3D tisk

3D tisk neboli aditivní výroba také inkrementální nebo přírůstková výrobní technologie (anglicky 3D printing neboli additive manufacturing (AM)) je proces tvorby třídimenzionálních pevných objektů z digitálního souboru (Additive Manufacturing File – AMF). V aditivních procesech je objekt vytvořen pokládáním souvislých vrstev materiálu, dokud není celý projekt dokončen. Každá z těchto vrstev může být považována za úzce rozříznutou horizontální sekci daného objektu. Z mechanismů 3D tisku také vychází technologie 3D per.

Historie

Počátky technologie 3D tisku spadají do druhé poloviny 20. století, kdy si Chuck Hull nechal v roce 1986 patentovat technologii stereolitografie. Tato technika spočívá v trojrozměrném laserovém tisku s využitím UV laseru a tekutého fotopolymeru. Ale už roku 1980 se pokusil podat patent Hideo Kodama. Před koncem 90. let pak Chuck Hull pod hlavičkou jeho nové firmy 3D Systems vytvořil první zařízení tisknoucí v 3D formátu pro širokou veřejnost, tzv. stereolitografický aparát SLA-1. V té době se tomuto zařízení ještě neříkalo 3D tiskárna, nicméně modely SLA se také staly základem vývoje dnešních 3D tiskáren či CNC strojů. SLA-1 byl využíván pouze beta zákazníky a postupně upravován až přišla na svět podoba SLA-250, která byla nabídnuta široké veřejnosti. Stereo Lithography Apparatus SLA-1 je doposud k vidění ve Fordově muzeu v Dearborn, Michigan.

Inzerce

Nástup konkurence na trh přinesl nové technologie, např. modelování depozicí taveniny (FDM, Fused Deposition Modeling) využívající termoplast či selektivní laserové spékání (SLS, Selective Laser Sintering) pracující s CO₂ laserem a práškovým materiálem.

3D Systems si však dlouho držela vedoucí pozici na trhu. Pro ukázku, do roku 1996 se po celém světě prodalo přes 600 různých přístrojů SLA.

V roce 1993 Massachusettský technologický institut (MIT) patentoval technologii trojrozměrných tiskařských technik, která pracovala s práškovým materiálem a tekutým spojovačem. Licenci k této technologii poté koupila firma Z Corporation a na její bázi započala vývoj 3D tiskáren jako takových.

Pojem 3D tiskárna tedy pochází až z druhé poloviny 90. let.

Počátkem roku 2012 bylo vynalezeno první 3D pero 3Doodler.

Je tedy zřejmé že 3d tisk ohraničuje více typů technologií.

Typy 3d tiskových technologií:

• SLS – Selective Laser Sintering
• SLM – Selective Laser Melting
• SHS – Selective Heat Sintering
• BJ – Binder Jetting
• MJP – Multi Jet Printing
• EBM – Electronic Beam Melting
• FDM – Fused Deposition Modeling nebo FFF – Fused Fillament Fanrication
• CFF – Continuous Filament Fabrication
• SLA – Stereolitogrpahy apparatus
• DLP – Digital Light Processing
• LPM – Layered Powder Metallurgy
• POLYJET MATRIX
• MULTI JET MODELING
• LOM – Laminated Object Manufacturing
• Rapid Freeze Prototyping

Průběh tisku

K vytištění výrobku je potřeba několik kroků. Prvním je vytvoření 3D modelu. Je zde několik možností jak vytvořit 3D model – nejrozšířenější a i nejjednodušší je vymodelování 3D modelu v tzv. CAD softwaru, další způsob je použití 3D skener a poslední možností je použití obyčejné digitální kamery a fotogrammetrického softwaru. Vytvoření 3D objektu v CAD softwaru je celkem náročné a vyžaduje znalost daného softwaru, avšak uživatel si může se znalostí několika technik vytvořit téměř libovolný objekt. 3D skener je speciální zařízení, které umožňuje naskenovat danou věc v reálném světě a převést jí do digitální podoby, ale ta obsahuje chyby a proto se poté ještě musí upravit v CAD softwaru. V posledních letech se také vynořují takzvané „3D tržiště“, kde je možné stáhnout/koupit mnoho různých hotových 3D modelů, takže uživatel nemusí umět v CAD softwaru.

