TESTY 3D tiskárny
Nejlepší 3D tiskárny Nové technologie jsou skvělou hračkou pro každého fandu. Za cenu od cca 23 000 Kč si nyní můžete zakoupit i snadno ovladatelné zařízení, kterým si můžete rychle vytisknout různé druhy 3D objektů. Christoph Schmidt, Pavel Trousil
Video 3D-Drucker*
3D tiskárny tisknou objekty z plastu, a to s přesností 0,1 mm – zde se například tiskne šachová figurka.
58
02/2014
V
současné době si doma můžete zcela samozřejmě a pohodlně tisknout texty, grafiku a fotografie. Nově se ale nabízí i další možnosti, které přináší 3D tiskárny – slibují tisk předmětů velikosti lískového i kokosového ořechu. Těm, kteří jsou dostatečně kreativní a vynalézaví, se tak otevírají nové možnosti realizace i podnikání. Nová technologie je však ještě plná nástrah. Pro usnadnění výběru a pochopení, co nová technologie zvládne, jsme pro vás vyzkoušeli dostupné 3D tiskárny a snažili jsme se zjistit, jak daleko jsou v dodržení slibovaného snadného 3D tisku. V krátkém workshopu na straně 62 si pak na příkladu ukážeme, jak tiskový proces 3D v reálu funguje a co k němu budete potřebovat. Ceny šesti testovaných tiskáren se pohybují mezi 21 500 a 59 000 Kč. Nejsnadněji uvedete do provozu už smontované tiskárny od výrobců MakerBot, Sintermask, Pearl a iRapid. Tiskárna Ultimaker je k dispozici také buď už rovnou sestavená, nebo ve formě stavebnice (kitu), přičemž její sestavení trvalo našemu poměrně zkušenému kolegovi asi 16 pracovních hodin. 3D tiskárna Velleman K8200 je dostupná ve formě stavebnice, jednotlivé díly tedy musí dát kupující dohromady sám, a smontování trvá dokonce okolo 24 hodin. U některých zařízení se můžete setkat s problémy, které kvalitu tisku snižují. V případě tiskárny Ultimaker spočívá problém v tom, že vodicí tyče jsou o něco delší, než by měly být, v důsledku čehož se při tisku mírně uvolní a podpora není dokonalá. U tiskárny Velleman je pohonná jednotka nastavena v mírně křivém úhlu, což má kompenzovat nerovnoměrnou základní desku se skleněným krytem. V případě sestavené tiskárny MakerBot je trochu iritující vratká řídicí jednotka – to ale na výsledky testu nemá žádný vliv. Co se týká materiálu, ze kterého jsou tiskárny vyrobeny, rozsah sahá od holých hliníkových tyčí modelu Velleman přes rustikální překližky krytu Ultimaker po strohý plastový box modelu firmy Pearl.
Rozdíly při každodenním použití 3D technologie tisku se do širšího povědomí dostala teprve před několika lety, a je to zřejmé i na relativně těžkopádné obsluze zařízení. Například to znamená, že uživatel musí zkontrolovat tiskovou desku, na které se vytvářejí tištěné objekty, a před každým procesem tisku ji musí vyrovnat. Nastavení tisku se musí optimalizovat pro tištěný objekt poté, co se projeví nevyhnutelné počáteční chyby. Proto jsou poměrně složitá nastavení spojená s provozem tiskárny MakerBot v podstatě užitečná. Kalibrace je usnadněna tím, že zařízení nemá více než tři nutné stavěcí šrouby a automaticky nařídí tiskovou hlavu do správné polohy a ukazuje pokyny pro nastavení na displeji. Pearl a Fabbster také zjednodušují proces zarovnání. U ostatních zařízení musíte využít kalibrační body a vše nastavit ručně pomocí nejméně čtyř šroubů. Často to přitom trvá dobře půl hodiny. Tento proces je zvláště zdlouhavý u tiskárny Ultimaker, jejíž základní deska se musí často zarovnávat. V případě většiny testovaných zařízení je vkládání tiskového materiálu (označuje se jako vlákno, případně struna či drát) snadné. Pro tisk se používá cívka s plastovým vláknem, které je cca 2 mm tlusté. Vlákno se nasune přes vodicí trubičku do přívodní jednotky a nakonec do závitu tiskové hlavy. Jedinou výjimkou je se svými krátkými plastovými tyčkami tiskárna Fabster. Obsluha je tedy těžkopádná a navíc materiál často během tiskového procesu proklouzne. Proto je při tvorbě objektů praktické, když se materiál dávkuje správně.
