Postavili jsme si lacinou 3D tiskárnu Alfawise U30 za čtyři tisícovky

Zatímco klasické domácí inkoustové a laserové tiskárny z našich domácností díky digitalizaci a rychlému internetu postupně mizí, v dílně kdejakého kutila se v poslední dekádě objevila 3D tiskárna – zejména díky klesající ceně, neboť ty nejlevnější kousky dnes pořídíte už za několik tisíc korun.

Xiaomi Amazfit Neo: Retro design skrývá moderní funkce a brutální výdrž baterie. Ani cena není k zahození...

Co je to vlastně 3D tiskárna?

3D tiskáren je celá řada, než se tedy vrhneme na představení jedné z nich, která nám dorazila z Gearbestu, pojďme si zrekapitulovat obecnou teoretickou omáčku. Takže co je to vlastně 3D tiskárna?

Odpověď není jednoduchá, jedná se totiž o natolik obecný a vyprázdněný termín, že tak dnes nazýváme v podstatě jakékoliv zařízení, které aditivní technikou (nanášením) vytvoří z výrobní hmoty předmět podle našeho zadání.

Věděli jste, že nemáme protinožce? Tahle mapa vám přesně ukáže, co je na druhé straně světa

Zatímco takový soustruh nebo frézka opracovávají blok pevného dřeva nebo kovu, ze kterého vyrobí šachovou figurku, 3D tiskárna naopak stejnou figurku sestaví třeba z kovového prášku nebo jemných dřevěných pilin, které dohromady spojí jejich zahřátím nebo jiným chemickým procesem.

FDM, SLA, SLM/EBM a desítky dalších

Právě podle způsobu nanášecí techniky dnes dělíme tiskárny do celého spektra konstrukcí, přičemž k těm nejrozšířenějším patří tiskárny typu FDM/FFF, SLA a v průmyslu pak třeba i SLM/EBM.

Takže pěkně popořadě. Troufám si tvrdit, že drtivá většina čtenářů tohoto článku si pod 3D tiskárnou představí výhradně zařízení typu FDM/FFF – Fused Deposition Modeling, respektive Fused Filament Fabrication. Je to jedno a totéž.

Česká 3D tiskárna Original Prusa i3 MK3S je typickým představitelem FDM/FFF tisku​

Jedná se o zdaleka nejrozšířenější a nejjednodušší technologii 3D tisku, kterou požívají prakticky všechny levné 3D tiskárny. Jak už anglický název napovídá, taková tiskárna vyrábí předmět tavením speciálního materiálu v trysce, která pak zahřátou měkkou hmotu ve formě tenké nitě pokládá na tiskovou desku.

Předmět, který chceme vyrobit, nejprve speciální software nařezal na stovky tenkých vrstev, které nyní bude tryska pomocí natavené nitě postupně sestavovat jednu za druhou. Jelikož tavenina prakticky okamžitě zasychá a drží tvar, lze tímto způsobem po jednotlivých vrstvičkách vyrobit prakticky jakýkoliv tvar.

Většinou se tiskne pomocí hmot PLA a ABS

Dnes se jako výrobní materiál nejčastěji používá ekologicky šetrná umělá hmota PLA (polymléčná kyselina – polylactic acid), kterou tisková hlava taví zhruba při teplotě okolo 200 °C, a poměrně rozšířená průmyslová umělá hmota ABS (akrylonitrilbutadienstyren), která je vzhledem k vyšší teplotě tání tepelně odolnější (do takového výrobku lze třeba snadněji vrtat, protože třením jen tak nezměkne). Na stranu druhou, PLA zase snáze přilne k tiskové desce a neodlepuje se.

Kotouč se strunou PLA. Po otevření je vhodné materiál relativně brzy spotřebovat, nasává totiž okolní vlhkost, což může při tisku zhoršovat jeho vlastnosti.

Tiskový materiál se zpravidla dodává ve formě navinuté struny s průměrem okolo 2 mm, kterou si pak tisková hlava postupně odebírá ze zásobníku. Kotouč s jedním kilogramem PLA pořídíte zhruba za cenu okolo pětistovky.

