3D tisk s deltou

Společnost Trilab nabízí dva základní typy 3D tiskáren – Trilab DeltiX a Trilab DeltiX Mini, které pro svou funkci nevyužívají běžný kartézský systém s XY manipulátorem a podložkou pohyblivou v ose Z, ale takzvanou delta kinematiku, která je známá z rychlých robotických manipulátorů. Výroba probíhá v prostorách, které si společnost pronajala v Technologickém centru Hradec Králové, sídlícím v nově zrekonstruované budově v areálu bývalého vojenského letiště. Domluvil jsem si schůzku a zajel se do Hradce podívat. Mým hostitelem byl technický ředitel společnosti Vojtěch Tambor, Ph.D.

Vzniku těchto 3D tiskáren a vlastně i samotné firmy pomohla náhoda a následné odhodlání jejích zakladatelů. Pan Tambor je totiž vzděláním chemik a původně pracoval ve výzkumu v oblasti biochemie. Při této práci se seznámil se svým pozdějším společníkem Michalem Boháčem, jenž pracoval ve firmě, která pro jejich pracoviště dodávala analytické přístroje. V rámci jednoho projektu pan Tambor potřeboval relativně jednoduchou redukci, která by usnadnila manipulaci se vzorky v analytickém stroji, jenže výrobce přístroje takový díl nenabízel. Bylo tedy nutné jej zhotovit vlastními silami a pan Tambor usoudil, že nejjednodušší by bylo vytisknout jej na 3D tiskárně.

Obstaral si tedy opensource kit, ze kterého tiskárnu sestavil. Padla mu do oka koncepce tiskárny Kossel využívající delta kinematiky, kterou v roce 2012 vyvinul Johann Rocholl. Tiskárnu pojmenoval po Albrechtu Kosselovi (německém biochemikovi, pionýru v oblasti genetiky a nositeli Nobelovy ceny za medicínu v roce 1910) a nabídl ji ke sdílení. Tato tiskárna podobně jako jiné tiskárny v této kategorii pracuje s FDM technologií, jao tiskový materiál tedy využívá extrudované plastové struny, tzv. filamenty.

Vojtěch Tambor před třemi roky svou první 3D tiskárnu nejen postavil, ale původní „hobby model“ zdokonalil a odladil natolik, že se mu u tištěných modelů podařilo dosáhnout velmi zajímavých výsledků využitelných v oblasti profesionálních aplikací. Na základě vlastních zkušeností si uvědomil velký potenciál této technologie, a tak v létě roku 2016 spolu s Michalem Boháčem odstartovali projekt Trilab, v němž se zabývají nejen vývojem, výrobou a prodejem, ale také školením a servisem 3D tiskáren a zakázkovým 3D tiskem. Společnost má sídlo v Brně, kde má od loňského roku také showroom, a zmíněnou provozovnu v Hradci Králové, kde 3D tiskárny vyrábí.

„Prostory pro firmu jsme si našli prostory v hradeckém Technologickém centru. Pro start-upy, jako jsme my, je takovýto začátek podnikání velmi výhodný,“ pochvaluje si Tambor. „Nejenže tu máme k dispozici služby, na jejichž zajištění bychom při rozjezdu firmy nemysleli, ale s tím, jak firma roste, se navíc můžeme postupně přesouvat do větších prostor. Teď už jsme se stěhovali potřetí,“ dodává s úsměvem. Výrobní prostory tak aktuálně zahrnují rozlehlou místnost s několika velkými pracovními stoly, kde se 3D tiskárny sestavují, své místo má také sekce pro vývoj. Zároveň zde stojí řada 3D tiskáren, na kterých probíhá tisk dílů potřebných pro výrobu, jako jsou rohy rámu, těleso tiskové hlavy, kryt ovládacího panelu a další detaily, jakož i zakázkový 3D tisk. Další, menší místnost slouží jako kancelář. Firma v loňském roce vyrobila přibližně šedesát 3D tiskáren a v Hradci a v Brně zaměstnává dohromady osm lidí. Kromě svých vlastních produktů nabízí také stereolitografické (SLA) tiskárny společnosti FormLabs. „Našim výrobkům nekonkurují, naopak se s nimi vzájemně doplňují. Tyto 3D tiskárny pracují na principu vytvrzování fotopolymeru laserovým paprskem. Mají velmi vysoké rozlišení a hodí se tedy pro díly s precizními detaily, které pomocí FDM technologie nelze vyrobit. V současné době jako jedni z mála nabízíme také zakázkový tisk na těchto strojích.“

