3D tisk

Svět tisku udělal obrovský skok vpřed s rozvojem 3D tisku. Proces 3D tisku je milníkem, který má velký význam pro širokou škálu společností. Všichni dodavatelé či výrobci náhradních dílů, malých sérií nebo i prototypů je dokážou vyrobit rychleji a jednodušeji, takže firemní procesy proces 3D tisku enormně zrychlil a zjednodušil. Na print24 můžete zjistit, co přesně znamená 3D tisk, kde leží jeho původ, jaké různé procesy jsou k dispozici a jaké jsou výhody!

Definice 3D tisku

3D tisk se také nazývá aditivní nebo generativní výroba. Myšlenkou tohoto výrobního procesu je převést numerický model na trojrozměrný model. Dále patří mezi výrobní procesy urforming, což znamená, že z beztvarého se vyrábí pevné těleso. Tělo má geometricky definovaný tvar. Stručně řečeno, 3D tisk je vytváření fyzických objektů z digitálních souborů. Digitální data jsou generována CAD modelováním, daty z 3D skenerů nebo 3D modelováním, ale 3D tiskárna je neumí přímo přečíst. To zase vyžaduje software, který převádí geometrický tvar do strojového jazyka tiskárny prostřednictvím G-kódu. Software se nazývá „slicer“, který rozděluje 3D objekt na jednotlivé vrstvy. Objekt je poté postaven/vytištěn vrstva po vrstvě, odtud název aditivní výroba. To je v protikladu k subtraktivní výrobě, při které se z existujících objektů odebírá materiál. Výtisk 3D tiskárny je trojrozměrný, tj. objekt má předem definovanou šířku, délku a výšku. 3D tiskárna pracuje se svislou osou (osa Z) kromě dvou obvyklých horizontálních os (osa X a Y).

Struktura a funkce 3D tiskárny

Mezi 3D tiskárnami lze rozlišit otevřené a uzavřené tiskárny, kompletní zařízení a sady. Zatímco většina je dodávána kompletní, sady musí nejprve sestavit uživatel. Kompletní zařízení jsou většinou dražší než stavebnice, ale ušetříte si montáž. V případě uzavřené 3D tiskárny je instalační prostor uzavřen. V závislosti na tom, kde má být tiskárna používána, lze zvolit otevřenou nebo uzavřenou verzi. 3D tiskárna se v zásadě skládá z tiskového/tepelného lože, nosné konstrukce, tiskového objektu, trysky, nosného materiálu a tiskového materiálu. Konstrukce se však může v rámci technologie mírně lišit. Podle výše zmíněné konstrukce funguje 3D tiskárna následovně: Nejprve se zahřeje topné lůžko a tryska. Poté se topné lože přesune nahoru k tiskové hlavě. Roztavené vlákno (speciální plasty, kovy nebo jiné materiály) se pak nanáší na topné lože, dokud není dokončena první vrstva. Když je první vrstva hotová, vyhřívané lože urazí vzdálenost o výšce jedné vrstvy, zde měřeno v mikronech. Druhá filamentová vrstva se nanese na předchozí vrstvu a spojí se s ní. V případě převisů je možné použít nosnou konstrukci ze stejného nebo jiného materiálu, přičemž alternativní materiál by měl být schopen se rozpustit ve vodě nebo dokonce v jiném roztoku. Poslední krok se opakuje, dokud není 3D objekt dokončen.

Typy procesů 3D tisku

V následujícím textu budou představeny nejběžnější procesy 3D tisku. Kromě zmíněných existuje mnoho dalších variant. V zásadě lze rozlišit následující procesy 3D tisku:

• Selective Laser Melting (SLM)/Selective Laser Sintering (SLS)
• Tavení elektronovým paprskem (EBM)
• Modelování tavené depozice/Výroba tavených vláken (FDM/FFF)
• Stereolitografie (STL/SLA)
• Laserové navařování
• Film Transfer Imaging (FTI)
• Digital Light Processing (DLP)
• Multi Jet Modeling / Poly Jet Modeling