Některé 3D tiskárny se dodávají v dílech ve formě stavebnice. Stavebnice Velleman K8200 se skládá ze stovek dílů.
Výrobní vada: Motorek tiskárny Velleman je mírně nakřivo, takže funguje pouze s kouskem hadičky, která nerovnosti vyrovná.
Instrukce na displeji zjednodušují nastavení tisku modelu MakerBot. Výhodou je i to, že se nastavují jen tři regulační šrouby.
Standardním materiálem pro tisk je plastový drát na cívce. Fabbster (vpravo) pracuje trochu těžkopádně, ale s přesně dávkovanými kusy drátu.
LCD displej, slot pro SD kartu a několik tlačítek. Tiskárna Pearl nepotřebuje žádné další ovládací prvky.
02/2014
59
TESTY 3D tiskárny
Co se týká ovládání, jsou všechny 3D tiskárny velmi spartánské. Žádný z testovaných kandidátů nenabízí více než jeden stavový LCD displej a jedno až pět ovládacích tlačítek. Je to proto, že většina nastavení se provádí pomocí softwaru. Do dodaného softwaru, je pak potřeba importovat model objektu, který chcete vytisknout (viz workshop). Seženete jej buď na internetu, nebo jej lze vytvořit v nějakém CAD programu. Z 3D modelu generuje program řídicí data pro tiskárnu. Několik parametrů je ale během tiskového procesu potřeba nastavit. Například kvalita tisku určuje počet vodorovných vrstev (plátků), do kterých software model rozebere. Dále je potřeba určit, zda má program vytvořit podpůrné struktury, nebo vyplnit duté prostory. Programy dodané k tiskárnám MakerBot a Ultimaker se ukázaly jako jednoduché, přitom ale dostatečně rozsáhlé a funkční. Tiskárny Velleman a iRapid využívají open-source projekt RepetierHost, který sice nabízí asi nejširší možnosti nastavení, ale vyžaduje delší praxi. Software tiskárny Pearl je trochu zmatečný a navíc výpočet vrstev je velmi pomalý.
Kvalita, tisková rychlost a hlučnost Asi nejlépe uděláte, když řídicí data pro tiskárnu uložíte na paměťovou kartu SD. To proto, že 3D tiskána může být od osobního počítače vzdálena – měla by být totiž umístěna v dobře větrané a vzdálené místnosti, a to s ohledem na její hluk a zápach. Modely Velleman a iRapid SD karty nepodporují. V jejich případě se uživatel musí spokojit s USB. Poté, co uživatel zahájí tiskový proces, musí tiskárna nejprve ohřát trysky v tiskové hlavě, což trvá něco mezi dvěma (tiskárna Ultimaker) a deseti minutami (Velleman). Při tisku jsou pak tiskárny buď hodně hlučné (Pearl), nebo o něco méně (Velleman), tiché ale rozhodně nejsou. V ideálním případě je dokončený produkt k dispozici do 20 minut, větší předměty pak mohou trvat i několik hodin – tedy pokud není tisk přerušen, což se na začátku stalo v 50 procentech případů. Přitom příčiny přerušení tisku byly různé. Většinou se tištěný objekt zkřiví a dostane se mimo základní plochu (zejména při použití tiskáren s nevytápěnou základnou), nebo se objekt zhroutí, pokud je příliš jemný a má nedostatek podpůrných struktur. Z trysek pak dále vytéká tiskový materiál, což v obou případech zapříčiní neřízené zaplétání vláken. Proces tisku (přísun materiálu) může přerušit také bublina nebo ucpání trysky. Takovýmto tiskovým chybám můžete zabránit pouze pečlivou přípravou. Před tiskem velkých objektů je potřeba vyrovnat tiskovou plochu, zkontrolovat přívod materiálu a vyčistit ucpané trysky. Pokud si vycvičíte jakýsi cit pro tisk (podobně jako ho mají šikovní řemeslníci, řezbáři ad.), který rozhoduje o nastavení, podaří se vám snížit chybovost asi na 20 procent. Nejpoužívanějším tiskovým materiálem (viz tabulka) je PLA, což je zkratka pro Polylactid acid (PLA). Tento termoplastický polyester je získáván například z kukuřičného škrobu. Pro účely 3D tisku je dodáván obvykle ve formě drátu o průměru 1,75 až 3 milimetry. Ve srovnání s dalším používaným materiálem ABS je snadněji a rychleji zpracovatelný a není tak náchylný k deformacím vlivem chladnutí. Při tavení produkuje vůni připomínající smažení na rostlinném oleji. Po tisku lze tento materiál opracovávat běžnými postupy, nicméně díky nízkému tavnému bodu (taje při 150–160 stupních) jej nelze dobře strojně brousit. ABS (akrylonitrilbutadienstyren) taje až při teplotě 220–250 stupňů. Tiskárna využívající tento materiál by měla mít vyhřívanou základní
[email protected] ku, aby pak materiál chladl rovnoměrně.
