyvňujúcich cenu 3D tlačiarne.
• Podporované materiály: 3D tlačiarne sú viac a menej univerzálne. Niektoré modely podporujú len určité materiály, iné zvládnu tlačiť takmer všetko. Predtým, než si 3D tlačiareň kúpite, popremýšľajte, z akých materiálov by ste chceli tlačiť. V rozhodovaní vám pomôže náš článok Podľa čoho a aký filament vybrať?. Najbežnejšími a najuniverzálnejšími sú vlákna ABS a PLA.
• Rýchlosť tlače: schopnosť 3D tlačiarne tlačiť rýchlo je bezpochyby dôležitá, hlavne keď potrebujete rýchlo vyrábať veľké množstvo hrubých prototypov. Vyššia rýchlosť tlače so sebou totiž nesie výrazný pokles kvality. Maximálna rýchlosť tlače teda nie je vždy najdôležitejším parametrom, aj tak je ale vhodné s ním počítať.
• Tlačové rozlíšenie: presnosť, s akou dokáže 3D tlačiareň tvoriť výrobky, je do značnej miery ovplyvnená tlačovým rozlíšením. Rozlíšenie delíme na horizontálne a vertikálne. Horizontálne je definované ako minimálna vzdialenosť, o akú sa dokáže posunúť tlačová hlava po osiach X a Y (pri SLA tlačiarňach ide o rozlíšenie projektovaného svetla). Vertikálne rozlíšenie je reprezentované minimálnou hrúbkou jednej vrstvy. FDM tlačiarne tlačia vrstvy s hrúbkou nižších jednotiek desatín milimetrov (až 0,2 mm), SLA v radoch nižších stotín (až 0,02 mm). Oveľa vyššie rozlíšenie je hlavným dôvodom, prečo SLA 3D tlačiarne tlačia presnejšie než FDM/FFF.
• Celková veľkosť tlačiarne: dôležitá je samozrejme aj celková veľkosť tlačiarne. Rozhoduje o tom, či ju môžete mať na kraji stola vedľa počítača, alebo či si budete musieť zriadiť samostatnú pracovnú plochu.
• Stavba: 3D tlačiarne možno niekedy zakúpiť v dvoch rôznych baleniach – ako „stavebnicu“ a ako hotový kus. A aj stavebnice sa niekedy rôznia – niektoré tlačiarne trvá zložiť hodinu, iné maximálne desiatky minút. Preto vždy dôkladne preskúmajte produktový popis, aby ste neboli pri rozbaľovaní prekvapení. A po vybalení si určite prečítajte návod 3D tlačiarne, zaobstarať si ju vo forme stavebnice nie je zlý nápad, pôjde o prvý test vášho nadšenia a trpezlivosti, pričom oboje budete pri 3D tlači aj naďalej potrebovať.

Na trhu s 3D tlačiarňami je celý rad výrobcov, krátko si preto niečo povieme o tých najvýznamnejších.

Prusa

Značka založená českým majstrom a vynálezcom Josefom Průšom získala svetový ohlas a dnes vyrába domáce tlačiarne, ktoré možno označiť za najlepšie 3D tlačiarne na svete. Všetky tlačiarne Prusa sú postavené ako open-source hardvér, čo znamená, že možno ich dizajn voľne dohľadať a stiahnuť z internetu, a pokiaľ vymyslíte nejaké vlastné vylepšenia, bude jeho realizácia pomerne jednoduchá. Avšak tlačiarne Prusa nepatria k najlacnejším a často je potrebné si na ne počkať, keďže dopyt výrazne prevyšuje ponuku. Ak ale chcete mať doma to, čo definuje dnešnú 3D tlač, investícia do niektorej z 3D tlačiarní Prusa sa rozhodne oplatí.

Creality

Pokiaľ nemáte na kúpu tlačiarne takto vysoký budget, chcete ale celkovo kvalitný vstupný model, najlepšie bude siahnuť po niektorej z tlačiarní Creality. Modely tejto značky získavajú v recenziách odborných magazínov skvelé hodnotenie spoločne s mnohými oceneniami. Ich hlavnou výhodou je nízka cena a tiež množstvo kusov skladom. Creality má relatívne vysokú produkciu, ktorá síce prebieha v Číne, zvláda ale uspokojovať dopyt, takže tieto 3D tlačiarne bývajú zvyčajne skladom. Ak teda chcete kvalitnú tlačiareň za prijateľnú cenu, modely Creality pre vás môžu byť to pravé.

Čo všetko je na 3D tlač potrebné?

