Datum: 28. 8. 2013 Registrační číslo: CZ.1.07/1.5.00/34.1013 Číslo

Datum: 28. 8. 2013
Registrační číslo: CZ.1.07/1.5.00/34.1013
Číslo DUM: VY_32_INOVACE_646
Škola: Akademie - VOŠ, Gymn. a SOŠUP Světlá nad Sázavou
Jméno autora: Ing. Michal Hošek
Název sady: Používání víceuživatelských počítačových systémů pro
Název práce: Úvod do problematiky 3D tisku (prezentace)
Předmět: Modelování 3D, Informatika
Ročník: I. - IV.
Obor: 82-41-M/* (Výtvarné obory)
Časová dotace: 45 minut
Vzdělávací cíl: Cílem je seznámit žáka s technologií 3D tisku jak v rovině obecné, tak vzhledem
ke konkrétním technologiím. Žák bude schopen porovnat jednotlivé metody
3D tisku, posoudit jejich vhodnost pro daný účel a předejít problémům zvolené
technologie. Tyto znalosti poslouží jako nutný základ pro další, již praktickou, práci s 3D tiskem.
Pomůcky: Projektor a počítac, 3D výtisky (se supporty a bez, různé úrovně vrstev), 3D tiskárna
Inovace: Posílení mezipředmětových vztahů, využití multimediální techniky, využití ICT.
Úvod do problematiky 3D tisku
Úvod do problematiky 3D tisku
Úvod do problematiky 3D tisku
Obsah
1 3D tisk
2 Metody 3D tisku
3 Fused Deposition Modeling (FDM)
Materiály
Problémy a jejich řešení
Úvod do problematiky 3D tisku
3D tisk
Aditivní vs. subtraktivní proces
Rozlišujeme dva způsoby počítačem řízené výroby trojrozměrných
objetků:
Subtraktivní (odebírací) — Z monotlitického bloku materiálu
(kovu, dřeva, kamene) jsou postupně odebírány některé části,
dokud nění dosaženo výsledného tvaru. Např. CNC fréza,
CNC soustruh.
Aditivní (přidávací) — Na podložku jsou postupně nanášeny
vrstvy materiálu, které se působením fyzikálních sil
(např. tepla) spojí ve výsledný tvar.
3D tisk je proces aditivní.
Úvod do problematiky 3D tisku
3D tisk
Princip fungování
Základem je 3D model
vytvořený počítačem, obvykle ve
fromátu STL.
Algorytmus v počítači poté
model rozřeže dle zadaných
parametů na jednotlivé vrstvy.
Z takto zpracovaného modelu je
poté generován tzv. G-kód pracovní předpis přístroje.
Přístroj poté provádí jednotlivé
instrukce a nanáší tak jednotlivé
voxely (volumetric element,
obdoba pixelu).
Zdroj:
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Rapid_prototyping_slicing.jpg
Úvod do problematiky 3D tisku
Metody 3D tisku
Metody 3D tisku
Granulární (SLS, DMLS, a další)
Tavení, či slinování vrstev jemného prášku kovu, plastu nebo
keramiky.
Světelná polymerace (SLA, DLP)
Laserový paprsek po vrstvách tvrdí pryskyřici.
Laminování (LOM)
Jednotlivé vrstvy plastu nebo papíru se nařežou a poté slepí.
Extruze (FDM)
Zahřátý termoplast je vytlačován (extrudován) tryskou po
jednotlivých vrstvách.
Úvod do problematiky 3D tisku
Metody 3D tisku
Granulární 3D tisk
Materiál v podobě velmi jemného prášku je rozprostřen na
pracovní plochu.
Zdroj tepla (nejčastěji laser) poté působí na plochy, které mají
tvořit model — ty slinují do pevné podoby.
Poté je nanesena další vrstva prášku a proces se opakuje.
Přebytečný materiál je po skončení odstaněn vysavačem.
+ Široká paleta materiálů: kovy a jejich slitiny, keramika, plasty
+ Efektivní výroba velkých částí - velkoprůmyslové využití
- Vysoké pořizovací a provozní náklady
- Náročnější obsluha
Úvod do problematiky 3D tisku
Metody 3D tisku
Zajímavost — Netradiční materiál
Moučkový cukr je za pomoci horkovzdušné pistole taven do karamelové sochy
Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Spiralprint.jpg
Úvod do problematiky 3D tisku
Metody 3D tisku
Světelná polymerace
Zdroj světla (laser) „kreslí”
vrstvu do bazénu fotosenzitivní
pryskyřice.
Pryskyřice na hladině při
osvícení ztuhne.
Podložka se posune níž a porces
se opakuje
Tento proces se též označuje
jako stereolitografie
+ Velmi jemné detaily
(šperky, aqua-tight objekty)
+ Rychlost tisku
- Vyšší náklady na provoz
Zdroj:
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stereolithographie__Turmmodell_mit_Wendeltreppe.jpg
Úvod do problematiky 3D tisku
Metody 3D tisku
Světelná polymerace — schéma
Zdroj: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Stereolithography_apparatus.jpg
Úvod do problematiky 3D tisku
Metody 3D tisku
Laminace
Materiál se nejprve zahřeje a
nalepí na podložku
Laser (nebo nůž) obtáhne tvar
vrstvy, nepotřebné části
vyšrafuje
Podložka se odlepí od
materiálového pásu
Zbylý materiál (odpad) je
odstraněn a proces se opakuje
+ Pořizovací cena
- Úroveň detailu a velikost modelů
- Vysoké porcento odpadu
Zdroj:
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Laminated_object_manufacturing.png
Úvod do problematiky 3D tisku
Metody 3D tisku
Extruze(FDM) - Fused deposition modeling
Termopast ve formě vlákna je vtlačován do trysky (extruderu),
kde se zahřívá, čímž se snižuje jeho viskozita
(zvyšuje se tekutost).