Stereolitografie a SLM/EBM

Mezi další rozšířené typy 3D tisku patří SLA – stereolitografie.  Princip fungování se oproti FDM/FFF naprosto liší a samotný tisk na vlastní oči připomíná tak trochu sci-fi. Představte si kádinku s tekutinou, na jejímž dně probleskuje zvláštní světlo a z hladiny se najednou začne vynořovat naše šachová figurka. Jen tak – jakoby z ničeho.

Česká stereolitografická 3D tiskárna Original Prusa SL1

Zmíněnou tekutinou je totiž speciální roztok fotocitlivé pryskyřice, která je ze dna kádinky osvětlovaná přesnými paprsky UV laseru nebo DLP maskou. Jakmile světlo dopadne na rozpuštěnou pryskyřici, ta zatvrdne a přilepí se k tiskové desce, která je tentokrát nahoře. Vytvoří se tedy první vrstvička, deska se o krok zvedne a světlo vytvrdí další várku pryskyřice. Z hladiny se postupně začne nořit náš výrobek. SLA už jsou mnohem dražší – i ty nejlevnější na trhu vás přijdou na desítky tisíc korun.

Byznys s humanoidy expanduje. Podívejte se do čínské továrny na umělé lidi

Do třetice si zmínku zaslouží ještě jedna z nejdražších 3D tiskových technik SLM/EBM, která tentokrát používá laser, nebo jiný zdroj energie, k tavení zpravidla jemného kovového prášku – třeba titanu. Opět se tiskne po vrstvičkách, výsledný materiál už ale může mít vlastnosti v podstatě slévárenského odlitku s mikroskopickou přesností.

Titanová kupole pro družici vytištěná pomocí technologie EBM. Více se dočtete na VTM.

Tato průmyslová technika se používá třeba při tisku součástí pro družice, ale stejně tak třeba k výrobě prototypů nového kolenního kloubu. Až tedy uslyšíte, že vědci vytiskli třeba novou holenní kost, nemusí to automaticky znamenat, že k tomu použili běžnou domácí 3D tiskárnu, ale stroj, který funguje na úplně jiném principu a přišel by vás na miliony korun.

Laciná tiskárna z Číny za čtyři tisíce

Po stručném představení základních tiskových technik a konstrukcí se konečně pojďme podívat na jeden z laciných modelů FDM/FFF 3D tiskáren, do redakce nám totiž před pár týdny dorazila robustní ocelová mašinka Alfawise U30.

Sestavená 3D tiskárna Alfawise U30

Čínský e-shop o ni píše jako o laciné kopii dnes už slavné řady českých 3D tiskáren Prusa a do jisté míry tomu tak je, základní konstrukce je totiž podobná – vychází ze stejné svobodné předlohy, ale cena je několikanásobně nižší. Dnes ji na Gearbestu, který je jejím oficiálním prodejním kanálem, pořídíte za něco málo přes 4 000 korun.

Tiskárnu si musíte nejprve sešroubovat

Většina levných domácích 3D tiskáren otevřené konstrukce se dnes prodává ve formě kitu, který si musíte sami složit. Ale nebojte se, jedná se o princip Ikea, takže v objemné krabici dorazí vedle dílů tiskárny také barevný obrázkový návod krok za krokem.

Krabice je rozložena na několik částí, které musíte složit. Pomůže barevný návod.

Složení tiskárny je relativně jednoduché a průměrně technicky schopný člověk, který dokáže sešroubovat policový díl ze zmíněného severského obchodu s nábytkem, bude mít hotovo zhruba za slabou hodinku. Tiskárna je totiž naštěstí rozložená jen na několik hlavních částí, které musíte sešroubovat dohromady.

