3D tisk pro začátečníky: Jak začít s technologií FDM

Začít s 3D tiskem nemusí být obtížné. Podívejte se na našeho jednoduchého průvodce 3D tiskem pro začátečníky!

Co se myslí, když se řekne „3D tisk“? Média, zejména mainstreamový marketing, vykreslují 3D tisk jako magickou technologii budoucnosti, která dokáže replikovat složité předměty. Proto je však těžké určit, co přesně 3D tisk technicky vzato je. V praxi existuje mnoho různých technologií 3D tisku, ale nejrozšířenější je fúzní depoziční modelování (FDM), na které se zaměřuje tento článek.

Technologie FDM pracuje s termoplastickým vláknem, což je v podstatě plastový provazec, který lze roztavit, selektivně nanést a ochladit. To se opakuje vrstvu po vrstvě, dokud není vytvořen celý model.

Tuto technologii vytvořili lidé, kteří chtěli rychle vytvářet prototypy dílů. I dnes je rychlá výroba prototypů jednou z největších výhod FDM a 3D tisku obecně. Není divu, že se 3D tisk stal také silným výrobním řešením.

Než se pustíme do podrobností o tom, jak FDM funguje, je třeba zmínit ještě jednu věc. Pokud jste si již o 3D tisku něco zjistili, možná jste si všimli, že některé zdroje používají místo termínu „FDM“ termín „FFF“, což je zkratka pro „fused filament fabrication“. Je to proto, že termín FDM byl původně chráněn ochrannou známkou společnosti Stratasys a druhá zkratka je obecnější termín. Nezapomeňte, že jde o stejnou technologii, jen názvy se liší. Dnes většina lidí (včetně nás!) používá „FDM“.

A teď už opravdu začneme!

Jak to funguje

Nejjednodušší způsob, jak pochopit, jak FDM funguje, je nejprve se seznámit s jednotlivými částmi 3D tiskárny. Než si však povíme něco o konkrétních dílech, je třeba zmínit, že většina 3D tiskáren používá tři osy: Osy X, Y a Z. Osy X a Y jsou zodpovědné za pohyb doleva, doprava, dopředu a dozadu, zatímco osa Z se stará o vertikální pohyb.

Podívejme se nyní na hlavní součásti 3D tiskárny:

• Sestavovací platforma: Sestavovací platforma (nazývaná také tiskové lože) je v podstatě povrch, na kterém se vyrábějí díly. Sestavovací platformy obvykle obsahují vyhřívané lůžko, aby se na ně díly snáze přichytily, ale o tom až později.
• Extruder: Extruder je součástka, která je zodpovědná za protahování a protlačování filamentu tiskovou hlavou. V závislosti na nastavení extrudéru (přímý nebo Bowdenův) se někdy extrudér a tisková hlava považují za totéž (tj. blok, který se pohybuje po portálu nebo portálech). Často se tak děje, když se uvažuje nebo diskutuje o celých sestavách extrudéru a horkého konce. Z tohoto pohledu se extrudér skládá ze dvou dílčích komponent:
  • Studený konec je mechanická část, která se skládá z motoru, hnacích ozubených kol a dalších malých součástí, které tlačí a táhnou vlákno. Bez ohledu na konvence pojmenování se extrudér vždy skládá alespoň ze studeného konce.
  • Horký konec obsahuje ohřívač a trysku, kde první z nich ohřívá filament, aby mohl být z druhého vytlačován. V případě Bowdenovy sestavy se horký konec nikdy nepovažuje za součást extrudéru.
• Tisková hlava (hlavy): Tiskárna může mít jednu nebo více tiskových hlav, většina tiskáren má však pouze jednu.
  • Na tiskové hlavě, mezi horkým a studeným koncem, je chladič a ventilátor, které jsou nezbytné pro udržení studeného konce v chladu, aby se zabránilo zasekávání.
  • Kromě ventilátoru s chladičem je zde obvykle alespoň jeden další ventilátor pro chlazení roztaveného vlákna po výstupu z horkého konce. Ten se obvykle nazývá ventilátor chlazení dílu.
• Ovládací rozhraní: Některé moderní 3D tiskárny mají dotykový displej, který slouží k ovládání 3D tiskárny. U starších tiskáren může být místo dotykového rozhraní přítomen jednoduchý LCD displej s fyzickým rolovacím a klikacím kolečkem. V závislosti na modelu může být přítomen také slot pro kartu SD a port USB.