V procesu Selective Laser Melting se kov sestávající z prášku nanáší a taví laserem. Požadovaný tištěný objekt se potom sníží o tloušťku vrstvy, znovu se nanese prášek a roztaví se. 3D tisk probíhá v ochranné atmosféře; lze zpracovávat kovy, plasty, písek nebo keramiku. Naproti tomu Selective Laser Sintering (SLS) nepoužívá čistý kovový prášek, ale přidává pojivo. Speciální prášek je také jen částečně roztaven, což způsobuje slepení materiálu. Tavení elektronovým paprskem (EBM) také využívá prášek a zpracovává jej stejným způsobem jako Selective Laser Sintering , s tím rozdílem, že místo laseru je použit elektronový paprsek. Magneticky podepřená pružina ji umístí a nasměruje. 

V aplikaci Fused Deposition Modelling/Fused Filament Fabrication (FDM/FFF) se speciální plast nejprve zahřeje a poté se 3D objekt vytiskne do archů. V tomto procesu je filament dopravován přes cívku do trysky, odkud je aplikován na stavební desku, kde přímo tuhne. Vzhledem k tomu, že povrch předmětu je po výrobě často poněkud drsný, musí být přepracován. Výsledek precizní práce je uspokojivý. Vytvrzování tekutého plastu pomocí UV světla probíhá v procesu stereolitografie (STL/SLA). 3D objekt se vyrábí v lázni z tekutého plastu, za použití laseru k vytvrzení jednotlivých vrstev. Veškeré použité nosné konstrukce jsou po dokončení odstraněny a 3D objekt je vytvrzen. Modely mají velmi vysokou přesnost. Svařování laserem využívá diodový nebo vláknový laser. Pomocí trysky nanáší na obrobek kovový prášek nebo kovový drát. Při použití prášku pracuje 3D tiskárna plně automaticky, díky čemuž je vhodná pro použití při opravách součástek nebo výrobě prototypů.

Film Transfer Imaging (FTI) zahrnuje aplikaci tenkého filmu materiálu na transportní fólii. Vrstvy se vytvářejí osvětlením, načež se obrobek zvedne a poté se nanese nová fólie. Tento proces pokračuje, dokud není dokončen 3D objekt, který má velmi vysokou úroveň přesnosti. V FTI se jako vlákno používají plasty citlivé na světlo. Při digitálním zpracování světla (DLP) je 3D objekt vytvořen z plastové lázně. Proces je směsí technologie 3D tisku STL a FTI, přičemž je použita technologie FTI jako u RTI. Multi Jet Modelling/Poly Jet Modelling na druhé straně používá techniku ​​podobnou té na inkoustové tiskárně. Zde je několik trysek připojeno k tiskové hlavě, která následně tiskne 3D model vrstvu po vrstvě. Modely se vyznačují velmi vysokou mírou detailů a jako filamenty jsou použity fotopolymery citlivé na UV záření, které jsou vytvrzovány světlem.

Materiály pro procesy 3D tiskuMateriály pro procesy 3D tisku

Díky technologickému pokroku se tomu v průběhu let musel znovu a znovu přizpůsobovat materiál pro 3D tisk. Nejdůležitější specializované materiály, jako jsou plasty nebo kovy, představujeme v následujícím:

Plasty pro 3D tisk

PLA (polyaktid) je jedním z nejoblíbenějších materiálů pro 3D tisk. Syntetické polymery patří do skupiny polyesterů, získávají se z kukuřičného škrobu, tedy regeneračních zdrojů, jsou biokompatibilní a recyklovatelné. PLA lze zpracovávat již při nízkých teplotách tání 70 °C a obecně zůstává rozměrově stabilní i při chlazení. Tyto dvě vlastnosti činí PLA atraktivní pro soukromé i profesionální uživatele. PLA je nyní k dispozici v mnoha různých barvách. Jedinou nevýhodou materiálu je, že je jen málo robustní a tepelně odolný, takže není vhodný pro výrobu vysoce namáhaných součástí.

