Issuu

Začínáme s 3D tiskem Vyšlo také v tištěné verzi

Objednat můžete na www.computerpress.cz www.albatrosmedia.cz

Všechna práva vyhrazena. Žádná část této publikace nesmí být rozšiřována bez písemného souhlasu majitelů práv.

Obsah Předmluva 8 Úvod do 3D tisku

Princip 3D tisku

3D tisk není variantou 2D tisku

Očekávání při seznamování s 3D tiskem

Nemějte obavy! Proto jsme napsali tuto knihu

Obsah této knihy

15 ČÁST I APLIKACE 3D TISKU

KAPITOLA 1 Jste připraveni na blížící se revoluci? Výroba opisuje kruh 3D tisk „Třetí průmyslová revoluce“ Před průmyslovou revolucí 1. a 2. průmyslová revoluce

19 20 21 21 21 21

KAPITOLA 2 3D tisk a hnutí výrobců

Vliv hnutí výrobců

Kdo jsou výrobci?

Jak ekosystém 3D tisku pomáhá lidem, aby se stali výrobci

KAPITOLA 3 Uplatnění 3D tisku v současnosti

Rychlé prototypování nápadů, návrhů a vynálezů

Progresivní firmy aktivně nabízejí 3D tisk

Nebojte se. Nebude to dražší. Složitost je zadarmo

3D tisk umožňuje pokroky ve zdravotnictví

3D tisk vložek do bot

37 ČÁST II VOLBY HARDWARU A TISKU

KAPITOLA 4 Seznámení s tiskárnami FDM Stupně rozlišení

41 43

Rám/šasi 45 Tisková deska

Řízení lineárního pohybu

Extrudér 53 Vlákno 58 PLA polylaktid 58 ABS akrylonitrilbutadienstyren 58 TPE termoplastický elastomer 58 Pomocné materiály 58 Tipy k úspěšnému tisku s tiskárnami FDM 59 PET polyethylentereftalát 59 Nylon 59 Adheze tiskové desky

Nářezové programy

Nářezové programy mají různé vlastnosti

Uchycení a vyrovnání tiskové desky

KAPITOLA 5 Seznámení s tiskárnami SLA

Funkční principy

Cena materiálu

Typy pryskyřice

Dva typy tiskáren SLA: laserové a DLP

Profil tiskárny: Autodesk Ember (technologie DLP)

Profil tiskárny: Kudo3D Titan 1 (technologie DLP)

Profil tiskárny: FormLabs Form 2 (laserová technologie)

Software: nářezové programy pro tisk pomocí pryskyřice

Dočasné podpory pro tisk SLA

Závěr 82 KAPITOLA 6 Outsourcing tisku versus nákup vlastní 3D tiskárny

Výhody outsourcingu tisku

Oblíbené služby outsourcingu 3D tisku

Vzestup místního outsourcingu

Výhody domácího 3D tisku

Proměnné faktory související s domácím 3D tiskem

Množství produkovaných výtisků: nízkoobjemová výroba

Začátečníci by měli nejdříve zvolit tiskárnu FDM

Volba vhodné povrchové úpravy výtisků

Výběr materiálů se speciálními mechanickými vlastnostmi

Závěr 99 KAPITOLA 7 Přehled postupu 3D tisku

101

3D soubory

102

3D modely

102

Jak se dostanu od myšlenky k objektu?