Jak tiskne 3D tiskárna

Proces začíná odesláním souboru 3D modelu do tiskárny. Soubor obsahuje sadu pokynů pro všechny činnosti, včetně toho, při jaké teplotě udržovat trysku a stavební plošinu a jak pohybovat tryskou a kolik filamentu vytlačit.

Po spuštění tiskové úlohy se tryska zahřeje. Jakmile tryska dosáhne teploty potřebné k roztavení filamentu, extrudér vtlačí filament do horkého konce. V tomto okamžiku je tiskárna připravena zahájit 3D tisk dílu. Tisková hlava se spustí a začne nanášet roztavený filament, přičemž vytlačí první vrstvu mezi tryskou a konstrukčním povrchem. Krátce po výstupu z trysky se materiál ochladí a začne tvrdnout díky ventilátoru (nebo ventilátorům) chlazení dílu. Po dokončení vrstvy se tisková hlava posune o malý kousek nahoru podél osy Z a proces se opakuje, dokud není díl dokončen.

Získávání a navrhování 3D modelů

Pokud chcete 3D tisknout nějaký díl, musíte mít samozřejmě jeho 3D model. 3D modely se vytvářejí pomocí 3D modelovacího softwaru, například softwaru CAD (computer-aided design). Zde je několik příkladů oblíbených programů pro 3D modelování:

• Fusion 360 (zdarma pro nekomerční použití CAD)
• SolidWorks (placený CAD)
• Blender (volný modelář povrchů a organických materiálů)

Většina začátečníků v oblasti 3D tisku však nemá dovednosti potřebné k používání takového softwaru. V takovém případě si nedělejte starosti, protože existují i jiná řešení.

Pro začátek existují jednodušší možnosti softwaru CAD, jako je Tinkercad, program, který může používat téměř každý bez jakýchkoli předchozích zkušeností. Jedná se o online aplikaci navrženou společností Autodesk, jedním z předních tvůrců softwaru CAD v oboru.

Stahování souborů

Vzhledem k tomu, že v posledních letech získalo mnoho lidí přístup k 3D tiskárnám, vznikla řada webů jako úložiště 3D modelů. Zde jsou některé z nejoblíbenějších:

• Thingiverse (vše zdarma)
• Kulty (bezplatné i placené)
• Printables (všechny zdarma)
• MyMiniFactory (mnohé zdarma a některé placené)
• CGTrader (několik bezplatných a většina placených)

Takto si může model pořídit kdokoli – není třeba žádných modelářských dovedností!

Příprava modelů

Jakmile je model dokončen v softwaru pro 3D návrh, je třeba jej ještě připravit pomocí speciálního softwaru, který model převede do skriptu strojních pokynů, o němž jsme se zmínili dříve. K tomu slouží software pro krájení, označovaný také jako slicer. Po importu 3D modelu do sliceru můžete upravit nastavení tak, aby vyhovovalo vašim požadavkům. Pomocí sliceru můžete nastavit mnoho důležitých parametrů, například rychlost a teplotu tisku, tloušťku stěny, procento výplně, výšku vrstvy a mnoho dalších.

Výsledný soubor se skládá z G-kódu, „jazyka“ 3D tiskáren a CNC strojů. G-kód je v podstatě dlouhý seznam instrukcí, podle kterých 3D tiskárna sestaví váš model. Jinými slovy, 3D tisk není možný bez souborů G-kódu!

Podpěry

Jednou z hlavních funkcí sliceru je analyzovat model a určit, zda je třeba generovat podpůrný materiál. Podpěry jsou potřeba zejména u dílů s velkými převisy. Kráječ vám umožňuje zvolit, kam podepření umístit a jak husté má být. Některé slicery dokonce nabízejí uživatelům možnost zvolit si různé typy podpěrných konstrukcí, které se mohou snadněji odstraňovat nebo jsou stabilnější.