V čem tedy spočívá tajemství 3D tiskáren DeltiX? „Naše tiskárny vycházejí z konceptu opensourcové tiskárny Kossel, ale konstrukčně jsme je zcela předělali,“ uvádí V. Tambor. „Výhoda zvolené koncepce spočívá ve vysoké rychlosti delta kinematiky a ve statické podložce, na níž se model staví. Díky tomu, že podložka se nepohybuje, netrápí nás její hmotnost a můžeme zvolit optimální materiál bez kompromisů, které bychom museli řešit, pokud bychom podložkou museli rychle pohybovat. Samotná tisková hlava je naopak velmi lehká, a proto jsou zde oproti kartézskému systému setrvačné síly mnohem menší. To spolu s tím, že tištěný model se nepohybuje, přináší vysokou kvalitu a přesnost tisku. Při vlastní konstrukci 3D tiskárny jsme se soustředili na kvalitní komponenty, které jinde nenajdete. Jde jak o náš vlastní vývoj, tak o nakupované komponenty, u kterých se zaměřujeme na vyšší třídu.“ Jedná se například o ocelová recirkulační lineární vedení, o karbonová ramena, která jsou velmi lehká a přitom tuhá, o precizní klouby či kvalitní hliníkové konstrukční profily použité pro stavbu rámu tiskárny. Tisková hlava je v konstrukci zavěšená na třech párech karbonových ramen zakončených klouby, které jsou na opačné straně uloženy na trojici vozíků pohybujících se ve svislých lineárních vedeních integrovaných do tří věží tiskárny. Řízeným pohybem těchto vozíků ve třech svislých osách pak lze tiskovou hlavu velmi přesně polohovat ve vymezeném tiskovém prostoru.

„Snažíme se spolupracovat s českými firmami,“ pokračuje pan Tambor. „Příkladem takové spolupráce jsou vyhřívané hliníkové podložky, na kterých se modely stavějí. Ty vyrábíme ze speciální hliníkové slitiny, která jednak vede dobře teplo, ale zároveň vykazuje minimální deformaci při zahřívání. To je zásadní nejen pro kvalitu tisku, ale hlavně pro přesnou kalibraci.“ Díky tomu, že podložka je napevno přišroubována k rámu, může být i dostatečně masivní – její tloušťka je 5 mm. Její povrch je frézovaný, a tedy perfektně rovný a je opatřen povrchovou úpravou ze speciálního materiálu, polyetherimidu (PEI), na němž dobře drží prakticky všechny dnes používané tiskové materiály. Povrch je navíc velmi odolný, prakticky bezúdržbový a tiskové materiály se z něj snadno odstraňují. Pro automatickou kalibraci tiskárny před začátkem tisku slouží bezdotyková indukční sonda, jejíž pomocí se zaměří poloha podložky.

Zapomenout nesmíme ani na vlastní FDM technologii, kterou společnost nakupuje od britské firmy E3D, na níž si pan Tambor cení inovativní přístup a současně spolehlivost jejích výrobků. V první řadě jde o tzv. hotend (doslova „horký konec“) – tedy vyhřívanou trysku uloženou na tiskové hlavě, která může běžně pracovat s teplotami do 300 °C. Díky tomu může tiskárna zpracovávat (roztavit) prakticky všechny běžně dostupné tiskové materiály. Trilab však má zkušenosti i s dodávkou zákaznických modifikací s max. teplotou 400 °C pro speciální materiály – tyto stroje nacházejí uplatnění především ve výzkumu a vývoji. K dispozici jsou trysky různých průměrů, a je tedy možné stavět velmi přesné modely s mnoha detaily, ale menší rychlostí, anebo je možné naopak pracovat s velkým průměrem trysky, tedy „hruběji“ po silnějších vrstvách, avšak podstatně rychleji, což je užitečné pro malosériovou výrobu technicky méně náročných dílů, například různých krytů. Na výtisku je pak patrná struktura daná přidáváním jednotlivých vrstev, což na druhou stranu může být pohledově zajímavé. Tisková hlava obsahuje také ventilátor pro chlazení výtisku.

Další důležitou komponentou od téhož dodavatele je extrudér, jehož úkolem je přesné dávkování filamentu do hotendu. Použitý extrudér s typovým označením Titan je dobře zpřevodován tak, že může do hotendu tlačit pomalu a velkou silou i poměrně tuhé materiály, a naopak při rychlém tisku dopravit do hotendu dostatečné množství materiálu. Extrudér není součástí tiskové hlavy, která tak může být velmi lehká, ale je připevněn k jedné z věží tiskárny. Struny filamentu jsou k tiskové hlavě vedeny bovdenovým vedením.

Oba typy vyráběných 3D tiskáren se liší tiskovým objemem – větší nabízí průměr 250 mm a výšku 300 mm, menší průměr 180 mm a výšku 200 mm. „Tyto tiskové objemy jsou pro většinu aplikací dostačující,“ uvádí Vojtěch Tambor. „Při požadavku na tisk větších dílů se model rozdělí na několik menších částí, které se tisknou samostatně. Vyrobili jsme však také zákaznickou modifikaci tiskárny umožňující tisk modelů vysokých až jeden metr.“

Pracovní postup přípravy modelu pro tisk je velmi podobný jako u jiných FDM tiskáren. Před vlastním tiskem se nachystaný CAD model převede do STL formátu, který se pak v tzv. sliceru (specializovaném softwaru) „rozřeže“ na jednotlivé vrstvy, zadá se stupeň vyplnění modelu a podpory. Následně se vygeneruje G kód pro tiskárnu. Firmware tiskárny se již postará o transformaci zadaných souřadnic do pohybů v jednotlivých lineárních vedeních a řízení tisku. Tiskárna pracuje autonomně, bez potřeby připojeného počítače.