Základna tiskárny s elektrickým zdrojem a motorikou tiskové desky, která se bude pohybovat dopředu a dozadu

V celku je základna tiskárny s elektrickým zdrojem a motorikou vyhřívané tiskové desky, která se bude při tisku pohybovat vpřed a vzad. Relativně kompletní je i mechanizmus tiskové hlavy, který se skládá ze samotné trysky (extruderu) s chladícím ventilátorem, motorizovaného navijáku struny s detektorem docházejícího/zaseklého tiskového materiálu a krokový motor pro horizontální pohyb tiskové hlavy doleva a doprava.

Kompletace tiskové hlavy s tryskou a krokovým motorem pro její pohyb vlevo a vpravo

V další fázi je třeba přišroubovat krokový motor se šnekovou hřídelí pro vertikální pohyb tiskové hlavy, rám tiskárny, tiskovou desku s vyhříváním, barevný dotykový (rezistivní) displej a zapojit napájecí a datovou kabeláž, v čemž vám pomohou značky rozlišené písmeny, takže Z bude patřit do Z, X do X a tak podobně.

Připojení tiskové hlavy do rámu, sestavení hřídele a motoru pro vertikální pohyb a vyhřívaná tisková deska

Datová kabeláž rozlišená písmeny pro snadné zapojení a rezistivní dotykový displej a jeho barevné rozhraní – to se docela povedlo

Kalibrace nuda je, má však cenné údaje

Mnoho začátečníků se může děsit úvodní kalibrace a mnohdy opravdu právem. Přiznám se, že jsem v případě U30 očekával několikahodinové peklo, opak byl ale pravdou. Když totiž tiskárnu konečně zkompletujete, připojíte k napájení a ověříte, že vše svítí, bliká, a tedy asi i funguje, čeká vás proces, kdy musíte nastavit tiskovou desku do perfektní roviny.

Tisková tryska musí být ve všech místech od desky ve stejné vzdálenosti

To je naprosto klíčové, tryska totiž musí být při tisku v každém místě od tiskové desky ve stejné vzdálenosti. Kdyby tomu tak nebylo, natavená tisková hmota by byla v některých místech příliš přitlačená k povrchu a jinde naopak málo a začala by se v lepším případě jen odlepovat. V každém případě, namísto přesné šachové figurky byste vytiskli leda tak jakýsi nevzhledný chuchvalec.

Mnohé vybavenější 3D tiskárny (Prusa aj.) nabízejí automatickou kalibraci, součástí tiskové hlavy je totiž elektronické čidlo, které si změří vzdálenost k desce. U30 nic takového nemá, kalibraci tedy musíte udělat ručně – s listem běžné kancelářské A4.

Režim ruční kalibrace. Ovládací program navede trysku do pěti míst tiskové desky (rohu a střed). Pomocí šroubů na spodní straně desky nastavíme vzdálenost ve všech bodech tak, aby byl prostor mezi deskou a tryskou tak akorát pro list kancelářského papíru. 

Na 2,8“ dotykovém displeji, který se mimochodem ovládá velmi dobře, tedy přejdeme do menu kalibrace, kdy krokové motory tiskárny navedou hlavu vždy na jedno z několika míst tiskové desky a přiblíží ji na nemenší tiskovou vzdálenost.

PornHub v číslech: Když má Apple keynote, iPhonisté zapomenou i na porno

Na vás je, abyste pomocí čtyř šroubů v rozích pod deskou upravili vzdálenost k trysce takovým způsobem, abyste mohli mezi tryskou a deskou protáhnout list papíru. Když bude odpor papíru ve všech kalibračních bodech stejný, máte hotovo.

Jak vytvořit 3D model?

Tiskárna je sestavená, kalibrovaná a připravená k prvním experimentům. Ale jak vlastně tisknout? Zatímco u běžné tiskárny jednoduše v jakémkoliv programu prostě klepnete na tlačítko a dokument se vytiskne, u 3D tiskárny je to mnohem složitější.

Webové rozhraní modelační aplikace Tinkercad. Pomocí základních tvarů, jejich skládáním, prolínáním a deformací můžete vytvořit prakticky cokoliv.

