Jak vybrat 3D tiskárnu

Svět 3D tiskáren je komplikovaný, proto věnujeme první část článku popisu principů fungování. Za velmi podstatné totiž považujeme zvážit výběr optimálního typu přístroje podle užité technologie tisku.

Nezapomínejte zvolit vhodné technické řešení, jelikož od toho se odvíjí další možnosti tisku. Klíčové kritérium představuje i materiál, z něhož tiskárna „kouzlí“. Užít můžete hned několika druhů plastických hmot. Nezapomínejte ani na velikost tiskové plochy, od níž se odvíjí velikostní omezení výsledných produktů.

Mezi nejvýznamnější parametry řadíme i úroveň tisku a užitý souřadnicový systém. Vzájemný pohyb dvou nebo tří os určuje efektivitu a rychlost práce. Během nákupu neopomíjejte ani doplňkové vybavení a další tiskové parametry.

Závěrem se zabýváme přehledem cen. Jednotlivé modely jsme zařadili do několika skupin podle požadované sumy. Jen letmým pohledem tak zjistíte, co za své peníze očekávat a za jaké vlastnosti si i připlatit.

Princip fungování

Zamýšleli jste se někdy nad tím, jak je možné vytisknout něco trojrozměrného? U klasických tiskáren je princip jasný, ve své podstatě jde o automatizovaný knihtisk. Jak je ale možné, že stačí mít počítač, kde nastavíte pár příkazů a po několika desítkách minut třímáte v rukou fyzický objekt?

Když byl 3D tisk v plenkách, všichni vynálezci si své technologie přísně střežili. To mělo za následek vývoj celé škály různých technologií. Základní princip je jednoduchý, tiskárně poskytnete digitální model požadovaného předmětu a výrobní materiál. V tom, jaký postup tiskárna použije, se technologie rozcházejí. Různí se také typy vhodných materiálů.

Typ technologie

Výsledek 3D tisku vypadá vždy podobně, ale cesta, která k němu vede, nikoliv. Na to, abychom se zabývali všemi možnostmi, v článku bohužel nemáme prostor. Popíšeme si tedy alespoň ty nejběžnější technologie. Označovány jsou zkratkami FDM, SLA a SLS.

• FDM (Fusion Deposition Modeling) – tenký proužek materiálu je taven při teplotě 200 °C ve viditelných vrstvách, kvalita závisí od materiálu a úrovně tiskárny. Vyznačuje se obecně nižší cenou.
• SLA (Stereolitografie) – postupné vytvrzování materiálu pomocí světla různých vlnových délek, vysoké rozlišení, čistota výsledného objektu, vysoká cena zařízení i materiálu. Tato technologie je nejstarší.
• SLS (Selective Laser Sintering) – jak jste si určitě domysleli podle názvu, tato technologie používá ke spékání materiálu laser. Materiál je v tomto případě ve formě prášku, proto se také těmto tiskárnám někdy přezdívá „prachové“.

Konstrukce FDM 3D tiskárny

Konstrukce SLA 3D tiskárny

Od těchto technologií se odvíjí spousta individuálních parametrů. Jako jednotlivci či menší provozy se však téměř vždy setkáte s prvně jmenovaným systémem. Důvodem je jeho několikanásobně nižší pořizovací i provozní cena. Proto se také budeme v dalších kapitolách věnovat výhradně FDM technologii.

Technologické řešení

Tak zní další podstatná otázka, na kterou je vhodné ještě před nákupem nalézt odpověď. Vzhledem k naturelu 3D tiskáren, jež začínaly jako výstřelky IT nadšenců, existují hned dvě různé varianty prodeje – Open Source a proprietální design.

Open Source, tedy otevřené řešení, usnadňuje práci kutilům a školám. Veškerá dokumentace a princip fungování jsou volně dostupné, přičemž každý si může svůj přístroj podle libosti upravovat a zlepšovat. Náhradní díly pořídíte hned od několika různých společností, což pozitivně ovlivňuje jejich snadnou dostupnost a nižší cenu.

Proprietální design neboli uzavřené řešení vám zase poskytne jistotu, že přesně víte, co kupujete. Výrobce garantuje odpovídající úroveň tisku i použitých materiálů. Při Open Source licenci sice můžete zakoupit přístroj nesoucí jméno známé firmy, nikdy si však nemůžete být jisti, zda před prodejem neprošel úpravou, kvůli níž došlo ke snížení úrovně. Uzavřené řešení funguje jako klasický obchodní model – veškeré technické specifikace jsou licencí daného producenta, bez jehož vědomí je nelze modifikovat.

