Jak je konstruována průmyslová 3D tiskárna a jaké funkce plní její součásti – hřídele, ozubené řemeny a rámy

3D tisk způsobil revoluci v průmyslové výrobě a konstrukci prototypů. Tato technologie vytváří objekty z digitálního modelu vrstvu po vrstvě. Skládá se z těchto hlavních součástí: Kromě rámu, tiskové hlavy, tiskové postele, řídicí jednotky, hřídelí, ozubených řemenů a motorů vyžaduje typická 3D tiskárna obvykle také množství příslušenství. Ale jak přesně funguje průmyslová 3D tiskárna? Tento článek zdůrazňuje strukturu a funkci nejdůležitějších součástí a stručně popisuje některé oblasti použití.

3D tiskárna vytváří trojrozměrné objekty aplikací jednotlivých vrstev na základě digitálního modelu. Tento proces se také označuje jako aditivní výroba, protože materiál se do nedokončeného obrobku přidává postupně.

Proces začíná digitálním návrhovým souborem, který je často dodáván ve formátu STL (STL = stereolitografie). Načte se do speciálního softwaru, pomocí kterého je 3D model převeden na kontrolní soubor, který je srozumitelný pro 3D tiskárnu. Tento soubor je převeden na tzv. G-kód (G-kód je strojový jazyk pro programování CNC strojů). Datový model je rozdělen pomocí krájecího softwaru na vrstvy G-kódu nebo tenké vodorovné vrstvy. Tento proces se nazývá vrstvení.

Tiskárna tento soubor přečte a postupně vytiskne jednotlivé vrstvy nanesením a ztuhnutím materiálu – často plastu, pryskyřice nebo kovového prášku – vrstvy po vrstvě, dokud se nevytvoří celý objekt.

Přesný proces se liší v závislosti na tiskové technologii, například zda je materiál roztaven ohřevem (FDM) nebo ztvrdnut vystavením světlu (SLA). V současné době jsou k dispozici následující tiskové technologie:

• Stereolitografie (SLA): Na tácek se nalije tenká vrstva syntetické pryskyřice. UV laser pak obnaží vytvrzované oblasti. Pro tuto technologii se používá 3D tiskárna.
• Maskovaná stereolitografie (MSLA): Proces tisku MSLA selektivně osvětluje syntetickou pryskyřici zespodu LCD displejem. LCD displej vytvoří masku pro každou tiskovou vrstvu a blokuje tak UV záření na určených místech. Namísto laserového paprsku, který tyto vrstvy skenuje, využívají tiskárny MSLA vysoce výkonný zdroj ultrafialového světla.
• Selektivní laserové sintrování (SLS): Různé materiály ve formě prášku jsou distribuovány na tiskovou desku a taveny pomocí laserů. Nakonec musí být hotový produkt uvolněn z okolního prášku.
• Fúzní depozitní modelování (FDM): Proces tavení vrstvy přivádí materiál na tiskovou desku pomocí vyhřívané trysky, kde je poté ztuhl.
• Výroba laminovaných objektů: Materiál se vytváří vrstva po vrstvě lepené na sebe a následně se modeluje řezným nástrojem (laserem nebo nožem).
• Výpočetní axiální litografie (CAL): Proces tisku CAL promítá světlo do tekuté pryskyřice citlivé na světlo, která pak rychle ztuhne. Tato metoda umožňuje vyrábět předměty v nejkratší možné době.

Struktura 3D tiskárny

Průmyslové 3D tiskárny mají určité základní součásti, které se používají na základě vybrané tiskové technologie.

Rámy 3D tiskáren

Rám je základní montážní konstrukcí pro všechny elektronické a strukturální 3D tiskárny a rovněž tvoří základ pro vysoce kvalitní tisk. Zajišťuje stabilitu a strukturu tiskárny. Čím tužší a tužší je rám, tím lepší jsou výsledky tisku. U průmyslových tiskáren jsou rámy často vyrobeny z robustních kovových slitin, aby se minimalizovaly vibrace a zajistila vysoká přesnost tisku. V MISUMI najdete širokou škálu komponentů rámu vysoké kvality, jako jsou hliníkové konstrukční profily, příslušenství pro lineární vodicí lišty nebo úhlové desky.

Osy v 3D tiskárnách

V pevném trojrozměrném prostoru musí být průmyslová 3D tiskárna schopna dosáhnout každého bodu, aby byl zajištěn tisk všech myslitelných tvarů. K tomu slouží následující osy:

• Osa X: Popisuje vodorovnou cestu zleva doprava
• Osa Y: Popisuje cestu vodorovně zepředu dozadu
• Osa Z: Popisuje cestu svisle shora dolů

Tisková hlava se pohybuje podél osy X a osy Y, například pomocí ozubených pásů a krokových motorů.