Tisknout lze prakticky všechny materiály s teplotou tavení do 300 °C, resp. 400 °C. Mezi nejběžnější patří ABS, PLA, velkým rozvojem nyní procházejí materiály založené na PETu, dále nylony nebo vodou rozpustný PVA. Zajímavé jsou také kompozitní materiály, jako nylon plněný karbonovými vlákny, pro umělecké tzv. art aplikace se často používají plastové materiály s dřevěnými plnivy, jimiž lze imitovat vzhled dřeva. „Z plastikářského průmyslu máme často požadavky na tisk ABS, neboť jde o běžný technický plast, na který jsou plastaři zvyklí. Ve 3D tiskových aplikacích však lze často mnohem lépe dostát požadovaným parametrům s PLA, který se velmi dobře tiskne,“ vysvětluje rozdíly mezi materiály pan Tambor. „I když má v některých aplikacích ABS bezesporu své místo, je na tisk mnohem náročnější, protože má velkou míru smrštivosti a tištěný model má tendenci se kroutit a praskat. PLA naproti tomu při tisku poskytuje mnohem větší volnost, a je proto výhodný i pro začátečníky. PLA je velmi tvrdý a má dobrou chemickou odolnost, naproti tomu teplotní odolnost přibližně jen do 60 °C, pak začíná měknout. Mezi průmyslovými zákazníky je často neprávem podceňován. Zajímavé materiály jsou ze skupiny PET, které se rovněž dobře tisknou, mají však jiné spektrum chemické odolnosti a vydrží do teplot kolem 80 °C. Přitom jsou pružnější a houževnatější, zatímco PLA je sice velmi tvrdý, ale také poměrně křehký. Pokud bychom použili velmi hrubou analogii s kovem, PET se chová podobně jako ocel, PLA spíše jako litina.“

K hlavním odběratelům 3D tiskáren Trilab DeltiX patří univerzity, výzkumné instituce, firmy z oblasti automobilového průmyslu, hodně se používají v oblasti produktového designu, kde je kladen velký důraz na kvalitu tisku, a v průmyslovém vývoji. Velkou skupinu aplikací představuje malosériová výroba. Typicky se tisknou montážní elementy (příkladem mohou být adaptéry pro montáž elektroniky do rozvaděčů na DIN lištu), součásti medicínských přístrojů aj. Zde se výroba formy nevyplatí – za cenu jedné formy lze pořídit několik 3D tiskáren, které na rozdíl od formy umožňují vysokou flexibilitu výroby. Návratnost je zde prakticky okamžitá. Velký potenciál představuje výroba přípravků, které často mívají složité tvary a jejich výroba frézováním na odpovídajících CNC centrech je velmi drahá. Investice 3D tiskárny se pak často vrátí v řádu týdnů. Běžně se také stává, že firmy 3D tiskárnu sice pořídí kvůli potřebě výroby konkrétního dílu, ale jak postupně objevují další možnosti 3D tisku, původně nejvýznamnější aplikace se stává druhořadou.

Dosti netradiční aplikací je 3D tisk čokolády, kterou tiskárny Trilab DeltiX předvedly na pražském festivalu Designblok. „Jednalo se o společný projekt s Umprum pro společnost T-Mobile. Na výstavě byl návštěvníkům předváděn tisk čokolády v zajímavých tvarech, které není možné tradičními metodami vyrobit. Čokoláda se však chová jinak než roztavený plast. Museli jsme vyřešit kontrolované dávkování čokolády a donutit ji chladnout po vrstvách. Ale jde to,“ směje se V. Tambor.

Vlastnosti 3D tiskáren Trilab DeltiX prověřil i loňský ročník soutěže Souboj 3D tiskáren, která byla součástí programu výstavy 3Dexpo. V této soutěži jde o vytištění předem neznámého a technicky náročného modelu obsahujícího například převisy, přemostění či tenké stěny. „Přihlásili jsme se na poslední chvíli a obsadili jsme hned první a třetí místo,“ uvádí s hrdostí V. Tambor. „Říkáme, že delty tisknou jinak a dobře. Tento výsledek to potvrzuje.“ Součástí dodávek tiskáren je také servis, který může zahrnovat nejen základní zaškolení, ale také školení připravené na míru podle oblasti využití a tomu odpovídajících aplikací. Aktuálně společnost vyrábí kolem deseti 3D tiskáren měsíčně.

Pavel Marek

pavel.marek@mmspektrum.com