ABS (akrylonitrilbutadienstyren) je druhým nejčastěji používaným plastovým materiálem ve 3D tisku a je také syntetickým polymerem. Vyrábí se z akrylonitrilu, 1,3 butadienu a styrenu. Výhodnými vlastnostmi jsou pevnost, tuhost a houževnatost materiálu. Může být použit pro prototypování a výrobu konečných produktů. ABS se tiskne při teplotě 220 až 250 °C a mělo by se tisknout ve vytápěné tiskárně nebo tiskárně. Při tom mohou vyrobené předměty vychladnout a zabránit deformacím. Stejně jako PLA je ABS k dispozici v různých barvách a je relativně levné, ale kvůli vysokým teplotám spojeným s 3D tiskem je u soukromých uživatelů méně oblíbené. Nemá také dostatečnou odolnost proti povětrnostním vlivům.

PEEK (polyetheretherketon) jsou syntetické polymery ze skupiny polyetherketonů. Lze je použít k tisku vysoce odolných a teplotně odolných předmětů. Jsou také biokompatibilní a odolné vůči chemikáliím. Termoplast PEEK je cca. O 70 % lehčí než kovy s podobnými vlastnostmi, ale má srovnatelnou mechanickou a tepelnou stabilitu. Automobilový průmysl, chemický průmysl a letecký průmysl proto preferují použití PEEK. Tiskne se při 360 až 380 °C, a proto není příliš vhodný pro soukromé použití.

HIPS (High Impact Polystyrene) také patří mezi termoplastické polymery a vyrábí se polymerací polybutadienu na polysterol. Má vysokou rázovou houževnatost a tvrdost a lze jej rozpustit v chemikáliích. Díky tomu je zvláště vhodný jako nosný materiál pro jiné polymery. Chemicky se odstraňuje, aby bylo možné ve vyráběných součástech dodržet i přísné tolerance.

PA (nylon/polyamid) má vysokou pevnost v tahu, taje při 250 °C a je netoxický. 3D objekty vytvořené z nylonu jsou pevné a odolné proti poškození. Nylon není poškozen většinou běžných chemikálií a je levný. Nevýhodou tohoto materiálu však je, že se kvůli vysokým teplotám tavení jen stěží hodí pro soukromé použití a vyžaduje jak vyhřívanou tiskovou podložku, tak bílé lepidlo, aby se při 3D tisku přilepilo na tiskovou podložku.

PET (polyethylentereftalát) většina lidí pravděpodobně zná z lahví od nápojů. V tom je také výhoda, protože PET je nezávadný pro potraviny a lze jej použít pro balení. Vzhledem k tomu, že při procesu tavení nevznikají žádné výpary, 3D tisk s PET nevyžaduje vytápěnou tiskárnu. Díky tomu je aplikace populární v soukromém sektoru. 3D objekty vyrobené z PET jsou poměrně robustní, ale zároveň flexibilní.

PETG (PET s glykolem) díky modifikaci glykolem dosahuje vysoké průhlednosti materiálu. To také zlepšuje vlastnosti tisku. To má za následek nižší teplotu tání a menší krystalizaci. PETG lze vytlačit rychleji než PET a je odolný vůči povětrnostním vlivům. Proto se často používá na zahradní nábytek a nářadí i na vázy.

Kovy pro 3D tisk

Kromě zmíněných plastů lze v 3D tisku využít i kovy.

Hliník nebo slitiny hliníku zaujmou ve 3D tisku svou pevností a dobrými tepelnými vlastnostmi. 3D objekty jsou navíc lehké a lze je flexibilně přepracovat. Automobilový, letecký a letecký průmysl těží z použití hliníkových slitin; díly motorů, skříně, formy, prototypy, vzduchové kanály a mnoho dalšího se vyrábí pomocí 3D tisku.

Titan nebo slitiny titanu patří mezi nejznámější ve 3D tisku s kovy. Má vynikající mechanické vlastnosti a zároveň pouze nízkou měrnou hmotnost. Materiál je odolný proti korozi a lze jej použít v mnoha prostředích s vysokými technickými požadavky, jako je letectví. Zdravotnické prostředky, náhradní díly, funkční prototypy nebo díly pro koncové uživatele jsou nejčastější 3D objekty vyrobené ze slitin titanu.