Nejprve musíte mít po ruce to, co vlastně chceme vytisknout – předlohu ve 3D. Než tedy začnete tisknout, bylo by přinejmenším vhodné, abyste měli k dispozici některý z 3D CAD softwarů a abyste jej také uměli ovládat a modelovat 3D objekty.

Až bude hotovo, stačí model exportovat do formátu OBJ/STL

Ale nebojte se, pro běžné smrtelníky je tu třeba skvělá webová modelační aplikace Tinkercad. Je zdarma, pomocí základních 3D objektů vyrobíte prakticky cokoliv, hotová díla můžete sdílet s ostatními, nebo si je nechat vytisknout u některé ze zahraničních komerčních služeb, a co je nejdůležitější, stáhnete je ve formátu STL na svůj disk.

Pokročilejším modelářům vřele doporučím ještě další webový nástroj – Oneshape s bezplatným tarifem, který je také optimalizovaný pro 3D tisk.

Cura nařeže model na vrstvy

3D model toho, co chceme vytisknout, bychom tedy už měli, ale ten samotný ještě do tiskárny poslat nemůžeme. Potřebujeme ho nařezat. Cože? Ano, nařezat. Jak už jsme si vysvětlili v úvodu, aditivní 3D tiskárny vyrábějí předmět nanášením jednotlivých vrstev na sebe.

V digitální řezačce Cura nastavíte parametry tisku a program podle nich nařeže původní 3D model do jednotlivých vrstev ve formátu GCODE

Kdybychom si tedy opravdu v Tinkercadu, Oneshapu nebo v jiném modelačním softwaru navrhli onu šachovou figurku, musíme použít ještě další program, který ji podle parametrů cílové 3D tiskárny nařeže třeba i na stovky jednotlivých vrstev a vytvoří co nejoptimálnější cestu pro samotnou tiskovou hlavu. Výsledkem bude druhý soubor ve formátu GCODE, který se už stal nepsaným standardem prakticky všech FDM/FFF tiskáren a nativně mu rozumí.

3D model v STL promění v GCODE další program, přičemž výrobce tiskárny U30 doporučuje použít software Ultimaker Cura, pro který dodává speciální konfigurační soubor U30.ini s parametry tiskárny U30.

Nařezaný model na vrstvy a barevně rozlišené způsoby tisku (pohybu tiskové hlavy). Všimněte si modrého podkladu nejníže, který slouží jako základna pro snadné přilepení modelu k tiskové ploše.

V programu Cura tedy nejprve nakonfigurujeme tiskárnu a nahrajeme náš 3D model, nastavíme kvalitu tisku a vygenerujeme soubor GCODE. Pokud by byla 3D tiskárna skrze USB připojená k počítači, mohli bychom nyní spustit tisk jako na běžné inkoustovce, mnohem praktičtější je však soubor GCODE umístit na microSD a teprve tu zasunout do zadní části tiskárny Alfawise U30. Poté spustíme tisk přes její dotykový displej.

3D tisk je pomalý. Šíleně pomalý!

Proč tak složitě? Protože přes veškerý vývoj v posledních letech je aditivní 3D tisk už z principu funkce FDM/FFF tisku pomalý. Šíleně pomalý. Když tedy bude tiskárna tisknout z SD karty, může být zavřená třeba v druhé místnosti a tisknout zcela samostatně přes noc, aniž byste u toho museli mít spuštěný počítač.

Na zadní straně tiskárny najdete USB-B konektor a slot pro microSD pro přímý tisk bez PC

Při tisku se v perfektní synchronizaci otáčejí čtyři velké krokové motory, které navádějí trysku na přesnou pozici na tiskové desce. Jsou to mechanické pohyby, které mají fyzikální rychlostní limity, aby se celá tiskárna netřásla, tryska nevibrovala a tisk zůstal přesný.

Úvodní výroba ochranné základny a samotný tisk modelu nad ní

Slovy čísel, laciná Alfawise U30 dokáže za ideálních podmínek pokládat natavené vlákno rychlostí 120 mm/s. Ale to jsou opravdu ideální podmínky, které ovlivňuje nastavení kvality tisku, tedy jeho rozlišení, způsob výplně objemných předmětů (duté × plné) a způsob pohybu, tedy cesta, kterou vygeneroval tiskový program Cura a souřadnice pohybů hlavy uložil do formátu GCODE.