Je tedy pochopitelné, že větší podniky či zdravotnické instituce sáhnou spíše po uzavřeném řešení. Jednotlivci a IT nadšenci, kteří se často zároveň stávají členy podobně naladěné komunity, zase upřednostní Open Source, který jim poskytuje lepší možnosti, jak „se vyřádit“.

Materiály

K čemu by byla tiskárna bez materiálu? Správně, naprosto k ničemu. Během nákupu proto věnujte náležitou pozornost i různým druhům podporovaných plastů. 3D tiskárny pracují výhradně s ním. Existuje ovšem celá řada druhů plastů odlišných vlastností a uplatnění:

• ABS – nízká cena, vysoká tepelná i mechanická odolnost, nízká nasákavost, při tavení vznikají škodlivé výpary, kvůli špatné přilnavosti je nutná vyhřívací podložka, pro výrobu funkčních věcí
• PLA – biologicky odbouratelný, levný, tavitelný při nízkých teplotách, vhodný pro pohledové věci, nepříliš odolný proti mechanickému a tepelnému poškození, zanáší trysky
• PET – vyšší cena, pevnost, stálost, malá tepelná roztažnost, optimální kombinace pozitivních vlastností obou levnějších materiálů
• Laywood – PLA s příměsí dřeva, vysoká cena, luxusnější vzhled výrobků, barva ovlivněná způsobem tisku
• Nylon – vysoká cena, tavitelný za velmi vysokých teplot, houževnatý a flexibilní.

Nejhojněji se v dílnách uplatňují ABS a PLA, v luxusnějších provozech má potom své pevné místo PET. Důvodem je vyvážený poměr mezi cenou a výkonem stejně jako funkčnost se všemi modely tiskáren. Pozor si dávejte na negativní vlastnosti jednotlivých látek a volte je vždy s ohledem na podobu a účel výrobků.

Dávejte si též pozor na tzv. čipované cartridge. Podobně jako u klasických tiskáren mnohdy výrobci podporují pouze originální náplně. Jejich kvalita je naprosto stejná jako u neznačkových variant, avšak přirážka k ceně často cenu zvedá až trojnásobně.

Poslední věcí, kterou je u cartridgí nutné brát v potaz, je jejich poměrně nízká trvanlivost. Některé materiály totiž časem bobtnají a znehodnocují se. Pokud tedy tisknete jen příležitostně, pokuste se zajistit si odpovídající množství materiálu, abyste jej později nemuseli vyhazovat.

Velikost tiskové plochy

Určitou roli sehrává i velikost tiskové plochy. Plánujete se poohlédnout po co největší tak, abyste si mohli natisknout rozměrné předměty? Raději tento plán přehodnoťte, neboť tiskárny s menší plochou pracují výrazně lépe než „obři“.

Velká omezení vyplývají z vlastností samotných plastů. Vlivem vysokých teplot a následného vychladnutí mají tendenci se kroutit a deformovat, takže příliš velký kus nenávratně zdeformuje celý výtisk. Částečně sice pomáhá vyhřívaná podložka udržující stabilní teplotu, ale ani ona nezaručuje stoprocentní výsledek.

Obecně doporučujeme spíše zakoupit větší počet menších přístrojů než jeden velký. Jednak ušetříte ne zrovna malou sumu peněz, jednak budete tisknout mnohem efektivněji. Několik tiskáren může najednou zpracovávat dílčí části, jež následně slepíte. Takový postup je mnohem lepší než čekat desítky hodin na výrobu mohutné krabice, abyste následně zjistili, že vlivem deformace materiálu je výsledek naprosto k ničemu.

Některé tiskárny se prodávají zajímavým způsobem. Zakoupíte tiskárnu a v balení vám přijde menší model a materiál. Vaším prvním úkolem bude zakoupenou „velkou“ tiskárnu vytvořit. Po tomto způsobu nákupu tedy pravděpodobně sáhnou spíše zkušení uživatelé.

Kvalita a rychlost tisku

Kvalitou tisku zde myslíme přesnost, která se udává v mikronech. Není to žádná věda, mikron je 0,001 mm, takže pokud výrobce udává přesnost do 20 mikronů, snadno to přepočítáte na 0,02 mm. Ve skutečnosti jde o výšku jedné vrstvy, jež by měla být co možná nejmenší. Počítejte s tím, že náš mozek je schopen přesně odlišit vrstvy o výšce do 0,05 mm. Nad touto hranicí na nás předměty působí dokonale za předpokladu, že tiskárna pracuje v dostatečné kvalitě.