Výplň

Dalším nastavením, které má velký vliv na 3D výtisky, je výplň. Výplň označuje vnitřní výplň uvnitř dílu a hraje významnou roli v pevnosti, hmotnosti a době tisku dílu. Výplň můžete upravit pomocí dvou nastavení v řezáku, a to vzoru výplně a hustoty.

Hustota výplně udává, jak je vnitřek tisku zaplněn, a je definována v procentech. Tisk s 0 % výplně je dutý, zatímco 100 % výplně znamená, že je zcela plný. Pro většinu standardních výtisků se doporučuje hustota výplně 15-50 %. Pokud potřebujete, aby byl váš díl pevnější, zkuste výplň zvýšit. Mějte na paměti, že vyšší hustota výplně vyžaduje více filamentu a delší dobu tisku.

Můžete si také vybrat vzor výplně pro tisk. Pro modely a figurky jsou v programu Cura nejlepší vzory blesků, čar a klikatých čar, protože vedou k rychlejšímu tisku. Standardní výtisky, jako jsou hrnce a nádoby, budou nejlépe fungovat s mřížkou a trojúhelníkem. A pokud tisknete něco, co vyžaduje pevnost, jako je držák na poličku, jsou vhodné vzory krychle, gyroid a oktet.

Příprava tiskárny

Po rozřezání modelu je třeba provést několik kroků, než je 3D tiskárna připravena k tisku:

1. Načítání vlákna: Před zahájením tisku musí být extrudér připraven k vytlačování filamentu. Proces vkládání začíná zahřátím horkého konce na teplotu roztaveného filamentu (obvykle nad 175 °C, v závislosti na filamentu) a následným vložením filamentu do zahřátého extrudéru. Tiskárna má často předkonfigurované operace, které vám s tímto procesem pomohou.
2. Vyrovnání lůžka: Aby tiskárna přesně nanesla filament a vytvořila objekt, musí být stavěcí plošina rovná. V závislosti na stroji může být nivelace buď ruční, nebo automatická. Vyrovnání lože je velmi důležité, protože pokud je tiskové lože příliš daleko od trysky, první a nejdůležitější vrstva k loži nepřilne, což způsobí automatické selhání tisku.

Materiály

Jak jsme již zmínili, 3D tiskárny FDM používají jako materiál pro výrobu dílů cívky s vlákny. Tato vlákna jsou v podstatě speciálně upravené termoplasty, které lze roztavit a ochladit, a přitom si zachovat strukturální integritu.

Vlákna pro 3D tisk se obvykle dodávají ve dvou různých průměrech: 1,75 mm a 3 mm (nebo 2,85 mm). Kromě průměru se vlákna dodávají také v různých velikostech cívek. Letmý pohled na trh ukazuje, že nejběžnější velikosti jsou 500 g, 750 g, 1 kg, 2 kg a 3 kg.

Jednou z nejlepších vlastností 3D tiskáren FDM je, že mohou pracovat s různými typy vláken. Zde jsou jen některé z různých typů filamentů, které se používají při 3D tisku FDM:

• Nejčastěji se setkáte s PLA, ABS a PETG. Ty bývají levnější a relativně snadno se s nimi pracuje.
• Některé speciální druhy vláken jsou pružné (TPU, TPE), nylonové, plněné ( dřevem, kovem atd.) a polykarbonátové (PC).
• Pokud je tiskárna schopna vytlačovat více materiálů, můžete použít PVA nebo HIPS jako rozpustné nosiče.

Vlákna pro FDM patří také k nejlevnějším materiálům používaným ve světě 3D tisku.

Podívejte se na našeho průvodce filamenty a seznamte se s nejoblíbenějšími typy filamentů pro 3D tisk. Probereme v něm jejich použití, vlastnosti a místa, kde je můžete koupit.