Dvouosá soustava servomotorů pohybuje s tryskou nad
podložkou.
Tryska postupně vytlačuje (extruduje) potřebné množství
materiálu.
Materiál se rozprostře v požadované tloušťce, a slinuje
s předchozími vrstvami.
Podložka se posune o vrstvu níž a proces se opakuje.
+ Pořizovací cena a cena materiálu
+ Možnost volby poměru čas / úroveň detailu
+ Výtisky se dají obrábět
- Konstrukční omezení některých tvarů (dá se řešit)
- Hrubší povrch (také se dá řešit)
Úvod do problematiky 3D tisku
Fused Deposition Modeling (FDM)
Scéma fungování
Zdroj: http://www.cs.cmu.edu/~rapidproto/students.03/rarevalo/project2/Process.html
Úvod do problematiky 3D tisku
Fused Deposition Modeling (FDM)
Materiály
ABS, PLA a další
K tisku metodou FDM se obvykle používají tyto materiály:
ABS — Akrylonitrilbutadienstyren
Průmyslový standard (vyrábí se z něj například i LEGO).
Oproti PLA je tvrdší, dá se lépe obrábět, má vyšší tavící
teploty, je možné využít acetonové vyhlazování (viz dále).
Je nutné kontrolovat postup chaldnutí, portože ABS má
tendenci se nerovnoměrně smršťovat. (podložka pro tisk musí
být vyhřívaná)
PLA — polylaktid
Netrpí problémy se smršťováním jako ABS, nicméně je nutné
pečlivě hlídat teplotu extruderu (cca 210°C).
Na rozdíl od ABS není možné použít acetonové vyhlazování.
Vyrábí se z organických materiálů a je biodegradovatelný.
Další — dřevo+polymer (LAYWOO-D3), pískovec+polymer
(LAYBRICK),...
Úvod do problematiky 3D tisku
Fused Deposition Modeling (FDM)
Materiály
Zajímavost — Netradiční materiál
Těsto na vánoční koláčky je vytlačováno za pomoci vzduchu na pečící papír
Zdroj(3):
http://www.ralfholleis.com/3D-printing-christmas-cookies
Úvod do problematiky 3D tisku
Fused Deposition Modeling (FDM)
Problémy a jejich řešení
Support matriál
Vzhledem k principu FDM není možné „tisknout do vzduchu”.
Tento problém nastává u nekonvexních modelů — převislé části
při rozřezání na vrsty netvoří spojitý tvar.
Tento prolém lze řešit několika způsoby:
Vhodným rozdělením modelu na více částí, které se po
vytištení spojí (slepí, sešroubují).
Tiskem tzv. support materálu, který podepře nekonvexní
části modelu. Je možné jej generovat automaticky a po
vytištění lze jednoduše odstranit.
Úvod do problematiky 3D tisku
Fused Deposition Modeling (FDM)
Problémy a jejich řešení
Příklad
Model: http://www.thingiverse.com/thing:24610
Úvod do problematiky 3D tisku
Fused Deposition Modeling (FDM)
Problémy a jejich řešení
Textura na povrchu
Principem FDM tiskárny je vrstvení materiálu. Na výtisku jsou tyto
vrstvy parné, což je nejen estetický problém — pokud bychom
chtěli výtisk použít k výrobě formy, bude nám textura povrchu
činit problémy.
Způsoby řešení:
Nastavit tiskárně nižší sílu tištěné vrstvy — problém se
částečně eliminuje, nicméně se výrazně prodlouží čas tisku.
Vyhladit povrch ex-post. U výtisků z materiálu ABS lze použít
techinku vyhlazování acetonovými parami.
Úvod do problematiky 3D tisku
Fused Deposition Modeling (FDM)
Problémy a jejich řešení
Ukázka popsaných metod
Zprava: bez úprav, tenčí vrstva, acetonové vyhlazování
Zdroj: http://blog.reprap.org/2013/02/vapor-treating-abs-rp-parts.html
Úvod do problematiky 3D tisku
Fused Deposition Modeling (FDM)
Problémy a jejich řešení
Výhody a nevýhody 3D tisku
Výhody
Nevýhody
Levná výroba, byť jediného kusu
Špatný poměr čas / počet kusů
Nízká „cena za omyl”
Konstrukční omezení vyplývající
z technologie
Přímočarý výrobní proces
(od návrhu k výsledek)
Recyklovatelnost
Textura na povrchu
(dá se řešit)
Závěr:
3D tisk je ideální pro prototypování, ale nevhodný pro
sériovou výrobu.
Prameny a literatura:
Použité zdroje (v pořadí):
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Rapid_prototyping_slicing.jpg
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Spiralprint.jpg
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stereolithographie_-_Turmmodell_mit_Wendeltreppe.jpg
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Stereolithography_apparatus.jpg
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Laminated_object_manufacturing.png
http://www.cs.cmu.edu/~rapidproto/students.03/rarevalo/project2/Process.html
http://www.ralfholleis.com/3D-printing-christmas-cookies (3x)
http://www.thingiverse.com/thing:24610
http://blog.reprap.org/2013/02/vapor-treating-abs-rp-parts.html
Všechny uveřejněné odkazy [cit. 28-08-2013]
Dílo smí být dále šířeno pod licencí CC BY-SA (www.creativecommons.cz)
Materiály jsou určeny pro bezplatné používání pro potřeby výuky
a vzdělávání na všech typech škol a školských zařízení.
Jakékoliv další využití podléhá autorskému zákonu.
Všechna neocitovaná autorská díla jsou dílem autora.