Technologie pro rychlou výrobu prototypů zažívají nebývalý rozmach a stávají se dostupnými i pro malé firmy, které si pořízení těchto strojů dříve nemohly dovolit. Ti náročnější pak mohou sáhnout po vysoce výkonných produkčních strojích.
Psal se rok 1996, kdy se zástupci tehdy ještě docela mladé české společnosti MCAE Systems v zahraničí poprvé setkali s technologiemi firmy Stratasys. Stroje pro rychlou tvorbu prototypů je zaujaly natolik, že Stratasys přesvědčili ke spoluúčasti na tehdejším veletrhu Invex v Brně. Stroj FDM 1650 tak byl zřejmě prvním veřejně prezentovaným systémem pro rapid prototyping v Česku. Vyvolal značný ohlas a již krátce po výstavě se objevili první vážní zájemci o jeho pořízení.
Pojem 3D tiskárna se formoval postupně několik let. Je nutno podotknout, že pod tímto označením dnes rozumíme jednodušší formu zařízení pro rychlé zhotovení fyzického modelu. Jednodušší především z pohledu přípravy, ovládání, údržby, tak jak je tomu u klasické tiskárny. V nabídce Stratasysu bylo takové zařízení s názvem Genisys již v roce 1996. Tehdy se začala rodit myšlenka zpřístupnění 3D tisku také menším firmám a do budoucna snad dokonce i domácnostem.
Zlom představoval rok 2002 s příchodem 3D tiskárny Dimension. Bylo to snad po prve v historii, kdy cena zařízení klesla pod hranici třiceti tisíc dolarů. Trh na to tehdy reagoval velmi pozitivně a firmě Stratasys prudce vzrostl počet prodaných zařízení. Jednotlivé typy 3D tiskáren byly dále rozvíjeny v různých liniích, jež se odlišují velikostí pracovního prostoru, jemností detailu a typem podpor. Pro všechny je u této značky společné užití termoplastu ABS, jenž má široké uplatnění v různých aplikacích.
Další důležitým mezníkem bylo představení tiskárny uPrint Personal 3D Printer počátkem roku 2009, která již nese přízvisko „osobní“. Ke stavbě modelů využívá materiál ABSplus se zvýšenou pevností, přičemž cena zařízení klesla ke dvanácti tisícům dolarů.
Produktová řada 3D tiskáren značky Dimension od společnosti Stratasys.
Výkonné výrobní systémy
Jednodušším 3D tiskárnám sekundují složitější zařízení pro výrobu modelů označované jako 3D výrobní systémy. Například řada Fortus 3D Production Systems, umožňující stavbu velmi přesných, pevných a rozměrově stabilních modelů z širokého spektra vysoce kvalitních plastů. Tato zařízení mají velký stavební prostor a vysoký výkon při stavbě dílů. Díky možnostem softwarové optimalizace lze u nich výrazně zefektivnit celkový čas stavby i kvalitu modelu. Obecně je na trhu aditivní výroby (Additive Fabrication) patrná snaha přiblížit se možnostem výrobních strojů, které produkují koncové výrobky, což se stává v současnosti dominantním způsobem jejich využití.
3D tiskárny i 3D výrobní systémy firmy Stratasys jsou založeny na technologii FDM (Fused Deposition Modeling). Princip stavby je vcelku prostý. Výchozím materiálem je plastové vlákno navinuté na cívce, které se podává do pracovní hlavy. Zde je materiál roztaven a přes tenkou trysku kontinuálně nanášen v tenké vrstvě na podložku, kde tuhne volně na vzduchu. Pracovní hlava se pohybuje v rovině a po dokončení jedné vrstvy stůl s podložkou vertikálně klesne o její tloušťku.
Po odloupnutí od podložky a odstranění podpor je model ihned k dispozici pro další využití. Není nutná jeho další úprava. Jednoduchý princip fungování přináší řadu výhod – dostupnou cenu, snadnou obsluhu, nízké provozní náklady a spolehlivost zařízení, které lze provozovat i ve standardních kancelářských prostorách.
Zmiňované 3D tiskárny dnes nabízí stavěcí prostor od 203 × 152 × 152 mm do 252 × 252 × 305 mm, 3D výrobní systémy Fortus od 355 × 254 × 254 mm až do 914 × 610 × 914 mm.
Jednodušším 3D tiskárnám dnes sekundují složitější a výkonnější zařízení pro výrobu modelů označované jako 3D výrobní systémy.