104

Podrobnosti postupu 3D tisku

105

Libovolnou část postupu 3D tisku můžete outsourcovat

107

KAPITOLA 8 Získávání a opravy 3D modelů

109

Stažení 3D modelu

109

Licence a právní aspekty 3D modelů

110

Tvorba 3D modelů pomocí smartphonu nebo digitálního fotoaparátu

111

Příklady modelů, které lze vytvořit pomocí fotogrammetrie

112

Seznámení s formáty souboru a měrnými jednotkami 3D modelů

114

Tvorba 3D modelů pomocí polygonů se čtyřmi a třemi stranami

116

Oprava 3D modelu kvůli 3D tisku

118

Opravy 3D modelů pomocí nástroje Meshmixer

119

ČÁST III NÁVODY K CAD PROGRAMŮM KAPITOLA 9 Začínáme s programem Tinkercad

123

Vytvoření uživatelského účtu

124

Než vezmete do ruky myš

125

Tvorba tvarů v programu Tinkercad

126

Otočení objektu

131

Změna tvaru

132

Změna velikosti červené krabice

132

Seskupení a oddělení tvarů

136

Dokončení nového objektu v programu Tinkercad

138

Co dále?

142

KAPITOLA 10 Začínáme s programem Meshmixer

145

Začínáme 146 První část návodu

147

Tvarování z digitální hlíny

149

Přidání dočasných podpor

151

Vytvoření koule

155

KAPITOLA 11 Začínáme s programem Fusion 360

165

Polygonální versus parametrické modelování

166

Začínáme s programem Fusion 360

167

Popis nabídky Interface (rozhraní)

168

Tvorba prstenu v programu Fusion 360

169

Ozdobení prstenu

176

Další zdobení

178

Export modelu k 3D tisku

181

KAPITOLA 12 Vybavení osobní výrobní dílny k 3D tisku

187

Příprava 189 Úkol 1: prozkoumejte, kterou 3D tiskárnu koupit

189

Úkol 2: připravte si bezpečnou pracovní oblast

191

Úkol 3: zvolte pro svou 3D tiskárnu optimální fyzické prostředí

193

Naše doporučení k vybavení domácího pracoviště

195

ČÁST IV BUDOUCNOST KAPITOLA 13 Jak 3D tisk změní váš život (a celou společnost)