Vertikální pohyb je realizován krokovým motorem. Rotační pohyb je přenášen ozubeným pásem na vodicí šroub nebo šroubový pohon. Zdvih osy Z určuje tloušťku vrstvy aplikovaného materiálu.

Přesnost jednotlivých součástí přenosu je rozhodující pro kvalitu a rozměrovou přesnost předmětu, který má být vytištěn.

Tisková hlava (extrudér) 3D tiskáren (FDM)

Extrudér dopravuje vlákno (tištěný materiál) ze zdroje suroviny, např. válečku s vlákny, do topného bloku s ohřívačem a monitorováním teploty. Tato oblast se rovněž nazývá horký konec. Zkapalněné vlákno je přenášeno tímto kanálem do trysky (trysky) a je aplikováno na tiskovou desku.

Existují různé typy dopravy vláken extrudérem. Zde jsou některé z nejběžnějších typů:

• Přímý pohon (extrudér s přímým pohonem): Pro tento způsob motor vtáhne vlákno přímo do extrudéru, kde je pak transportován do topného bloku. Motor se nachází v bezprostřední blízkosti trysky, což vede k přesnější aplikaci materiálu. Tato metoda se často používá u stolních 3D tiskáren.
• Bowdenův extrudér: Na rozdíl od přímého pohonu nemá Bowdenův extrudér motor přímo na extrudéru. Vlákno je do lisu dopravováno ohebnou trubkou (s ohebnou trubkou). Tím se sníží hmotnost extrudéru, což může mít pozitivní vliv na kvalitu tisku. Nicméně přesnost přenosu filamentů může být touto metodou mírně narušena.

Obě varianty mohou být vybaveny několika tiskovými hlavami, aby bylo možné zpracovat různé materiály a barvy. Pokud 3D tiskárna používá namísto vlákna prášek, extrudéry se obvykle nepoužívají; role se používají místo toho, aby se materiál nanesl na tiskové lůžko.

Tisk lůžka (stavební deska) na 3D tiskárnách

Objekt se na tiskovém lůžku vytváří vrstva po vrstvě. Lze jej zahřát, aby se zajistila lepší přilnavost materiálu, aby se zabránilo deformaci materiálu a dosáhlo se lepšího povrchu. Materiál tiskového lůžka rovněž ovlivňuje přilnavost. Obzvláště vhodné jsou skleněné, keramické nebo lité hliníkové desky. Je rovněž možné usnadnit odstranění koncového produktu pomocí odstranitelných desek.

Řídicí jednotka na 3D tiskárnách

Řídicí jednotka řídí celý proces tisku. Lze jej rovněž použít ke kalibraci 3D tiskárny. Proces kalibrace má zásadní význam, aby se zabránilo chybám v tisku. Nerovnoměrné tiskové lůžko nebo nesprávně nastavené trysky mají významný vliv na kvalitu konečného produktu.

Řídicí jednotka musí interpretovat informace o digitálním 3D modelu ze souboru STL nebo jiného formátu souboru. Za tímto účelem používá řídicí jednotka software pro dělení 3D modelu na řadu vodorovných vrstev (řezů). Mimo jiné jsou generovány informace o výšce vrstvy, průměru otvoru trysky (velikost trysky), parametrech tisku, extruzi tiskového materiálu, teplotách a drahách nástroje tiskové hlavy a výsledném G-kódu.

Řídicí jednotka ovládá měniče 3D tiskárny tak, aby přesně pohybovala tiskovou hlavou a ložem. Převádí pohyby definované v G-kódu a bere v úvahu rychlost, zrychlení a zpomalení.

Řídicí jednotka ovládá extrudér, který ohřívá tiskový materiál, jako je vlákno, a aplikuje jej rovnoměrně na konstrukční desku, aby se zajistilo rovnoměrné rozložení materiálu. Teplota v 3D tiskárně, extrudéru a topných tělesech je monitorována a řízena.

Řídicí jednotka samozřejmě sleduje proces tisku, zda neobsahuje chyby a nepravidelnosti, a reaguje odpovídajícím způsobem na jakékoli problémy, jako je zaseknutí materiálu nebo přehřátí.

Grafické uživatelské rozhraní (GUI) slouží jako rozhraní pro uživatele ke spuštění procesu tisku, úpravě nastavení, ovládání tiskárny a přijímání stavových zpráv a odpovídající interakci. Lze to provést pomocí displeje nebo dotykové obrazovky.

Řídicí jednotka může komunikovat s externími zařízeními prostřednictvím rozhraní pro příjem tiskových úloh a výměnu dat.

Dříky na 3D tiskárnách

Hřídele se používají jako přenosový prvek a jako vodicí součásti, které umožňují pohyb součástí, materiálu, tiskových hlav a dalších důležitých součástí.