Aj keď je nákup 3D tlačiarne najväčší a najdôležitejší krok na to, aby ste mohli začať tlačiť 3D výrobky, nie je jediný. Čo všetko teda na tlač na 3D tlačiarni potrebujete?

• 3D tlačiareň: že potrebujete na 3D tlač 3D tlačiareň, je jasné. Samotnému výberu tlačiarne sa venujeme v predchádzajúcich častiach článku.
• 3D modely: modely na 3D tlač musíte buď sami vytvoriť, alebo stiahnuť z internetu. Kde nájsť modely na stiahnutie, sa dočítate v poslednej kapitole tohto článku.
• Počítač: modely musíte získať (alebo vytvoriť) a pripraviť na 3D tlač, a to bez počítača nepôjde. Počítač je dôležitý tiež na aktualizovanie firmvéru tlačiarne a ďalšie úkony. Hardvér síce nemusí byť nijako zvlášť výkonný, starý počítač s menej ako 4 GB RAM ale príliš dobre neposlúži.
• Slicer (softvér na 3D tlač): keď máte 3D model v počítači, musíte z neho vytvoriť inštrukcie, ktorým rozumie 3D tlačiareň. A presne na to slúži softvér, ktorému sa hovorí slicer (krájač). To preto, že model pokrája na vrstvy, po ktorých bude tlačiareň výrobok stavať. Za slicer ale nie je potrebné nič platiť, výrobcovia tlačiarní ho ponúkajú na svojich webových stránkach voľne na stiahnutie.
• Filament: stavebný materiál FDM/FFF tlačiarní sa nazýva filament, čo je termoplast tvarovaný do strún, ktoré sa predávajú po cievkach. Dôležitý je jeho priemer, valná väčšina domácich tlačiarní ale tlačí s vláknami s hrúbkou 1,75 mm. Viac sa dozviete v našom článku o filamentoch na 3D tlač.
• Náradie: medzi činnosti, kvôli ktorým budete pri 3D tlači siahať na náradie, patrí okrem doťahovania súčasťou 3D tlačiarne napríklad aj situácia, kedy sa vám výrobok prichytí k tlačovej podložke tak silno, že nejde sňať rukou. Na takéto a ďalšie prípady je vhodné mať po ruke stierku, nože, pinzetu, skrutkovače a kľúče, kliešte, posuvné meradlo, svietidlo a brúsny papier.

Čo možno na 3D tlačiarni vyrobiť a kde získať predlohy/modely?

Než vymenovať, čo možno na 3D tlačiarni vyrobiť, je ľahšie vytvoriť zoznam toho, čo na nej vyrobiť nejde. Využitie 3D tlače obmedzuje len kreativita, trpezlivosť, technické zručnosti a fyzikálne zákony. Ľudia vyrábajú na 3D tlačiarňach hudobné nástroje, pomôcky do domácnosti, oblečenie, modely častí ľudského tela alebo zdravotnícky materiál. Čokoľvek vás napadne môžete sami navrhnúť a vyrobiť, pokiaľ na to máte dostatočné vedomosti. Na modelovanie môžete použiť zadarmo dostupný softvér SketchUp Free, FreeCAD alebo aj Blender a Maľovanie 3D, ktoré nájdete vo všetkých počítačoch s Windows 10.

Každý začiatočník ale iste ocení, že na internete existujú predlohy na stiahnutie zadarmo. Nemusíte nič modelovať, stačí si stiahnuť súbor vo formáte STL a pripraviť ho v sliceri na 3D tlač. Kde 3D modely nájsť? Na internete je celý rad webov s 3D modelmi zadarmo. Medzi najväčšie a najznámejšie patria tie nižšie uvedené.

Predlohy na 3D tlač na stiahnutie

• Thingiverse: najväčšia databáza zadarmo dostupných 3D modelov s veľmi aktívnou komunitou.
• Cults: databáza obsahujúca overené 3D modely zadarmo aj za poplatok. Vedľa komunitných výrobkov tu nájdete aj profesionálne návrhy.
• Pinshape: prehľadná databáza s väčšinou obsahu dostupnou na stiahnutie zadarmo.
• MyMiniFactory: obsiahla databáza modelov s overenou tlačiteľnosťou. Veľké množstvo modelov je dostupných zadarmo s možnosťou dobrovoľného príspevku autorovi.

Až si osvojíte ovládanie 3D tlačiarne a prácu s modelmi, otvoria sa vám dvere do sveta takmer neobmedzených možností. Sami si vyrobíte, čokoľvek vás napadne. Len to chce trpezlivosť, pretože ani chyby pri 3D tlači nie sú výnimočné.