Laboratorn´ı 3D tisk´ arna
Bakal´ aˇ rsk´ a pr´ ace
Studijn´ı program: B2612 – Elektrotechnika a informatika
Studijn´ı obor: 2612R011 – Elektronick´e informaˇcn´ı a ˇr´ıd´ıc´ı syst´emy Autor pr´ace: Kristi´an Kˇr´ıˇz
Vedouc´ı pr´ace: prof. Ing. Aleˇs Richter, CSc.
Lab 3D printer
Bachelor thesis
Study programme: B2612 – Electrotechnology and informatics
Study branch: 2612R011 – Electronic Information and Control Systems Author: Kristi´an Kˇr´ıˇz
Supervisor: prof. Ing. Aleˇs Richter, CSc.
Tento list nahrad’te
origin´ alem zad´ an´ı.
Prohl´ aˇ sen´ı
Byl jsem sezn´amen s t´ım, ˇze na mou bakal´aˇrskou pr´aci se plnˇe vztahuje z´akon ˇc. 121/2000 Sb., o pr´avu autorsk´em, zejm´ena § 60 – ˇskoln´ı d´ılo.
Beru na vˇedom´ı, ˇze Technick´a univerzita v Liberci (TUL) neza- sahuje do m´ych autorsk´ych pr´av uˇzit´ım m´e bakal´aˇrsk´e pr´ace pro vnitˇrn´ı potˇrebu TUL.
Uˇziji-li bakal´aˇrskou pr´aci nebo poskytnu-li licenci k jej´ımu vyuˇzit´ı, jsem si vˇedom povinnosti informovat o t´eto skuteˇcnosti TUL;
v tomto pˇr´ıpadˇe m´a TUL pr´avo ode mne poˇzadovat ´uhradu n´aklad˚u, kter´e vynaloˇzila na vytvoˇren´ı d´ıla, aˇz do jejich skuteˇcn´e v´yˇse.
Bakal´aˇrskou pr´aci jsem vypracoval samostatnˇe s pouˇzit´ım uveden´e literatury a na z´akladˇe konzultac´ı s vedouc´ım m´e bakal´aˇrsk´e pr´ace a konzultantem.
Souˇcasnˇe ˇcestnˇe prohlaˇsuji, ˇze tiˇstˇen´a verze pr´ace se shoduje s elektronickou verz´ı, vloˇzenou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
Abstrakt
C´ılem t´eto pr´ace je v´yvoj stoln´ıho laboratorn´ıho zaˇr´ızen´ı - 3D la- boratorn´ı tisk´arny, kter´a slouˇz´ı k vytv´aˇren´ı re´aln´ych 3D objekt˚u.
Hlavn´ı v´yhodou tohoto zaˇr´ızen´ı by mˇela b´yt moˇznost pˇrizp˚usoben´ı se dan´e aplikaci.
V´yvoj zaˇr´ızen´ı byl pˇrizp˚usoben potencion´aln´ım projekt˚um, kter´e se na nˇem mˇely realizovat. Zahrnuje n´avrh konstrukˇcn´ıho ˇreˇsen´ı jednotliv´ych ˇc´asti tisk´arny, v´ybˇer a zprovoznˇen´ı ˇr´ıd´ıc´ı elektro- niky a ˇr´ıd´ıc´ıho softwaru, kter´y zprostˇredkov´av´a komunikaci mezi poˇc´ıtaˇcem a ˇr´ıd´ıc´ı elektronikou.
V teoretick´e ˇc´asti pr´ace je, kromˇe popisu konstrukce navrˇzen´eho zaˇr´ızen´ı, uvedeno i obecn´e rozdˇelen´ı jednotliv´ych proces˚u Rapid Prototyping. D´ale je pˇredloˇzen urˇcit´y pˇrehled a struˇcn´y popis vybran´ych technologi´ı 3D tisku. Uveden je tak´e proces pˇr´ıpravy dat, v´yroba prototyp˚u, vz´ajemn´e porovn´an´ı technick´ych parametr˚u a shrnut´ı v´yhod a nev´yhod dan´e technologie, dle autorov´ych zkuˇsenost´ı z praxe.