Rozhodně neopomíjejte ani rychlost práce. Obvykle se pohybuje okolo 100 mm/s, což je vskutku solidní číslo. Dejte si však pozor, aby vysokých rychlostí nebylo dosahováno na úkor kvality. K čemu vám bude bleskově vyrobený předmět s množstvím nerovností a špatně vybroušených hran?

Při nákupu vždy vyžadujte zkušební tisk! Jestliže vám jej prodejce neumožní, patrně se snaží něco maskovat. Minimálně by měl mít k dispozici ukázku výsledku práce konkrétního modelu tak, abyste si mohli učinit odpovídající představu.

Průměr trysky

Dalším kritériem, které se týká kvality, je průměr trysky, která nanáší jednotlivé vrstvy na sebe. Standardní průměr výchozí trysky téměř všech tiskáren je 0,4 mm. Na trhu však najdete menší i větší trysky a jejich výměna je záležitostí jen několika minut.

Základním pravidlem je, že výška vrstvy by neměla přesahovat 80 % průměru trysky. Pokud tedy používáte základní 0,4mm trysku, výška vrstvy by měla mít maximálně 0,32 mm. Čím větší trysku však použijete, tím vyšší vrstvy dokážete nanášet, což může vaši práci významně urychlit. Musíme vás však varovat před tiskem šikmých ploch. Vlivem vysokých vrstev se na vašem výtvoru totiž mohou objevit hrbolky a další nepřesnosti.

Pro lepší rozlišení naopak využijete menší trysky. Jejich výhody jsou patrné na členitých objektech i například na tisku textu. Pokud tedy chcete vytisknout vizitku, tryska s průměrem 0,25 mm pro vás odvede lepší práci. Zbaví vás vrásek také v případě, že pro tisk složitého objektu potřebujete tisknout také podpory, které později odstraníte. Odstranění podpor je totiž s touto tryskou snadné a zanechá na výtisku mnohem menší škody. Na druhou stranu vás však musíme varovat před vyšším nebezpečím ucpání trysky. Protože ucpaná tryska zanechává v tisku mezery, bude nutné ji vyčistit. Při tisku jednodušších, například kvádrovitých objektů je přesnost víceméně stejná, menší průměr trysky je tedy riskantní a zbytečný.

Souřadnicový systém

K tisku je zapotřebí součinnosti tří tiskových hlav, jež se svým pohybem podílejí na výrobě. Pro jejich pohyb se užívá čtyř různých systémů, lišících se principem fungování, ale i efektivitou:

• Kartézský – podobný 2D tiskárnám, osy X, Y, Z, hlava se pohybuje nahoru a dolů, podložka dopředu a dozadu, vhodné pro tisk menších objektů
• Delta – osy X, Y, Z, extruder (tryska) zavěšen na 3 ramena, tisk úzkých a vysokých objektů, vyšší cena
• Polar – dvě osy pro pohyb hlavy a podložky, snadné sestavení, obtížné ovládání, vhodné pro vázovité tvary
• Scara – dvě robotická nebo jedno kloubové rameno ovládající extruder, snadné sestavení, značný potenciál do budoucna, vysoká cena.

Hmotnost

Váha celé tiskárny je důležitým kritériem, a to nejen když tiskárnu plánujete často přesouvat. Samozřejmě, že pokud si například tiskárnu pořídí několik lidí dohromady, kteří si ji budou půjčovat, asi je nenadchne stroj, jehož přesun je bude stát veškerou energii. S nižší hmotností se také často pojí lepší skladnost.

Přesto je tu jeden důležitý aspekt, který by neměl ujít vaší pozornosti. Chod tiskárny provázejí drobné otřesy. Čím těžší tiskárna je, tím nižší je riziko, že bude výsledný objekt během těchto otřesů poničen. Pokud tedy máte dostatek místa a nepotřebujete tiskárnu přesouvat, doporučíme vám spíš těžší, a tedy stabilnější model.

Další možnosti tiskárny

U samotného tisku nehraje roli pouze podoba výsledného modelu, ale i celá řada dodatečných parametrů. Ty během nákupu rozhodně neopomíjejte, neboť významným způsobem rozšiřují vaše možnosti, případně se podílejí na zdárném průběhu práce. Za zmínku jich stojí hned několik:

• Bezdrátový provoz – uložení informací do interní paměti, možnost vypnutí PC po zahájení tisku, připojení přes síť Wi-Fi nebo LAN
• Vyhřívaná komora nebo podložka – omezují chladnutí plastu při tisku, zamezují jeho praskání
• Tisk několika materiály nebo barvami současně – dvě a více trysek se samostatným nastavením
• Software – programové vybavení pro ovládání tiskárny.