201

Všichni jsme výrobci a společnosti na tom budou dále stavět

202

Společnosti budou pomocí 3D tisku posilovat svůj vztah k zákazníkům

204

Organizace zvýší svou ziskovost a budou ekologicky příznivější

206

Z komerčního používání 3D tisku bude těžit místní ekonomika

208

To nejlepší je ještě před námi

208

O autorech 210 Nick Kloski 210 Liza Wallach Kloski 210 Colophon 211

Předmluva

Předmluva Vzhledem k tomu, že čtete tuto knihu, chystáte se vydat na cestu, která může změnit váš život. Je docela pravděpodobné, že se u vás doma objeví 3D tiskárna (pokud ji už nemáte) a budete se muset naučit, jak ji používat. Kniha Začínáme s 3D tiskem může posloužit jako váš průvodce při obtížných počátečních pokusech o 3D tisk. Zatím toho možná o této revoluční technologii příliš nevíte, ale budete-li postupovat podle této knihy, zařadíte se do elitní společnosti novodobých alchymistů, kteří dokáží proměňovat hmotu, z níž se skládá náš fyzický svět. I z vás se stane výrobce. Lidé začali vyrábět předměty už před desítkami tisíc let. Zatímco se naši opičí příbuzní stále toulali po pláních Serengeti, naši předkové se učili, jak klacky, kameny a zvířecí kosti přetvářet na nástroje, díky nimž dokázali lovit a přežít. Od kamenů s dřevěnou rukojetí se lidé postupně dostali k odlévání hrotů kopí z bronzu a začali zanechávat své stopy na vrcholcích hor. Uplynulo hodně času, ale lidé své schopnosti neztratili. Nejnovější generace výrobců umí přetvářet své myšlenky ve skutečnost pomocí nástrojů digitální produkce. CNC stroje obrábějí kovy, laserové frézky tvoří reliéfy ve dřevě a desky s tištěnými spoji napájené elektrickou energií dokáží ovládat i ty nejsložitější roboty. Pravděpodobně žádný nástroj v arzenálu moderních alchymistů však nemá takovou moc jako 3D tiskárna. Z osobní zkušenosti mohu říci, že seznamování s 3D tiskem není pokaždé zábavné, ale vždy člověku přináší uspokojení. Pamatuji si, jak jsem sledoval tisk své první testovací krychle a připadalo mi to jako úplný zázrak. Digitální model jsem našel na webu Thingiverse a najednou se začal zhmotňovat přímo před mýma očima. Život milovníka 3D tisku může být plný problémů s ucpanými tiskovými hlavami, porouchanými pásovými dopravníky a nedokonalými trojrozměrnými CAD modely. Vždy lze najít řešení, ale někde musíte začít. A těžko najdete lepší výchozí bod než tuto knihu, kterou napsali dva odborníci na výuku – Liza Wallach Kloski a Nick Kloski ze společnosti HoneyPoint3D™. Dosud vyškolili již více než 6 000 zájemců a úspěšně spustili svůj mimořádně oblíbený vzdělávací program, který slouží k seznamování s podrobnostmi 3D tisku. Liza a Nick vás budou na vaší cestě doprovázet jako dva ochotní průvodci, kteří vám zůstanou nablízku, když se vám v tiskárně zamotají vodiče, ucpe se vám extrudér a budete zápasit s vyrovnáním tiskové desky. Brzy se naučíte, jak převádět své nápady do fyzického světa a z digitálních souborů získávat hmotné předměty. Dokážete klonovat běžné předměty, přenášet je na tisíce kilometrů a upravovat je tak, aby vyhovovaly vašim potřebám. Spřátelíte se s jinými podobnými čaroději, kteří vám pomohou vaše schopnosti dále rozvinout. Můžete se dokonce připojit k místnímu čarodějnickému cechu – výrobní dílně, kde díky tajným postupům a rituálům spojíte své magické schopnosti s jinými kouzelníky, abyste mohli svět překvapit ještě působivějšími projekty. A díky

dalším technologickým pokrokům dokážete vytvořit téměř cokoli prakticky z ničeho. Od různobarevných sošek můžete přejít až ke kompletním elektronickým zařízením! Můžete očekávat, že vás vaše cesta zavede hodně daleko. Jakmile se dostanete na poslední stránku této příručky, stanete se jedním z těch zasvěcených. Budete patřit mezi výrobce. Michael Molitch-Hou šéfredaktor 3D Printing Industry (3DPI) významný zpravodajský web specializovaný na 3D tisk

Úvod do 3D tisku

Úvod do 3D tisku Máte štěstí! Žijete v době, kdy technologie stále více usnadňuje lidem ovládnout jejich prostředí. Díky 3D tiskárnám lze možností tovární produkce využívat na pracovním stole a otevírá se spousta příležitostí, které lidé dosud neměli. Průmyslový 3D tisk je dostupný již od 80. let 20. století. K nadšencům a spotřebitelům se tato technologie dostala v roce 2009, kdy se návrháři a kodéři z celého světa sdružili v projektu RepRap při tvorbě svobodné a otevřené kódové báze. Díky tomu si nyní každý může postavit svou osobní 3D tiskárnu podobnou jednomu z prvních exemplářů na obrázku P.1. Díky návrhu open source (který uděluje volnou licenci k plánu produktu) si mohli nadšení amatéři dovolit pořízení technologie, která byla do té doby velmi drahá. Jednalo se o zásadní přelom, který poskytl přístup k domácímu 3D tisku i běžným spotřebitelům. Přenesme se nyní do roku 2016. Obor 3D tisku (zahrnující průmyslový i spotřebitelský segment) nyní dosahuje odhadovaného obratu 7 miliard dolarů a očekává se, že do roku 2020 překročí hodnotu 17,2 miliardy. Nikdo nemá křišťálovou kouli na předpovídání budoucnosti, ale 3D tisk téměř jistě změní způsob, kterým jako společnost navrhujeme a vyrábíme fyzické předměty.