Odstranění podpěr a finální úpravy

Je posledním krokem procesu 3D tisku. V závislosti na vašich požadavcích můžete provést některé z následujících běžných dokončovacích kroků:

• Odstranění podpěr: Po tisku budete pravděpodobně chtít odstranit všechny cizí podpůrné materiály. Není neobvyklé, že na povrchu dílu zůstanou nějaké stopy.
• Broušení: Odstraňování vad, například těch, které zůstaly po odstranění podpůrného materiálu, je úkolem broušení. Lehkým broušením 3D tištěných dílů lze dosáhnout hladšího povrchu.
• Malování: Často budete tisknout v jedné barvě. Chcete-li přidat požadované barvy, detaily nebo ochranu, můžete model pomalovat!
• Leštění nebo vyhlazování: Epoxidový povlak je také jedním ze způsobů, jak vyhladit povrch tištěného dílu. Některá vlákna, například ABS, se obzvláště dobře hodí k dosažení hladkého a lesklého povrchu pomocí specifických postupů, jako je vyhlazování párou.
• Svařování nebo lepení: Pokud chcete vytisknout velký 3D model, který se nevejde do stavebního objemu tiskárny, můžete díl vytisknout na dva (nebo více) kusů a později je slepit.

Tipy pro řešení problémů

Toto jsou některé z nejčastějších problémů, na které mohou začátečníci narazit, když začínají s 3D tiskem.

• Deformace: K tomu často dochází, když se nanesený materiál ochladí, (mírně) smrští a táhne za spodní vrstvy, což způsobí jejich odlepení od konstrukční desky.
• Navlékání: Tenká, nežádoucí vlákna na modelu mohou být způsobena nesprávným seřízením, teplotou nebo nastavením zatahování. Některá vlákna jsou také náchylnější k navlékání.
• Tryska se zasekne: Ucpaná tryska je jedním z nejvíce obtěžujících problémů 3D tiskáren FDM. Pokud z tiskové hlavy slyšíte podivný zvuk a všimnete si, že filament nevychází z trysky (nebo vytlačuje slabě), pravděpodobně máte ucpanou trysku. Příčinou může být mimo jiné špatná kvalita filamentu, špatná regulace teploty nebo typ filamentu.
• Posouvání vrstev: To může být způsobeno mírným kolísáním v ose Z nebo příliš vysokou rychlostí tisku.
• Nedostatečné vytlačování: K nedostatečnému vytlačování dochází, když se během tisku nevytlačí dostatečné množství filamentu. To poznáte podle toho, že se jedná o výtisk s mezerami mezi vrstvami.
• Nadměrné vytlačování: Nadměrná extruze je opačný problém: vytlačuje se příliš mnoho vlákna. To má za následek opadávání vrstev, bubliny, pupínky a celkově špatné výsledky.

Udržování pořádku

3D tiskárny, stejně jako každý jiný nástroj, vyžadují pravidelnou údržbu, aby mohly fungovat.

• Čištění lůžka: Po tisku je vždy dobré otřít tiskové lůžko. V případě, že na tiskovém lůžku zůstaly nějaké silnější stopy nebo je na něm lepidlo, neváhejte použít kuchyňskou houbičku, mýdlo a teplou vodu a zkuste se ho zbavit. Hodit se mohou také pravítka a špachtle. Pokud jsou k dispozici, nezapomeňte se řídit všemi pokyny výrobce tiskárny.
• Čištění trysek: Před zahájením tisku trysku jednoduše vyčistěte kartáčkem nebo hadříkem. Tím zajistíte, že na ní neuvízne žádné pevné vlákno, které by mohlo způsobit potíže při budoucích výtiscích. Někdy však může být potřeba udělat něco závažnějšího.
• Sbírka zatoulaných vláken: Většina tiskáren před začátkem první vrstvy „nakape“ malé množství filamentu, aby se extrudér naplnil, ale tím zůstane vlákno unášené v oblasti sestavování. Ty posbírejte a vyhoďte, abyste se vždy ujistili, že je plošina čistá.

Skladování filamentu

Skladování filamentu je důležitým aspektem 3D tisku. Jeho správné skladování to důležité, protože pokud cívky zůstanou nějakou dobu ležet například na stole, usazuje se v nich prach a vlhkost, které by mohly potenciálně změnit vlastnosti filamentu.

Na trhu je spousta nádob na filamenty a vakuových sáčků na filamenty. Ty zabraňují zaprášení a navlhnutí filamentů.

Někdy se používají také sušičky vláken. Tato zařízení udržují vlákna zdravá nebo je činí zdravějšími tím, že odčerpávají veškerou absorbovanou vlhkost.