Kl´ıˇcov´a slova:
3D tisk, 3D tisk´arna, konstrukce, Rapid Prototyping, PolyJet, Fused Deposition Modeling, RepRap
Abstract
The object of study is to develop and design table, laboratory machine - Lab 3D printer, which is used to creating real 3D objects.
Main advantage of this machine should be the possibility of adaptation to the specific application.
Development of this machine has been adapted to potential scientific research projects. It includes design of each part of the printer, selecting control electronics and software, which provides communication between a computer and a control electronics.
In the theoretical part, beside a description of machine, there is also mentioned general division of individual processes of Rapid Prototyping. Furthermore there is an overview and brief descrip- tion of selected 3D printing technology. There is also inducted process of data preparation, manufacture of prototypes and mutual comparison of technical parameters and summary of advantages and disadvantages of the technology, according to the author’s experiences.
Key words:
3D printing, 3D printer, construction, Rapid Prototyping, PolyJet, Fused Deposition Modeling, RepRap
Podˇ ekov´ an´ı
Chtˇel bych podˇekovat vedouc´ımu sv´e bakal´aˇrsk´e pr´ace prof. Ing. Aleˇsi Richterovi, CSc. za odborn´e veden´ı a cenn´e rady po celou dobu spolupr´ace.
D´ale bych chtˇel podˇekovat konzultantovi m´eho projektu Ing. Jiˇr´ımu Safkovi, Ph.D. za pomoc pˇri konstrukci 3D model˚ˇ u a jejich v´yrobˇe, sh´anˇen´ı financ´ı na v´yrobu zaˇr´ızen´ı, zap˚ujˇcen´e n´aˇrad´ı i pracovn´ı prostor.
V neposledn´ı ˇradˇe tak´e za cenn´e odborn´e rady pˇri konstrukci a za moˇznost ´uˇcastnit se v´yzkumn´ych projekt˚u, pomoc´ı kter´ych se potvrdila vyuˇzitelnost zaˇr´ızen´ı.
Obsah
Uvod´ 13
I Teoretick´ a ˇ c´ ast 15
1 Rapid Prototyping 16
1.1 Rozdˇelen´ı proces˚u . . . 16
1.1.1 Preprocessing . . . 17
1.1.2 Processing . . . 19
1.1.3 Postprocessing . . . 19
1.2 Technologie 3D tisku . . . 19
1.2.1 SLA . . . 19
1.2.2 FDM . . . 20
1.2.3 PolyJet . . . 22
1.2.4 SLS . . . 23
1.3 RepRap . . . 24
II Praktick´ a ˇ c´ ast 26
2 Konstrukce tisk´arny 27 2.1 R´am tisk´arny . . . 272.2 Osa x . . . 27
2.3 Osa y . . . 29
2.4 Osa z . . . 29
2.5 Tiskov´a hlava - extruder . . . 30
3 Elektronika 34 3.1 Arduino Mega 2560 . . . 34
3.2 Ramps 1.4 . . . 35
3.3 Pololu 1182 . . . 36
4 Software 37 4.1 Firmware . . . 37