60
02/2014
Software MakerBot (vlevo) je poměrně jednoduchý. Programy iRapid a Velleman (vpravo) nabízí více možností.
Mnohostěn vytištěný tiskárnou Pearl (bílý) je čistý. Zbytková vlákna u mnohostěnu z MakerBotu se ale mohou snadno odstranit.
iRapid a Fabbster při tisku mnohostěnu selhaly. Při tisku „C“ Chipu je potřeba vytvoření podpůrných struktur, které se následně odstraní.
Tiskárně iRapid (černá) se jako jediné podařilo vytisknout rovné ostré hrany bedničky.
HODNOCENÍ VYTIŠTĚNÝCH OBJEKTŮ Ma
ke
2cm kostka Šachová figurka CHIP C Mnohostěn Hladký klínek Otvory a sloupky Ukázkový box Celkem
rB
ot
Re p
lic
ato
r2
90 90 100 70 90 80 70 84
Ult Vell Ult imak eman im in K8 ak g 20 er 0
100 70 90 60 70 50 80 74
Pe a
80 60 80 50 70 70 80 70
rl F Sin re te EX eScu Fabb rma 1-P lp ste sk rG lus t
70 50 80 90 60 60 70 69
ŠPIČKOVÁ TŘÍDA (100–90,0) VYŠŠÍ TŘÍDA (89,9–75,0) STŘEDNÍ TŘÍDA (74,9–45,0) NELZE DOPORUČIT (44,9–0) VŠECHNA HODNOCENÍ V BODECH (MAX. 100)
80 90 80 0 90 80 60 69
iRa
pid
80 50 90 0 60 60 70 59
3D tiskárny
Vítěz testu
MAKERBOT REPLICATOR 2 Pořadí
Cenový tip
ULTIMAKING ULTIMAKER
SINTERMASK FABBSTER G
PEARL EX1-PLUS
IRAPID GMBH IRAPID
VELLEMAN K8200
1
2
3
4
5
6
59 000/ – Kč
55 000/25 000 Kč
33 000/ – Kč
25 000/ – Kč
28 000/ – Kč
– /21 500 Kč
Celkové hodnocení
92,6
87,2
82,4
79,4
73,7
68,2
Kvalita tisku 50 %
100
86
89
87
80
87
Ergonomie 20 %
100
90
88
65
63
19
Vybavení 10 %
64
86
100
95
62
65
Dokumentace 10 %
100
81
67
56
48
57
61
97
35
78
100
85 0,5 mm
Cena/cena kitu
Náklady na tisk 10 %
TECHNICKÉ ÚDAJE A NAMĚŘENÉ HODNOTY Odchylka při tisku 2cm kostky
0,9 mm
1,7 mm
0,5 mm
0,5 mm
0,5 mm
Doba na vytištění šachové figurky
126 s
7s
16 s
402 s
385 s
385 s
Doba na zahřátí
147 s
132 s
222 s
214 s
148 s
629 s
Doba na vytištění 2cm kostky
29 min
23 min
39 min
33 min
38 min
41 min
Spotřeba energie pro vytištění 2cm kostky
32 Wh
31 Wh
123 Wh
93 Wh
31 Wh
59 Wh
Q/Q
Q/Q
Q/Q
Q/Q
Q/Q
Q/Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q/Q
Q/Q
Q/Q
Q/Q
Q/Q
Q/Q
Maximální rozměry tisku
285 × 155 × 153 mm
210 × 205 × 210 mm
230 × 210 × 230 mm
225 × 145 × 150 mm
250 × 120 × 150 mm
200 × 200 × 200 mm
Minimální tloušťka vrstvy
0,1 mm
0,1 mm
0,05 mm
0,15 mm
0,05 mm
0,2 mm
USB/SD karta Vyhřívaná základní deska 2
Materiál ABS1/PLA
Software: Počet předvoleb/ podporované formáty
3/3
3/4
5/10
1/1
12/1
1/1
Orient. cena kg materiálu
1 800 Kč
900 Kč
2 000 Kč
800 Kč
800 Kč
800 Kč
Rozměry s přečnívajícími částmi (š × v × h)
490 × 525 × 405 mm
350 × 580 × 580 mm
650 × 535 × 530 mm
510 × 430 × 465 mm
560 × 420 × 460 mm
675 × 630 × 435 mm
12,7 Kg
8,1 Kg
13,7 Kg
12,5 Kg
12,1 Kg
9,4 Kg
Hmotnost vč. napájecího adaptéru 1
ACRYLNITRIL-BUTADIEN-STYREN
2
Q ANO Q NE
POLYLACTIC ACID
I N F O
I N F O
Nové materiály
Čeští vývojáři a výrobci
