Jak funguje 3D tisk a vše, co o 3D tisku potřebujete vědět!

3D tiskárny zažívají v posledních letech nebývalý rozmach. Nalezly uplatnění v lékařství, automobilovém průmyslu i ve stavebnictví a architektuře. S 3D tiskárnami se můžeme čím dál častěji setkat také v domácnostech. Ale jak přesně funguje 3D tisk? V tomto článku se zaměříme na základní pojmy 3D tisku, různé metody tisku a uplatnění 3D tiskáren v praxi.

Co je 3D tisk?

Technologie 3D tisku umožňuje převádět trojrozměrné objekty z digitální podoby do reálného světa. Tento proces se nazývá aditivní výroba, což znamená, že k produkci výrobků dochází postupným přidáváním materiálu.

Tím se 3D tisk liší od obrábění a frézování, při nichž jde naopak o ubírání materiálu, tedy vyřezávání výrobků. 3D tiskárna postupně nanáší tenké vrstvy materiálu, které se skládají na sebe, dokud nevytvoří požadovaný tvar.

Počátky technologie 3D tisku spadají do druhé poloviny 20. století, kdy si Chuck Hull nechal patentovat technologii stereolitografie.

Koncem 90. let pak vynálezce pod hlavičkou jeho nové firmy 3D Systems vytvořil první zařízení tisknoucí v 3D formátu pro širokou veřejnost, tzv. stereolitografický aparát SLA-1.

Jak fungují 3D tiskárny?

Proces 3D tisku začíná vytvořením digitálního modelu objektu. Tento model může být vytvořen pomocí specializovaného softwaru pro 3D modelování nebo skenováním existujícího objektu.

Důležitým krokem je převod 3D modelu do formátu STL nebo OBJ, který je čitelný pro software ovládající tiskárnu. Software pro přípravu na tisk následně vezme STL nebo OBJ soubor a rozdělí navržený model na několik tenkých vrstev (tzv. slicing).

Každá vrstva je poté převedena na instrukce pro tiskárnu, nazývané G-kód. G-kód obsahuje detailní instrukce pro tiskárnu, například pohyb motorů a ovládání trysky.

Po vygenerování G-kódu je tento soubor odeslán 3D tiskárně. Tiskárna poté postupně tiskne objekt vrstvu po vrstvě, přičemž aplikuje materiál podle přesných instrukcí v G-kódu, dokud není celý objekt kompletně vytištěn.

Technologie 3D tisku

Existuje několik různých technologií 3D tisku, z nichž každá pracuje s různými materiály a má specifické vlastnosti. Mezi nejznámější patří:

Fused Deposition Modeling (FDM)

Fused Deposition Modeling (FDM) nebo také Fused Filament Fabrication (FFF), je nejrozšířenější metoda 3D tisku, která funguje na principu postupného nanášení roztaveného termoplastického materiálu (filament) v tenkých vrstvách.

Jedná se o cenově dostupnou technologii, která je vhodná pro vytváření prototypů, modelů a jednoduchých součástek. 3D tisk pomocí metody FDM začíná tím, že tisková hlava ohřeje plastový filament na bod tání.

Poté je roztavený plast vytlačován přes trysku a nanášen na tiskovou podložku v přesných vzorech podle digitálního modelu.

Pokud vám to pomůže FDM technologii pochopit, představte si, že váš model rozkrájíte na vrstvy jako bramboru na chipsy. Poté vezmete tavnou pistoli naplněnou roztaveným plastem a tou postupně nanášíte veškeré bramborové plátky na sebe až dokud nevytvoříte celou bramboru.

Stereolitografie (SLA)

SLA tiskárny využívají tekutou pryskyřici, která se tvrdí pomocí ultrafialového laserového paprsku. Tato technologie umožňuje vytváření složitých geometrií a vysoce detailních modelů, ale zároveň je velice nákladná.

Proces začíná nádrží naplněnou kapalnou pryskyřicí. Laser selektivně osvětluje hladinu polymerové pryskyřice, která následně ztvrdne, a vytvoří tak jednu vrstvu objektu.