Dalším kovem používaným při 3D tisku je nerezová ocel/slitina nerezové oceli. Má nízký obsah uhlíku a je velmi odolný proti korozi. Vhodně vyrobené díly mají také vynikající pevnost, dobré tepelné vlastnosti a vysokou tažnost. 3D tisk z nerezové oceli se přednostně používá pro strojní součásti nebo aplikace bezpečné pro potraviny.

Mezi materiály používané při 3D tisku patří kromě plastů a kovů také keramika, písek, beton a sklo.

Historie 3D tisku – kdo vynalezl 3D tiskárnu?

Historie 3D tisku sahá až do 19. století. V roce 1859 vynalezl Francouz François Willème, který pracoval jako fotograf a sochař, přístroj, který umožnil vytvořit 3D model pomocí několika fotoaparátů. V roce 1892 požádal Rakušan Joseph E. Blanther o patent na výrobu reliéfních map. Pro výrobu těchto map se tehdy laminovaly voskové desky a z nich se vyřezával požadovaný tvar a lepil se na sebe. Tím vznikla 3D mapa prostřednictvím několika vrstev.

Poté, co již několik desetiletí nebyl ve 20. století znám žádný další vývoj 3D tisku, japonský vynálezce Hideo Kodama nakonec v roce 1980 požádal o další patent: V tomto popsal, jak fotopolymerní materiál tvrdne pomocí UV světla a tímto způsobem je vytvořen model vrstvu po vrstvě, což je podobné principu stereolitografie. Protože kvůli finančním potížím nemohl nadále platit za patentovou přihlášku, ztratil slávu. V roce 1984 se Francouzi Alain le Méhauté, Olivier de Witte a Jean-Claude André pokusili získat patent na proces, při kterém dochází k vytvrzování kapaliny světelným zdrojem. Říkali tomu také stereolitografie. Kontaktovaný výzkumný ústav však potenciál vynálezu neviděl a projekt zastavil. Nakonec to byl Američan Chuck W. Hull, který o tři týdny později požádal o patent. Již v roce 1981 vynalezl stereolitografii, která byla poprvé uvedena do praxe v roce 1983. V roce 1985 byl k dispozici první 3D návrhářský program a v roce 1986 založil dnes již světoznámou společnost 3D Systems. V roce 1988 byla na trhu první 3D tiskárna (stroj SLA-1).

V roce 1992 byl v DTM vyroben první selektivní laserový spékací stroj, který podle postupu ozařoval prášek laserovým světlem. Následovala 3D tiskárna od Z Corp, která používala proces pojiva. Koncem 90. let bylo možné kromě plastů zpracovávat i kovy a byly uvolněny další CAD programy. V průběhu roku 2000 nabrala na síle aditivní výroba, která se prosadila v medicíně. Poprvé byl člověku implantován orgán vytištěný na 3D tiskárně. Rok 2000 byl ve znamení dalšího vývoje. 3D tiskárny nyní mohly vyrábět díly pro jiné 3D tiskárny a vstoupily na pracoviště. Od roku 2010 mohly nové modely tisknout i prototypy aut, objevily se 3D tiskárny potravin, první 3D tištěné komponenty pro vesmírné stanice a čelistní a kostní protézy. Stejně tak malé a střední podniky těžily z 3D tisku, který jim umožnil vyrábět prototypy levněji. Nejproduktivnějším procesem výroby aditivních plastů je v současnosti proces Multi Jet Fusion, kdy výsledné předměty mají homogenní povrch a hustotu materiálu téměř bez pórů.

Jaká je tedy budoucnost? Je velmi pravděpodobné, že se technologie 3D tisku bude vyvíjet směrem k masové výrobě, neboť stále více materiálů lze vytisknout v kratším čase a ve vysoké kvalitě.

Vysoce kvalitní tištěné produkty na print24

U nás si můžete nechat vytisknout požadovaný předmět pro reklamní účely nebo každodenní kancelářský život. print24 Vám nabízí obrovskou škálu tiskových produktů, které Vám dodáme rychle a ve vysoké kvalitě. Součástí našeho sortimentu jsou i velkoformátové tiskoviny, textilní výrobky nebo fotoprodukty. Jednoduše si vyberte požadované tiskové produkty a navrhněte je individuálně!