Obrázek P.1: Jeden z prvních příkladů 3D tiskárny sestavené podle projektu open source

Úvod do 3D tisku

Princip 3D tisku Nejběžnější typ spotřebitelského 3D tisku, který se také označuje jako „aditivní výroba“, se označuje zkratkou FDM (fused deposition modeling – modelování depozicí taveniny). Někdy se také můžete setkat se zkratkou FFF (fused filament fabrication – výroba z taveného vlákna). Tiskárny FDM tvoří objekty tak, že přidávají jednotlivé vrstvy materiálu a z těchto vrstev postupně vytvářejí výsledný objekt. Do části stroje označované extrudér směřuje tenké vlákno. Extrudér pak pomocí vysoké teploty – obvykle kolem 200 °C – plastickou hmotu roztaví. V dalších kapitolách této knihy se budeme zabývat i mnoha dalšími metodami 3D tisku. Vesměs fungují stejným „aditivním“ způsobem tvorby objektů, které vznikají přidáváním jednotlivých vrstev materiálu. Ze známých předmětů lze tento proces nejlépe přirovnat k tavné lepicí pistoli. Pravděpodobně jste s ní již pracovali na nějakých tvůrčích nebo školních projektech. Když stisknete rukojeť, přitlačíte lepidlo k topnému článku a z trysky začnou vystupovat měkká vlákna připomínající špagety. Představte si, že tato vlákna se stáčejí a ve vrstvách kladou na sebe. Přitom tvoří spirálu, která se mění na dutou trubici. Jak lepidlo chladne, trubice je čím dál tvrdší. Vyjdeme-li z této analogie s lepicí pistolí, 3D tiskárna ukládá na plochém povrchu jednotlivé vrstvy tenkého vlákna roztaveného plastu. Při chladnutí a tvrdnutí těchto vrstev pak vzniká výsledný objekt. Princip této technologie je podrobně znázorněn na obrázku P.2. Většina spotřebitelských 3D tiskáren pracuje s technologií FDM a připojuje se k nim velká cívka stočeného plastu, který se označuje jako vlákno. (Dalším technologiím 3D tisku se budeme věnovat v pozdějších kapitolách.) 3D tiskárna přesně „ví“, kam má každou vrstvu umístit. Zjistí to z pokynů v digitálním souboru, který přijímá z počítače.

3D tisk není variantou 2D tisku

Extrudér protlačí vlákno horkým koncem trysky, kde se vlákno roztaví na velmi tenkou vrstvu.

Když materiál opustí trysku, ukládá se na tiskovou desku, kde chladne a tuhne. Následné vrstvy se pak spojují s vrstvami pod sebou.

Postupně se začíná vytvářet trojrozměrný tvar. Po uložení poslední vrstvy lze 3D výtisk sejmout z tiskové desky.

Obrázek P.2: Extrudér ukládá jednotlivé vrstvy roztaveného plastu a vytváří láhev (schéma vytvořil Jeff Hansen, HoneyPoint3D™)

3D tisk není variantou 2D tisku V roce 2013 jsme v naší provozovně 3D tisku pro koncové zákazníky v kalifornském Oaklandu od náhodných návštěvníků často dostávali otázky typu: „Kam se dává inkoust?“ a „Kolik je potřeba papíru?“ Převážná část veřejnosti si neuvědomovala, že 3D tiskárny (které tisknou trojrozměrné objekty) se velmi liší od 2D tiskáren (které tisknou dvourozměrné obrazy na papír). V současnosti již devadesát procent návštěvníků naší provozovny – ze všech věkových skupin, s libovolnou úrovní vzdělání a nezávisle na svých zájmech – rozumí tomu, v čem spočívá rozdíl mezi 2D a 3D tiskem. Na 3D tisk se v uplynulých několika letech soustředila značná pozornost médií a veřejnost již o této technologii ví mnohem více. 3D tisk tedy mění tisková paradigmata a nutí nás, abychom se již neomezovali na tradiční představu tisku používajícího tiskárny s papírem a inkoustem či tonerem. Ve 3D nelze tisknout

Úvod do 3D tisku

„ploché“ grafické obrázky, například soubory PDF nebo JPEG. 3D tisk vyžaduje speciální typ digitálního souboru. Tento typ souboru se označuje jako 3D model. S dalšími podrobnosti 3D modelů se seznámíme v další části knihy.