Vývoj v oblasti 3D tiskáren jde rychle kupředu a zkoumají se možnosti využití dalších materiálů, jako je kov, dřevo, bavlna nebo keramika. Například texaská firma Solid Concepts ohlásila, že vyrobila pomocí 3D tiskárny ocelovou pistoli. Jako materiál pro tisk použila kovový prášek, vyrobený z oceli a ze speciální slitiny niklu a chromu. Tisk proběhl metodou selektivního laserového spékání. Vzhledem k technologické a finanční náročnosti však tato metoda prozatím není použitelná pro sériovou výrobu. Zatím málo využívaným materiálem pro 3D tisk je keramika. Tu používá americká firma Figulo k výrobě kuchyňského nádobí a uměleckých předmětů. Tiskárna vrství keramickou směs z oxidu hlinitého a oxidu křemičitého a hotový předmět je po vyjmutí glazován a následně vypálen v peci. Cena se pohybuje kolem 35 dolarů za objekt velikosti kávového hrníčku. Alternativním materiálem pro 3D tisk jsou náplně kombinované s dřevěnými vlákny. Ty obsahují zhruba ze třetiny dřevěná vlákna a ze dvou třetin materiál PLA. Podle distributorů těchto speciálních materiálů výrobky po vytištění voní dřevem, a dokonce u nich lze změnami tavicích teplot imitovat i letokruhy. Mezi novinky z oblasti 3D tisku patří tisk baterií a elektrotechnických součástek. V této oblasti již ohlásili první úspěchy vědci z Harvardu, když se jim podařilo vyvinout speciální materiál podobný tomu, který se používá v lithiových bateriích. Britská firma Tamicare z Manchesteru vyvíjí materiál pro tisk látek a tkanin z gumolatexových polymerů obohacených o bavlněná vlákna. V testování jsou i materiály obohacené o viskózu.
V nabídce se můžete setkat i s českou 3D tiskárnou DeeOrange společnosti DO-IT. Má zajímavý design, je celozakrytá, má tiskovou plochu 130 × 100 × 100 mm a umí tisknout buď z materiálu PLA, nebo ABS. Pořídíte ji za 43 379 Kč. DO-IT při tvorbě využívá vlastní elektroniku a při jejím vývoji spolupracuje s ČVUT. V tomto roce by už měla být tiskárna dostupná na evropských trzích a výrobce chce spustit i vlastní 3D modelovací nástroj, který poběží ve webovém prohlížeči. Od roku 2009 navrhuje a staví 3D tiskárny i Josef Průša. Všechna jeho práce v této oblasti je open-source (volně dostupná pro jakékoli použití) pod projektem RepRap. RepRap je první projekt open-source 3D tiskárny, který odstartoval před přibližně sedmi lety doktor Adrian Bowyer z University of Bath. Nyní je projekt v rukou komunity stovek vývojářů a desítek tisíc uživatelů. Tiskárnu Prusa i3 i s celodenním školením pořídíte za 24 200 Kč. Pracovní plocha tiskárny je 200 × 200 × 200 mm a tisknout lze pomocí materiálů ABS, PLA, PETT, Laywood a Laybrick. Dalším českým výrobkem je 3D tiskárna EASY3DMAKER společnosti 3Dfactories (Aroja). Na tiskové ploše o rozměrech 200 × 200 mm a výšce 230 mm můžete tisknout s rozlišením vrstvy 0,08/0,125/0,25 mm. Cena tiskárny je okolo 50 000 Kč. Společnost 3Dfactories se také nedávno na veletrhu v Brně pochlubila údajně největší 3D tiskárnou na světě. Jde o model Maxi 3D Printer, který umožňuje tisk 3D objektů o maximálních rozměrech 1 × 1 × 1 m (s volitelným rozšířením až na 6 m).