Pokud tiskárna model vyrábí samostatně (bez připojení k PC), bude vás o průběhu informovat na svém displeji

Průměrná rychlost bude spíše poloviční, takže figurku s hromadou oblých tvarů, které vyžadují ty nejjemnější kombinované pohyby všech krokových motorů bude U30 vyrábět i několik dlouhých hodin a to při běžné kvalitě. Při té nejvyšší s tloušťkou vrstvy 0,1 mm to může být i celá noc.

Jen pro srovnání, nejnovější modely tiskáren Prusa zvládnou tisk rychlostí až 200 mm/s, tedy až několikanásobně rychleji.

Proč je to tak škaredé?

Když tiskárna za pár hodin konečně vše dokončí a vy výrobek jemně odloupnete od tiskové desky (lze ji dodatečně zahřát, aby to šlo snáze – spodní vrstva PLA/ABS změkne), začátečníka překvapí viditelné vrstvičky – jejich zuby. To je běžná vlastnost FDM/FFF tiskáren a tyto vrstvičky uvidíte při jakékoliv kvalitě tisku. Je třeba si uvědomit, že tiskárna opravdu aditivně tiskne a nevylévá roztavený plast do perfektní formy.

Tisk je přesný, ale povrch je hrubý. Robotickému autíčku to ale nevadí. Pro co nejestetičtější tisk je třeba finalizace acetonovým leptáním.

Zuby a další nerovnosti jsou patrné zejména u těchto levnějších tiskáren, přičemž poměrně hrubá je i plocha horní a spodní vrstvy výrobku. Pokud tedy chcete mít opravdu perfektní figurku, krabičku, plastový stojánek na mobil nebo cokoliv jiného, budete muset do hry zapojit ještě chemii.

Acetonové leptání

ABS, PLA a další citlivé termoplastické hmoty, které se používají pro tisk, jsou sice pevné, ale nejsou příliš odolné vůči chemickému leptání. To je nakonec i výhoda, tiskovou desku totiž brzy zašpiníte, ale díky snadnému leptání ji bez problému vyčistíte libovolnou agresivnější chemikálií – velmi dobře poslouží třeba aceton.

Aceton lze použít i k finálnímu vyhlazení povrchu. Aby bylo co nejrovnoměrnější a na povrchu vytvořilo leptáním glazuru, stačí výrobek umístit třeba do velké zavařovací sklenice společně s houbičkou napuštěnou acetonem. Když sklenici uzavřete, uvolňující se výpary acetonu začnou rozleptávat povrch, ale nebudou natolik agresivní, aby výrobek okamžitě zničily a rozpustili.

Bluedio TN: Bluetooth, USB-C a aktivní potlačení hluku za 360 korun

Odhad přesného času a množství acetonu je nicméně kumšt a řemeslo, takže tyto techniky se naučíte až za pochodu vlastním experimentováním. V každém případě, pokud se vám hotový 3D model podaří vyhladit opravdu slušně, může být výsledek srovnatelný s průmyslovými plastovými odlitky.

Robustní a pro začínající kutily ideální

Alfawise U30 není určená pro tisk v té nejvyšší kvalitě. Od toho tu je opravdu Prusa a další schopnější kousky. Na stranu druhou, perfektně poslouží modelářům a kutilům všeho druhu – prostě fanouškům DIY, kteří si 3D tiskárnu hodlají pořídit nikoliv pro výrobu šachových figurek a jiných pitomostí, ale třeba nejrůznějších pravoúhlých krabiček pro svoji elektroniku, kde v prvé řadě nejde o estetiku tisku, ale o funkci.

Pokud patříte mezi ně, Alfawise U30 může být dobrá volba. Za 4 000 tisíce korun získáte robustní těleso z poctivé slitiny, které se dobře ovládá díky svému dotykovému displeji a tiskne vlastně docela dobře.