Další využití 3D tisku

3D tisk je jedním z oborů, kde zítra znamená včera. Už dnes se tedy setkáte s jeho využitím v oblastech, kde byste jej možná nečekali.

• Tisk jídla – V tomto případě máte v jednotlivých tryskách vloženy náplně v podobě těsta, čokolády nebo třeba sýru. Zní to možná šíleně, ale například NASA rozvíjí tento nápad s cílem zásobovat astronauty na dlouhotrvajících cestách. Dalším zajímavým využitím je výroba stejného, avšak měkčího jídla pro lidi, kteří by z různých důvodů „originál“ nerozkousali. Dokonce již po světě existuje několik restaurací, které servírují vytisknutá jídla (Zdroj: 3D Sourced). Ačkoliv dorty a zákusky jsou velmi krásně zdobené, cestu do srdcí českých hospodyněk si asi zatím nenacházejí.
• Tisk uměleckých děl – Objevil se již koncem minulého století, avšak boomu se dočkal až v tom současném. V letech 2012, 2013 a 2014 se konala 3D Printshow, kde byly prezentovány nejen pokroky tisku ve zdravotnictví, dopravě a dalších seriózních oborech, ale také v sochařství, designu nebo módním průmyslu. V dnešní době již můžeme rozeznávat několik uměleckých žánrů od snahy o co nejpřesnější zachycení reality přes záchvěvy emocí až po cílenou deformaci.

Cena

Závěr každého článku je věnován cenám a ani tento text nebude žádnou výjimkou. 3D tiskárny se těší ze široké škály uplatnění. Fungují stejně dobře v domácí dílně jako v profesionálních institucích či zdravotnických laboratořích. I proto asi nepřekvapí, že škála cenových rozpětí je poměrně široká. My jsme na základě cenové analýzy identifikovali hned tři významné intervaly.

Cena do 10 000 Kč

Potřebujete si vytisknout knoflík? Rádi byste své ratolesti naučili, jak pracovat s trojrozměrnými modely? Vedete ve škole kroužek informatiky? Stačí se kouknout do základní cenové skupiny, v níž najdete přesně takové zařízení, jaká potřebujete. Neočekávejte přesnost na mikron ani využívání náročnějších materiálů, s drobnějšími úkoly si ale poradí velmi dobře.

Doporučujeme zakoupit výrobek postavený na Open Source licenci. Díky tomu se vyhnete nutnosti nákupu certifikovaných dílů a čipovaných cartridgí. Nebudete muset zbytečně platit nemalé sumy za pořízení něčeho, co lze zakoupit několikanásobně levněji.

Cena od 10 000 do 30 000 Kč

Střední kategorie obsahuje tiskárny určené náročnějším klientům i menším průmyslovým podnikům. Samozřejmostí je širší podpora různorodých materiálů a konektivita. Rychlost přesahuje hranici 200 mm/s, takže nemusíte na svůj výtvor čekat dlouhé desítky minut. K mání jsou uzavřené i otevřené designy, záleží na tom, zda upřednostňujete jistotu nebo kreativitu.

Cena nad 30 000 Kč

V laboratořích a profesionálních provozech se jistě ujmou tiskárny nejvyšší kategorie. U nich je možné prakticky cokoliv. Jakýkoliv materiál, tvar a do jisté míry i velikosti. Vrstvy ani hrany prakticky nepoznáte, neboť vše bude perfektně sedět. Počítejte s tím, že profesionální stroje již bývají vyráběny pod pečlivě střeženými licencemi.

Kde získat modely pro 3D tisk

Jak jsme zmiňovali na začátku článku, tiskárna potřebuje digitální model, podle kterého tvoří. Existuje hned několik cest, jak se k modelům dostat.

• Stáhnout z internetu. Možnost, kterou uvítají spíše začátečníci. Existují celé databáze modelů, které můžete stahovat. Největší z nich, Thingiverze, je navíc zdarma. Další výhodou je komunita, která se kolem databází vytváří. Tím spíš totiž najdete někoho, kdo už model před vámi stáhl a bude ochotný vám v začátcích poradit.
• Vymodelovat si jej. Časem vás ale nejspíš začne lákat tisk, který ovládnete od začátku do konce. Nebo budete potřebovat vytvořit něco velmi specifického. K dispozici budete mít různé programy. Opět – řada z nich je zdarma. Rozšířené jsou například FreeCAD, SketchUp Free či Malování 3D.
• Naskenovat 3D skenerem. Okrajová možnost, pro kterou potřebujete další zařízení. 3D skener navíc nepatří mezi nejlevnější přístroje, jeho cena se může pohybovat i v desetitisících korun. Přesto je však možné, že mezi nadšenci pro 3D tisk si najde své uživatele.