4.2 Pˇr´ıprava tiskov´ych dat . . . 37
4.3 Ovl´adac´ı software . . . 37
5 Testov´an´ı zaˇr´ızen´ı 39 5.1 Preseed - NANO4BIO . . . 39
5.1.1 Zamˇeˇren´ı projektu . . . 39
5.1.2 PCL . . . 40
5.1.3 Pouˇzit´e metody v´yroby . . . 41
5.1.4 Dosaˇzen´e v´ysledky . . . 43
5.2 Keramika . . . 45
6 Parametry zaˇr´ızen´ı 46
7 Zhodnocen´ı 47
8 Z´avˇer 49
III Pˇ r´ılohy 52
A Navrˇzen´e modely 53
A.1 Drˇz´ak osa X bez motoru . . . 53
A.2 Drˇz´ak osa X s motorem. . . 54
A.3 Drˇz´ak motor osa Y . . . 55
A.4 Voz´ık extruder - pohled shora . . . 56
A.5 Voz´ık extruder - pohled zespodu . . . 57
A.6 Pˇr´ıdavn´y drˇz´ak extruder . . . 58
A.7 Drˇz´ak loˇziska pomocn´e osy . . . 59
A.8 Drˇz´ak extruder . . . 60
A.9 Drˇz´ak osa X - Y . . . 61
A.10 Pˇr´ıruba krokov´eho motoru . . . 62
A.11 Drˇz´ak domku osa Z . . . 63
A.12 Drˇz´ak motor extruder. . . 64
A.13 Drˇz´ak extruder bowden - krajn´ı . . . 65
A.14 Drˇz´ak extruder bowden - stˇredov´y . . . 66
A.15 Nap´ın´ak ˇremenu. . . 67
A.16 Nap´ın´ak ˇremenu - druh´a verze . . . 68
A.17 Drˇz´ak koncov´y sn´ımaˇc . . . 69
A.18 Drˇz´ak koncov´y sn´ımaˇc osa Z . . . 70
A.19 Drˇz´ak magnetu dveˇre . . . 71
A.20 Drˇz´ak p´ıstu dveˇre . . . 72
A.21 Nav´ıjeˇcka tiskov´e struny . . . 73
A.22 Propojen´ı osa Z . . . 74
A.23 Propojen´ı osa Z - odlehˇcen´a verze . . . 75
A.24 Sestava osa Z - p˚uvodn´ı verze . . . 76
A.25 Chladiˇc extruder . . . 77
A.26 Pˇr´ıtlaˇcn´e kolo extruder . . . 78
A.27 Chladiˇc krokov´y motor . . . 79
A.28 Tryska . . . 80
A.29 V´yhˇrevn´y blok . . . 81
B Navrˇzen´e testovac´ı modely 82 B.1 20 mm dut´y kv´adr . . . 82
B.2 40 x 60 mm kalibraˇcn´ı model . . . 83
B.3 Logo TUL n´ızk´e . . . 84
B.4 Raz´ıtko . . . 85
B.5 Jmenovka na kl´ıˇce. . . 86
B.6 Suˇsenka 0,3 x 0,5 x 0,8 (s x v x m) . . . 87
B.7 Suˇsenka 0,3 x 0,5 x 0,6 . . . 88
B.8 Suˇsenka 0,3 x 0,5 x 0,8 . . . 89
B.9 Suˇsenka 0,4 x 0,5 x 0,8 . . . 90
B.10 Suˇsenka keramika . . . 91
B.11 Suˇsenka keramika 2 . . . 92
B.12 Suˇsenka keramika 3 . . . 93
B.13 Tenk´a stˇena . . . 94
B.14 Testovac´ı blok . . . 95
B.15 Test trhaˇcka 25 x 2,5 x 2 mm . . . 96
B.16 Test trhaˇcka 30 x 3 x 2 mm . . . 97
B.17 Zkuˇsebn´ı tˇeleso . . . 98
B.18 Vizitka . . . 99
C Zdrojov´y k´od 100 D Testovac´ı modely 103 D.1 Testovac´ı model trhaˇcka . . . 103
D.2 P´ıˇst’alka dvout´onov´a . . . 104
D.3 P´ıˇst’alka s kuliˇckou . . . 105
D.4 Zub stoliˇcka . . . 106
D.5 Zub ˇrez´ak . . . 107
D.6 Vˇeˇs´ak . . . 108