02/2014
61
TESTY 3D tiskárny
3D tisk v praxi Zapněte tiskárnu a vytiskněte si, co potřebujete. Bohužel takhle jednoduché to u 3D tiskáren není. Naše tipy by vám první pokusy s 3D tiskem měly ulehčit.
1
1. Příprava Připravili jsme si zkušební tisk, který jsme nazvali „Díry a sloupce“, a ukážeme vám, jak objekt navrhnout a správně vytisknout na tiskárně Ultimaker. Pokud použijete správný software, není to tak složité. Jako první si stáhněte program pro tvorbu 3D modelů a výkresů, který se jmenuje SketchUp a který je volně dostupný (například na adrese jdem.cz/ 9gcc5). Zjistěte, zda máte aktuální verzi, a program rozšiřte o plug-in SketchUp STL. Provedete to přes »Help | Check for updates«.
2. Vytvořte si svůj vlastní objekt V prvním okně, které se objeví po spuštění programu SketchUp, vyberte šablonu »Product design and woodworking – Millimeters«. Program zobrazuje prostorový souřadnicový systém, ve kterém se můžete pohybovat a přibližovat pomocí myši a kolečka myši a kde můžete objekt otáčet. Červená osa ukazuje šířku, modrá ukazuje výšku a zelená ukazuje hloubku. Chcete-li začít, nakreslete základní plochu, abyste vytvořili obdélníkové tělo našeho testovacího objektu. Z palety nástrojů vyberte na začátku »Rectangle«. Mějte na paměti zvláštnost ovládání programu SketchUp, konkrétně fakt, že máte kliknout (a uvolnit tlačítko myši) jednou na začátku objektu (ve středu souřadnicového systému). Pak posuňte kurzor myši do oblasti mezi zelenými a červenými souřadnicemi. Abyste získali objekt přesně požadovaných rozměrů, stačí zadat údaje »Measurements: 110;40« – vznikne tak obdélník zadaných rozměrů, tedy 110 × 40 mm. Vy ale potřebujete z tohoto dvourozměrného obdélníku vytvořit trojrozměrný kvádr, a proto musíte ještě vybrat nástroj »Push/Pull«. Potom klikněte na obdélník a táhněte jeho povrch směrem nahoru. Přesnou výšku 10 mm můžete opět nastavit jednoduše tak, že zadáte »10«.
2
3
3. Upřesnění tvarů Chcete-li do obdélníku doplnit sloupky a díry, na kterých by tiskárna měla předvést, s jakou přesností je schopna tisknout, použijte nástroj »Circle«, a nakreslete na plochu kvádru kružnice. Aby byly sloupce rovné a přesné, použijte dočasné pomocné linky a měřítko. Když začnete používat nástroj na kreslení kruhu, můžete přesné rozměry zadat pomocí poloměru. Vytvořené kruhy můžete obrátit o 180 stupňů tak, že je zkopírujete, podržíte klávesu [Ctrl] a použijete nástroj »Turn«. Dále jsme použili nástroj »Push/Pull«, a to proto, aby na jedné straně kruhy vytvořily v kvádru prohlubně a na druhé straně z něj vylézaly ve formě sloupců vyčnívajících vzhůru.