Poté se tisková platforma posune o jednu vrstvu nahoru a proces se opakuje, dokud není celý objekt dokončený.

Tekutou pryskyřici si můžete představit jako želatinu, která ztuhne, když ji osvítíte UV světlem. Představte si svůj model jako želé, které rozkrájíte na tenké plátky. Poté pomocí UV baterky osvítíte každý želatinový plátek, který postupně tvrdne a přidává se k předchozím vrstvám, až vytvoří celý objekt.

Selective Laser Sintering (SLS)

SLS tiskárny používají práškový materiál, jako je nylon, kov nebo keramika, který selektivně tvarují pomocí laseru. Tisk začíná rovnoměrným nanesením tenké vrstvy prášku na tiskovou podložku.

Laser pak osvítí a roztaví částečky prášku v těch místech, kde má být materiál pevný. Po vytvrzení jedné vrstvy se přidá další vrstva prášku a proces se opakuje, dokud tiskárna nevytvoří celý objekt. K pochopení může opět přispět gastronomická metafora – představte si, že máte nádobu plnou mouky.

Svůj model rozdělíte na tenké vrstvy, jako jsou například vrstvy dortu. Poté si představte, že máte laser, kterým můžete mouku na některých místech spálit a roztavit do pevné formy. Každou vrstvu mouky postupně tvarujete laserem, dokud nevytvoříte celý dort.

Co je potřeba k 3D tisku?

Pokud chcete sami začít s 3D tiskem, budete potřebovat následující komponenty:

• Digitální 3D model objektu, který chcete vytisknout.
• 3D tiskárnu, která zpracovává digitální model a realizuje jeho fyzickou podobu pomocí tisknutí vrstvy po vrstvě. 3D tiskárnu pro domácí použití můžete pořídit už kolem 10 000 Kč.
• Tiskový materiál, který se liší v závislosti na typu tisku. Typicky se jedná o termoplasty jako je PLA nebo ABS, fotopolymerovou pryskyřici nebo kovový prášek.
• Software pro tvorbu a úpravu digitálních 3D modelů pro tisk. Nejjednodušší je vymodelování 3D modelu v tzv. CAD softwaru, což ale vyžaduje znalost daného softwaru. Model můžete získat i pomocí 3D skeneru, který umožňuje naskenovat danou věc v reálném světě a převést jí do digitální podoby. Ta ale obsahuje chyby, a proto se poté ještě musí upravit v CAD softwaru. V posledních letech si na internetu můžete stáhnout nebo koupit mnoho různých hotových 3D modelů.

Využití 3D tisku

1. Průmysl

Jednou z největších výhod 3D tisku je schopnost rychle vytvářet prototypy, které umožňují inženýrům rychle a poměrně levně realizovat své návrhy, testovat je a provádět úpravy.

Prototypy z 3D tiskáren se hojně využívají například v leteckém a automobilovém průmyslu k testování nových modelů a dílů. Technologie 3D tisku umožňuje také výrobu přesných kopií nedostupných náhradních dílů pro starší modely automobilů.

2. Zdravotnictví

Využití 3D tisku má obrovský potenciál také ve zdravotnictví.

Už nyní se používá například pro výrobu individuálně přizpůsobených protéz, dentálních implantátů nebo modelů orgánů, které slouží jako nástroj pro chirurgické plánování.

3. Stavebnictví

Architekti mohou využít 3D tisk k tvorbě přesných modelů budov, což jim umožňuje detailnější vizualizaci návrhů a usnadňuje komunikaci s klienty a investory.

Modely jsou často detailní a mohou obsahovat komplexní prvky, které by byly obtížně realizovatelné pomocí ručního modelování.

3D tisk se však začíná využívat také ve stavebním průmyslu, například při tisku betonových konstrukcí nebo prefabrikovaných součástí jako jsou stěnové panely nebo sloupy a nosníky.

Po celém světě rostou také obytné 3D domy, a NASA nedávno dokonce oznámila 3D tisk základny na Mars.

Zdroje: 3Dtisk.pro, Josef Průša