Očekávání při seznamování s 3D tiskem 3D tisk je poněkud obtížnější, než by bylo záhodno. Technologie je stále poměrně nová a všechny funkce tiskáren zatím nejsou automatizované natolik, jako je tomu u většiny domácích spotřebičů typu mikrovlnných trub. Připravte se na to, že budete muset získávat zkušenosti klasickou metodou pokusu a omylu, která vám nakonec zajistí úspěšné výsledky. S jednotlivými triky se budete seznamovat za pochodu. Měli byste počítat s následujícími běžnými situacemi: Tisk se nezdaří – a stává se to často. Zejména tehdy, kdy se teprve učíte. Nenastavili jste chybnou teplotu? Nebyly ve 3D souboru chyby? Nezapomněli jste vyrovnat tiskovou desku? Při experimentování si musíte klást mimo jiné i tyto otázky. Tisk hodně dlouho trvá – chcete si vytisknout pouzdro na telefon? Žádný problém! Tisk si však nejspíše vyžádá více než tři hodiny. Tiskárny vyžadují neustálou údržbu – řemeny motoru praskají. Horké konce trysek se ucpávají. Nastávají různé potíže a ve většině případů je musíte vyřešit sami. Tisk někdy vyžaduje předběžné či následné zpracování – některé soubory 3D modelů, které najdete na internetu, nelze tisknout v původní podobě a musíte je opravit. Vytištěné 3D objekty musíte opracovat, aby získaly požadovaný hladký povrch. (Jak se přesvědčíte, s drsnými hranami nového 3D výtisku si dokáže zázračně poradit smirkový papír.)

Nemějte obavy! Proto jsme napsali tuto knihu 3D tisk se neomezuje jen na technologii, ale jedná se o celý ekosystém softwaru a hardwaru. Při implementaci 3D tisku se uplatňuje třístupňový přístup: vzdělávání, generování CAD souboru a fyzické aspekty 3D tisku. Po přečtení této knihy budete tento systém na základní úrovni ovládat. Znalosti postupů 3D tisku rozhodně stojí za trochu námahy při učení. Nakonec jistě budete rádi, že jste vynaložili potřebné úsilí. Když si přečtete tuto knihu, ušetříte svůj čas, peníze i nervy, protože hodně „životních zkušeností“ nemusíte prodělat na vlastní kůži. Sami jsme se dopustili hodně chyb, takže vy se jim můžete vyhnout!

Obsah této knihy

Obsah této knihy Kniha Začínáme s 3D tiskem obsahuje srozumitelné optimální postupy, abyste mohli 3D tisk úspěšně nasadit ve své domácnosti, ve třídě nebo na pracovišti. Doufáme, že vás tato praktická příručka bude bavit a pomůže vám, abyste našli svou cestu od počáteční zvědavosti až k aktivnímu a praktickému zvládnutí 3D tisku. Kniha je určena čtenářům, kteří s 3D tiskem dosud nemají žádné zkušenosti. I když jste se však s 3D tiskem již setkali, můžete při čtení této knihy získat obecnější přehled a uvědomit si další možnosti. Kniha poskytuje informace o těchto tématech:

Fungování 3D tiskáren

Faktory, které je nutné zohlednit při nákupu 3D tiskárny a spotřebního materiálu

Instalace a údržba vlastní 3D tiskárny

Outsourcing služeb 3D modelování a tisku

Tvorba a opravy vlastních 3D modelů

Návrh osobní výrobní dílny 3D tisku

Budoucnost 3D tisku

Zapněte si pásy a připravte se na „výrobní revoluci“, která se rychle přibližuje. Možná změní právě váš život!