4. Ze SketchUp do softwaru tiskárny Až budete s modelem hotovi, z nabídky programu SketchUp vyberte »File | Export to DXF or STL«. Pokud tuto volbu v nabídce nemáte, patrně se něco nepovedlo a plug-in STL nebyl do programu řádně nainstalován (viz krok 1). Pokud ji tam máte, potvrďte »Export entire model« (exportovat celý model), jako jednotku zadejte mm (»Export unit: Millimeters«) a jako formát vyberte
62
02/2014
4
DXF (»Export to DXF options«). Uložte soubor s příponou »stl«. Pomocí »File | Load Model file...« následně vložte model do softwaru tiskárny. V našem příkladu jsme použili software Cura tiskárny Ultimaker. Poté zadejte základní parametry, jako je kvalita tisku a použitý materiál, a uložte model ve formátu vhodném pro tiskárnu příkazem »File | Save GCode«. Pokud se během tiskového procesu něco nepovede, klikněte na tlačítko »Expert | Switch to full settings...«, abyste mohli upravit detaily, jako je tloušťka vrstev, vyplňování dutých prostor, tloušťka první vrstvy, rychlost tisku nebo teplota vzhledem k velikosti objektu. Potom zkopírujte soubor ».gcode« na SD kartu.
5
5. Laminování tiskové desky V návodu k tiskárně si najděte, zda je základní tiskovou desku potřeba laminovat. V případě tiskárny Ultimaker je to třeba udělat, a to proto, aby tisková hlava nepoškodila teplem tiskovou desku, která je z plexiskla, a proto, aby se z ní mohl po dokončení výrobek snadno sundat. U tiskárny dokonce najdete jednu roli lepicí pásky na desku. V případě, že ji vypotřebujete, můžete použít běžnou maskovací pásku, kterou používají malíři. Základní desku sejměte a nalepte na ni pásky bez mezer a bez překrývání. Není to obtížné, ale chce to trochu šikovnosti a praxe.
6
6. Vyrovnání a start Před každým tiskovým procesem musíte zkontrolovat zarovnání tiskové základní desky a v případě potřeby ji musíte vyrovnat. Podrobné pokyny pro tiskárnu Ultimaker (viz wiki.ultimaker. com/Calibrate) však zaberou několik stránek a najdete zde i instruktážní videa. Celý proces v podstatě spočívá v dotahování čtyř šroubů na okrajích plošiny (viz vpravo), aby vzdálenost tiskové hlavy a povrchu tiskové desky odpovídala požadavkům (většinou zhruba vzdálenost tloušťky běžného listu papíru), a to po celé ploše. Poté vložte do čtečky tiskárny paměťovou SD kartu s vygenerovaným souborem ».gcode« a použijte v nabídce »Card menu «. Zobrazí se všechny na kartě uložené Gcode soubory. Vybráním odpovídajícího souboru spustíte vlastní tisk.
7. Oprava chyb
7
Především na začátku tiskového procesu a tehdy, pokud si tisk teprve zkoušíte, je potřeba dohlížet pravidelně na jeho průběh. V případě jakýchkoli problémů tisk přerušte. V některých případech tak skončí váš výrobek v troskách. Při našem zkušebním tisku došlo u tiskárny Ultimaker k několika zastavením tisku a ne vždy mohl tiskový proces pokračovat dál. Již zahřáté vlákno se totiž může zaklínit a způsobit tiskové problémy a uváznutí. V tom případě musíte odstranit z trysek (zahřátých) všechen materiál. K tomu účelu slouží dva měděné stočené vodiče. Zkuste poté zjistit příčinu chyby tisku, a to i studiem webových stránek výrobce tiskárny, které se tímto problémem zabývají, opravte a optimalizujte zdrojový kód .gcode a zkuste tisk znovu.
8. Úprava vytištěného objektu Po dokončení tisku musíte opatrně hotový výrobek z tiskárny vyjmout – v případě potřeby k tomu použijte malou špachtli. Dále musíte upravit vyčnívající hrany, odstranit podpůrné struktury a převisy a další nežádoucí materiál. Nechtěné zbytky materiálu odstraňujte pomocí jemného pilníku nebo smirkového papíru. Pro nátěr můžete většinou použít běžné laky a barvy pro domácnost – v případě pochybností použijte plastový primer. Kompatibilitu můžete vyzkoušet na nepovedených vzorcích.
8
02/2014
63