Materiály s širokým uplatněním
Termoplasty jako ABS, PC (polykarbonát), PPSF/PPSU (polyphenylsulfon), ULTEM-9085 a jejich modifikace používané ke stavbě modelů, se vyznačují velmi dobrými mechanickými vlastnostmi a tvarovou stálostí v čase. Tato vlastnost společně s geometrickou přesností vytváří dobré předpoklady pro využití modelů při montážních zkouškách, pro funkční testování a v neposlední řadě všude tam, kde by vytvořený model byl za dalších podmínek užit jako koncový výrobek. Další důležitou vlastností například termoplastu PPSF je chemická rezistence a teplotní odolnost až do 190 °C, pročež může být použit na stavbu teplotně namáhaných dílů.
Nový termoplast ULTEM je certifikován pro použití v letectví, splňuje požadavky na nehořlavost, samozhášivost a nízkou toxicitu. Je vhodný pro interiérové díly v letadlech a dalších dopravních prostředcích. Modifikace termoplastů ABS-ME30i a PC-ISO vybízejí k využití těchto materiálů pro medicínské nebo farmaceutické aplikace a v obalové technice potravinářského průmyslu. Jsou biologicky-kompatibilní a mohou být dalším postupem sterilizovány. PC-ISO je navíc pevným materiálem vhodným pro nástroje a zařízení v medicínském průmyslu.
ABS a jeho modifikace se dodávají v různých barevných provedeních a modely mohou být snadno barveny nebo pokoveny. Typická schodečková struktura povrchu vzniklá postupným vrstvením, příznačná modelům vytvořeným 3D tiskem, může být vyhlazena tradičními technikami tmelení a broušení. Je však možno využít též nové technologie Finishing Touch Smoothing Station od Stratasysu. Zde je povrch vyhlazen do vysoké kvality, aniž by došlo ke změně geometrie.
Tato kvalita je vyžadována především pro designové a prezentační modely, master modely pro vakuové lití do silikonového kaučuku nebo pro technologie pokovení modelů. Různé stavěcí styly nabízené 3D tiskárnami a 3D výrobními systémy firmy Stratasys mohou tak snadno zhotovit velmi lehké modely a redukovat stavěcí čas i cenu „výtisku“. Takové modely jsou často vyžadovány pro technologie vakuového formování nebo pro přesné lití metodou vytavitelného modelu.
Produktem 3D tisku může být po kompletaci a při využití velkokapacitního stroje klidně i funkční letadlový motor ve skutečném měřítku.
3D tisk v českých rukách
Situace s rozmachem aditivní výroby prototypů v České republice se výrazně neodlišuje od stavu ve světě. Klíčovou oblastí jsou i zde výrobky pro spotřební a automobilový průmysl. Rovněž využití 3D tisku na školách a v medicíně se dostává do popředí. Podle informací, které máme k dispozici, počet instalovaných systémů 3D tisku u nás už předloni překročil hranici sta strojů a blíží se k číslu 150. Někteří zákazníci firmy MCAE Systems, která zde tuto technologii začala nabízet jako jedna z prvních, využívají 3D tisk již více než deset let.
Mezi první uživatele technologií rapid prototypingu se od počátku řadily firmy z oblasti letectví. Z poslední doby se pro jejich používání rozhodla například firma Evektor, která po prvních pozitivních zkušenostech s využitím 3D tiskárny Dimension přešla na 3D výrobní systém Fortus 900mc, jenž umožňuje stavět téměř metrový model. Využit bude pro výrobu přípravků, stavbu interiérových dílů letadel a služby. Vedle mnoha dalších společností – například Škoda Auto, Robert Bosch, Hella nebo Visteon – u nás velmi aktivně využívá těchto metod také firma Tescoma, která využívá již několik strojů pro své návrhy v designérském studiu.
3D tiskárny Stratasys jsou dostupné i pro školy o čemž svědčí řada již instalovaných zařízení. Patří mezi ně VUT v Brně, ČVUT v Praze, TU v Liberci, Vysoká škola báňská v Ostravě, Strojnická fakulta na Žilinské Univerzitě, STU v Bratislavě a řada dalších vysokých a středních škol i učilišť. 3D tisk je začleněn do výuky a využit při diplomových pracích a další vědecké činnosti. Důležitá je rovněž spolupráce s průmyslem.
Pro údržbu strojů je samozřejmě velmi důležitá spolehlivá technická podpora. Většina zákazníků MCAE Systems proto využívá předplacený hardwarový servis pro instalovaná zařízení.
(Autor: Miloslav Drápela, MCAE Systems)