D.7 Busta Batman . . . 109
D.8 Turb´ınka . . . 110
E Elektrick´a sch´emata a katalogov´e ´udaje 111 E.1 Arduino MEGA 2560 . . . 111
E.2 Ramps 1.4 . . . 112
E.3 Pololu A4988 . . . 113
E.4 Termistor 104GT-1 . . . 118
E.5 MAX 31855 . . . 119
E.6 DS18B20. . . 120
F Srovn´an´ı parametr˚u 3D tisk´aren 121
G Uˇzitn´y vzor 122
H ˇClenˇen´ı obsahu pˇriloˇzen´eho CD 127
Uvod ´
V dneˇsn´ım, ponˇekud uspˇechan´em svˇetˇe, se touha ulehˇcit ˇci zdokonalit svou pr´aci st´ale ˇcastˇeji pˇren´aˇs´ı do naˇseho kaˇzdodenn´ıho shonu. Naˇstˇest´ı je jiˇz mnoho ˇcinnost´ı zautomatizovan´ych a moˇznosti techniky, kter´a pracuje pro lidsk´e oko v nezachytiteln´ych kroc´ıch, jsou obrovsk´e. Poˇr´ad dok´aˇzeme naj´ıt specifick´e kategorie v´yroby, kde je manu´aln´ı pr´ace lid´ı nenahraditeln´a, ale ˇc´ım d´al t´ım v´ıce vˇse smˇeˇruje k automatizaci. Jednoduˇse, kde pˇresnost a schopnosti lidsk´e ruky nestaˇc´ı, tam pouˇzijeme stroje. Vedle pˇresnosti v´yroby se st´ale zvyˇsuj´ı i n´aroky na rychlost a cenu v´yvoje.
Dalˇs´ım d˚uleˇzit´ym miln´ıkem je rozvoj a pr˚unik plastov´ych v´yrobk˚u do naˇseho kaˇzdodenn´ıho ˇzivota. To s sebou samozˇrejmˇe pˇrin´aˇs´ı i v´yvoj potˇrebn´ych technologi´ı a proces˚u, kter´e jsou vhodn´e pro zpracov´an´ı tˇechto materi´al˚u. Vedle velkoobje- mov´ych technologi´ı bylo zapotˇreb´ı vyvinout metody pro kusovou a malos´eriovou v´yrobu, kter´e zlevn´ı a zjednoduˇsˇs´ı n´avrh a testov´an´ı produkt˚u v poˇc´ateˇcn´ı f´azi v´yvoje a v´yroby.
Proto se zaˇcaly vyv´ıjet technologie, kter´e jdou tomuto trendu naproti a kter´ym se souhrnnˇe ˇr´ık´a Rapid Prototyping. Jedn´a se o soubor technologi´ı a proces˚u pro rychlou v´yrobu souˇc´ast´ı, kter´e m˚uˇzou b´yt plnˇe funkˇcn´ı a jejichˇz mechanick´e vlastnosti se co nejv´ıce bl´ıˇz´ı fin´aln´ımu v´yrobku. Mezi tyto technologie pˇredevˇs´ım patˇr´ı 3D tisk.
Tento zp˚usob v´yroby se ˇc´ım d´al t´ım v´ıce uplatˇnuje ve velmi ˇsirok´em rozsahu, zejm´ena ve stroj´ırenstv´ı, automobilov´em pr˚umyslu, designu, l´ekaˇrstv´ı, apod. N´aˇcrty konstrukt´er˚u se bˇehem chvilky mˇen´ı v re´aln´e objekty s minim´aln´ımi n´aklady na koneˇcnou v´yrobu prototypu. Zejm´ena v posledn´ı dobˇe se zaˇc´ınaj´ı ˇc´ım d´al t´ım v´ıce objevovat souvislosti mezi l´ekaˇrstv´ım a vyuˇzit´ı technologi´ı 3D tisku. Nicm´enˇe vysok´a poˇrizovac´ı cena a uˇzivatelsk´e moˇznosti komerˇcn´ıch tisk´aren st´ale kladou urˇcit´a omezen´ı.