Když se jako přenosový prvek používají hřídele, přenáší se pohyb ze zdroje pohonu na výstupní stranu. To se provádí v kombinaci například s motorem, řemenicemi klínových řemenů a ozubenými řemenicemi, řemeny, řetězy, spojkami, převody nebo jinými prvky.

Některé 3D tiskárny používají namísto konvenčních vodicích lišt kulové šrouby. Šroubové kuličkové pohony jsou přesnější a mají menší tření než konvenční vodicí lišty šroubů. Vede to k ještě lepší přesnosti tisku.

Hřídele jako vodicí prvky umožňují přesný pohyb tiskové hlavy nebo tiskového lůžka v různých směrech. Obvykle jsou válcové a vyrobené z robustních materiálů, aby byla zajištěna přesnost a trvanlivost. Hřídel je obvykle hladká a má vysokou přesnost povrchu, aby umožnila pohyb s nízkým třením. Pro vedení hřídele a umožnění pohybu jsou podél hřídele namontována speciální lineární ložiska nebo lineární vodicí lišty.

Ozubené pásy na 3D tiskárnách

Zubové pásy převádějí rotační pohyb motorů na lineární pohyb pohyblivých částí tiskárny. Například tiskové hlavy se pohybují podél osy X a osy Y. Hrají rozhodující roli v rychlosti a přesnosti procesu tisku. Pevný střih a bezchybná kvalita jsou zásadní. V opačném případě se mohou objevit ozvěny, které zkreslují koncový produkt. Zubové pásy jsou obvykle vyrobeny z elastomerových materiálů s vloženými výztuhami zubů, aby byl umožněn přesný přenos síly.

MISUMI nabízí různé ozubené pásy, hřídele a další příslušenství pro lineární i rotační pohyby. Máte záruku, že naleznete komponentu pro vaši konkrétní aplikaci.

Motory na 3D tiskárnách

Motory hrají klíčovou roli při pohybu a polohování tiskové hlavy nebo tiskového lůžka. V 3D tiskárnách se používají různé typy motorů, z nichž každý plní specifické úkoly. Zde jsou některé z nejběžnějších motorů 3D tiskáren:

• Krokové motory: Ty posouvají tiskovou hlavu a tiskovou postel v přesných krocích podél různých os.
• Servomotory: Nabízejí vysokou rychlost a přesnost a používají se tam, kde je vyžadována přesná kontrola.
• Stejnosměrné motory: Používají se například pro použití válečků.
• Motory extrudéru: Odpovídá za vytlačování tiskového materiálu.

Průmyslový 3D tisk využívá následující kategorie materiálů: vlákna, pryskyřice a práškový materiál. Vlákno je dlouhý úzký pramen skládající se z různých plastů, např. PLA nebo nylonu. Je srolován na cívkách a používá se hlavně v procesu tisku FDM.

Aby se minimalizovala viditelnost jednotlivých vrstev při použití vláknitých materiálů, lze parametry upravit v nastavení softwaru pro dělení. Může být nutné následné dokončování povrchu, například broušením, plněním, povlakováním, lakováním nebo různými způsoby svařování.

Metody práškového tisku umožňují výrobu složitých geometrií a funkčních dílů. Například kovové, plastové nebo keramické prášky mohou být použity jako materiál.

Proces tisku pomocí pryskyřic využívá tekuté pryskyřice, které jsou zatvrdlé pod vlivem UV záření nebo laserových paprsků k vytvoření tiskových vrstev.

K dispozici jsou různé pryskyřičné materiály, které nabízejí různé vlastnosti, jako je tvrdost, flexibilita, teplotní odolnost a průhlednost. Tento materiál je velmi vhodný, pokud tiskový objekt vyžaduje přesnost a přesnost detailů.

Možné použití 3D tiskáren

Během velmi krátké doby překonal 3D tisk mnoho oblastí našeho života, včetně strojírenství, konstrukce strojů na zakázku a prototypové konstrukce. Rychlý obrat, ve kterém lze vyrábět součásti, je obzvláště zajímavý pro mnoho průmyslových podniků. Nejenže lze z dlouhodobého hlediska omezit úložný prostor, ale lze rovněž aktivně řešit měnící se okolnosti a zvláštní aplikace.

Použití 3D tiskáren může urychlit zejména vývoj výrobků díky rychlému vytváření prototypů.

Schopnost vytvářet složité geometrie umožňuje rychlé přizpůsobení návrhů a tvarů aktuálním koncepcím výzkumu a vývoje.

Umožňuje to včasnou identifikaci a opravu chyb a problémů návrhu před zahájením hromadné výroby.

V některých případech může samotný prototyp sloužit jako šablona pro hromadnou výrobu, zejména pro malosériovou výrobu nebo individualizované produkty.