Poté co je vytvořen/stažen 3D objekt může nastat fáze samotného tisku. Ale před tím se ještě musí provést převod 3D modelu do formátu STL nebo OBJ tak, aby ho software pro ovládání tiskárny přečetl. Dále se musí z formátu STL vytvořit samotné instrukce pro tiskárnu (pohyb motorů, ovládání trysky, …). Tyto instrukce se nazývají tzv. G-kód (G-Code) a pro jejich vytvoření se využívají nejčastěji programy Skeinforge, Slic3r, Cura, atd. G-Code se pošle tiskárně, která pak daný objekt vytiskne.

Většinou se po výtisku ještě objekt upraví. Tyto úpravy zahrnují mimo jiné opilování, odlomení tzv. podpůrných konstrukcí (u technologie FDM) nebo třeba vyčištění (jiné technologie).

Trendy

Po roce 2003, kdy byl vývoj technologie urychlen vypršením některých patentů, se objevuje nová technologie polyjet, která pracuje s polymerem, který v tenkých vrstvách pokládá na podložku. Hlavice taví plast ze zásobníku a dvojrozměrně ho pokládá na podstavec, který se pohybuje ve třetím směru. Z konkrétních materiálů se využívají akrylonitrilbutadienstyren (ABS), polylaktid (PLA) či polyethylen (HDPE).

V praxi je tato technologie vhodná i pro 3D tiskárny menších rozměrů, což dává předpoklady pro možnosti domácího nasazení. Technologie tisku roztaveným plastem jde současně s vývojem malých domácích 3D tiskáren. Příkladem domácí tiskárny je RepRap, který je vyvíjen mezinárodní DIY/Maker komunitou a jeho kompletní návrh je volně k dispozici jako otevřený hardware. Lze tisknout i z kovu, skla či buněk.

Komerční vývoj a využití v České republice

Komerční 3D tisk, jehož počátky sledujeme až do osmdesátých let 20. století, je dosud doménou zejména průmyslových firem a podstatná většina produkce 3D tiskáren na světě směřuje do oblasti vývoje prototypů. Největšími světovými výrobci 3D tiskáren jsou společnosti Stratasys a 3D Systems. V České republice byly první průmyslové 3D tiskárny instalovány v polovině devadesátých let brněnskou společností MCAE Systems, jejíž zařízení využívá například Škoda Auto, Tescoma nebo mnozí dodavatelé v automobilovém a leteckém průmyslu. V období největšího rozmachu osobního 3D tisku také v Česku vzniklo několik start-upů, jež vyvíjejí a vyrábějí své vlastní 3D tiskárny, mj. firmy Aroja, be3D nebo David Paškevič. 3D tiskárna Prusa i3, nesoucí jméno českého vývojáře Josefa Průši, je dosud nejoblíbenější osobní 3D tiskárnou na světě. Většinu aktivit v oblasti profesionálního 3D tisku v České republice od roku 2012 zastřešuje konzultant v oblasti aditivní výroby Jan Homola, zakladatel Klastru aditivní výroby, pořadatel největších středoevropských konferencí a výstav o 3D tisku „3D tisk – trendy, zkušenosti a obchodní příležitosti“ na Mezinárodním strojírenském veletrhu, výstavy 3Dexpo a vydavatel webu 3D-tisk.cz, jehož obsah je archivován Národní knihovnou ČR. 3D tisk jako službu při prototypování a malosériové výrobě poskytují i menší firmy.

Využití

Navzdory velkému zájmu o technologie 3D tisku ze strany médií, jež informují zejména o okrajových a „populárních“ způsobech využití 3D tiskáren, jako je 3D tisk ve vesmíru nebo medicínské experimenty, spadá většina dosavadních aplikací do oblasti vývoje výrobků v průmyslu. Podle výzkumné organizace Gartner v roce 2014 tvořilo cca výrazně nadpoloviční většinu aplikací 3D tisku prototypování a vývoj výrobků. K prvnímu tisku ve vesmíru, konkrétně na nízké orbitě Země, došlo v listopadu 2014, kdy byly vytištěny první testovací vzorky na ISS.

Související články

• Rapid prototyping
• Prototyp
• Výroba
• 3D tisk – historie