V t´eto pr´aci se zab´yv´am v´yvojem dostupn´e laboratorn´ı 3D tisk´arny, vyuˇz´ıvaj´ıc´ı metody FDM1. Hlavn´ı pˇrednost´ı t´eto tisk´arny by mˇela b´yt co nejvˇetˇs´ı uˇzivatelsk´a otevˇrenost, tak aby se dala pˇrizp˚usobit i pro netradiˇcn´ı zp˚usoby vyuˇzit´ı 3D tisk´aren.
Velkou motivac´ı pro konstrukci zaˇr´ızen´ı byla tak´e nab´ıdka k ˇreˇsen´ı zaj´ımav´ych badatelsk´ych projekt˚u, kde komerˇcn´ı tisk´arny nenab´ız´ı dostateˇcnˇe volnou ruku k realizaci, jak z hlediska nastaven´ı parametr˚u tisku, tak ohlednˇe pouˇzit´eho tiskov´eho materi´alu. Jedn´a se napˇr´ıklad o kombinaci 3D tisku a nanovl´akenn´e struktury pro potˇreby tk´aˇnov´eho inˇzen´yrstv´ı.
Vedle n´avrhu a sestaven´ı samotn´eho zaˇr´ızen´ı bylo zapotˇreb´ı navrhnout i ˇr´ıd´ıc´ı elektroniku ve spojen´ı se stoln´ım poˇc´ıtaˇcem. Vzhledem k ˇcasov´e n´aroˇcnosti cel´eho projektu jsem se rozhodl k ˇr´ızen´ı tisk´arny vyuˇz´ıt dostupn´ych open-source ˇreˇsen´ı a uˇsetˇren´y ˇcas investovat do otestov´an´ı zaˇr´ızen´ı na konkr´etn´ıch projektech.
C´ ˇ ast I
Teoretick´ a ˇ c´ ast
1 Rapid Prototyping
Rapid Prototyping (RP) je souhrnn´y n´azev pro skupinu technologi´ı a proces˚u, kter´e se pouˇz´ıvaj´ı k rychl´emu vyr´abˇen´ı fyzick´ych model˚u nebo souˇc´ast´ı. Podkladem k v´yrobˇe jsou virtu´aln´ı 3D CAD1 data. K vytv´aˇren´ı re´aln´ych souˇc´ast´ı se nejˇcastˇeji pouˇz´ıvaj´ı 3D tisk´arny.
Prvn´ı techniky se staly dostupn´ymi ke konci osmdes´at´ych let 20. stolet´ı, avˇsak k vˇetˇs´ımu rozˇs´ıˇren´ı doˇslo aˇz v posledn´ıch dvaceti letech. Z t´eto nejprve ojedinˇel´e a exklusivn´ı z´aleˇzitosti vyspˇel´ych firem, se brzy stala uzn´avan´a a rozˇs´ıˇren´a pom˚ucka pˇri n´avrhu a konstruov´an´ı. Zaveden´e procesy jsou totiˇz schopny urychlit proces v´yvoje a sn´ıˇzit finanˇcn´ı n´aroˇcnost.
Vˇsechny technologie RP jsou ve sv´e podstatˇe aditivn´ım procesem. Vyr´abˇen´e souˇc´asti jsou tvoˇreny postupn´ym vrstven´ım jednotliv´ych horizont´aln´ıch ˇrez˚u modelu (Obr´azek 1.1/s17). Tyto vrstvy se bud’ nan´aˇsej´ı jedna na druhou, sp´ekaj´ı se, nebo jsou vytvrzov´any ultrafialov´ym z´aˇren´ım. P˚uvodn´ı techniky pˇredstavovaly pouh´e vrstven´ı kˇrehk´ych pryskyˇriˇcn´ych materi´al˚u[7].