Úvod do 3D tisku

Poděkování Bylo nám ctí, že jsme mohli spolupracovat s nakladatelstvím Maker Media a napsat knihu o tématu, které podle našeho názoru způsobí celosvětovou změnu. Rádi bychom poděkovali následujícím osobám a firmám, které nám pomáhaly při práci a výzkumu a při psaní knihy nás mimořádně povzbuzovaly: Roger Stewart Brian Jepson Neil Edde Alicia Moszee Jeff Hansen Susan Wallach Deborah Wallach Ari Wallach Autodesk Kudo3D Printrbot Type A Machines Solid Professor Breathe-3DP

ČÁST

APLIKACE 3D TISKU

KAPITOLA

Jste připraveni na blížící se revoluci?

V této kapitole: Výroba opisuje kruh

Není pochyb o tom, že rozvoj 3D tisku vytváří předpoklady pro výrazné společenské změny, které se budou v následující letech a dekádách projevovat mnoha různými způsoby. V této kapitole najdete krátký historický přehled výrobních kořenů 3D tisku a zjistíte, jak ovlivňuje náš život v současnosti. Vzestup 3D tisku se někdy označuje jako počátek „třetí průmyslové revoluce“. Osobně se však domníváme, že bychom mu měli raději říkat „osobní výrobní revoluce“ (personal manufacturing revolution), což je termín, který se připisuje Avimu Reichentalovi, bývalému CEO a prezidentovi společnosti 3D Systems. Při první a druhé průmyslové revoluci se vyvinuly nové výrobní procesy, které spočívaly mimo jiné v přechodu od ruční produkce k výrobě pomocí strojů, nových způsobech chemického zpracování, širším využití parní síly, vývoji strojů a hromadné produkci (viz obrázek 1.1). Druhá průmyslová revoluce, kdy probíhalo zavádění montážních pásů, i nadále ovlivňuje způsob, jakým vznikají průmyslové výrobky v současnosti. Tyto dvě revoluce vyznačují zásadní historické zvraty, protože nějakým způsobem ovlivnily téměř všechny aspekty každodenního života. Došlo k dosud nevídanému růstu průměrných příjmů a počtu obyvatel. Většině lidí pak značně vzrostl životní standard. 3D tisk podobně jako jeho tovární předchůdci vytváří nové výrobní procesy a slibuje kromě výroby proměnit i životní styl. Hlavní rozdíl spočívá v tom, že tato nová výrobní technologie je velmi osobní. V zásadě se jedná o továrnu na pracovním stole, ve které lze vytvořit prakticky cokoli. Své nápady můžete realizovat způsobem, jaký dříve umožňovalo pouze průmyslové prototypování. Chcete-li vytvářet nové produkty, nepotřebujete povolení správní rady, a dokonce ani objednávky od zákazníků. Stačí vám k tomu vlastní představivost.

Kapitola 1 Jste připraveni na blížící se revoluci?

Obrázek 1.1: Pracovnice přádelny – ukázka masové výroby kolem roku 1900

Společně s mnoha jinými lidmi se proto domníváme, že pro změny, které přinese 3D tisk, se lépe hodí označení „osobní výrobní revoluce“. Důraz se přesouvá k jednotlivcům, kteří mohou projevit svou nápaditost a soběstačnost.

Výroba opisuje kruh 3D tisk kompletně nenahradí tradiční výrobní procesy. Spíše současné metody hromadné produkce doplní. Díky 3D tisku se navíc vrací výrobní centra tam, kde se nacházela kdysi. V současnosti lze vyrábět ve venkovských oblastech stejně jako ve městech. Výroba se může přesunout z továren zpět do malých dílen a ekonomicky lze produkovat nejen hromadně, ale i po jednotlivých kusech. 3D tisk tak dokáže kombinovat nejlepší aspekty výroby před průmyslovou revolucí i po ní, jak je patrné na obrázku 1.2.