Na poˇc´atku se tedy s ohledem na vlastnosti pouˇzit´ych materi´al˚u jednalo pouze o vizu´aln´ı str´anku v´yrobku, kter´a vˇsak d´ıky hmatateln´e reprezentaci vedla k lepˇs´ı pˇredstavˇe nad vzhledem a moˇznostech pouˇzit´ı. To nejenom v´yraznˇe urychlilo proces schvalov´an´ı - pˇredevˇs´ım z d˚uvodu rychl´eho odhalen´ı chyb pˇred zapoˇcet´ım samotn´e v´yroby, ale podstatnˇe zlevnilo proces v´yvoje.
Pozdˇeji se zaˇcaly kˇrehk´e materi´aly nahrazovat nˇeˇc´ım st´alejˇs´ım, pevnˇejˇs´ım, odolnˇejˇs´ım. Tato n´ahrada vedla k rozˇs´ıˇren´ı moˇznost´ı vyuˇzit´ı - tedy k vytv´aˇren´ı funkˇcn´ıch prototyp˚u, kter´e lze pouˇz´ıt i k prvotn´ımu testov´an´ı v´yrobku. Mezi nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ı materi´aly urˇcitˇe patˇr´ı r˚uzn´e druhy plast˚u, keramiky, ˇci kov˚u.
1.1 Rozdˇ elen´ı proces˚ u
Obecnˇe m˚uˇzeme ˇr´ıct, ˇze vˇsechny zp˚usoby 3D tisku jsou zaloˇzeny na stejn´em principu.
Na poˇc´atku v´yroby je potˇreba m´ıt poˇc´ıtaˇcov´y 3D model, kter´y chceme vyrobit.
V podstatˇe m´ame na v´ybˇer ze tˇr´ı z´akladn´ıch pˇr´ıstup˚u. Prvn´ı moˇznost´ı je si model nakreslit, ˇci naprogramovat v libovoln´em CAD programu. Dalˇs´ı moˇznost´ı je pouˇz´ıt
Obr´azek 1.1: Horizont´aln´ı pr˚uˇrezy modelu
metod tzv. reverzn´ıho inˇzen´yrstv´ı, kdy se vytv´aˇr´ı rekonstrukce 3D modelu re´aln´eho objektu napˇr. pomoc´ı optick´eho 3D skeneru. Posledn´ı variantou je st´ahnout a pouˇz´ıt jiˇz vytvoˇren´e poˇc´ıtaˇcov´e modely z nˇejak´eho komunitn´ıho ´uloˇziˇstˇe.
D´ale je potˇreba tento poˇc´ıtaˇcov´y model pˇrev´est do form´atu STL2, kter´y se stal jak´ymsi standardn´ım form´atem mezi CAD syst´emy a syst´emy RP. Export do tohoto form´atu je podporov´an vˇetˇsinou CAD program˚u. Model v tomto form´atu je reprezentov´an jako troj´uheln´ıkov´a s´ıt’ (Obr´azek 1.2/s18), kde kaˇzd´y troj´uheln´ık je definov´an tˇremi souˇradnicemi pro kaˇzd´y vrchol a norm´alu, kter´a urˇcuje rub a l´ıc vznikl´e plochy.
Pˇred samotnou v´yrobou je jeˇstˇe potˇreba pˇripravit tiskov´a data pro danou tisk´arnu ve speci´aln´ım softwaru, kter´y je zpravidla dod´av´an ke konkr´etn´ı tisk´arnˇe. Jelikoˇz v´ıcem´enˇe vˇsechny technologie 3D tisku pracuj´ı na principu kladen´ı jednotliv´ych horizont´aln´ıch vrstev na sebe, je potˇreba 3D poˇc´ıtaˇcov´y model na tyto vrstvy pˇredem naˇrezat a z nich urˇcit dr´ahu pohybu os zaˇr´ızen´ı a definovat mnoˇzstv´ı pouˇzit´eho materi´alu.
Proces v´yroby pomoc´ı 3D tisku lze rozdˇelit do tˇr´ı ˇc´ast´ı[1].
1.1.1 Preprocessing - pˇ r´ıpravn´ e pr´ ace, pˇ r´ıprava tiskov´ ych dat
Jedn´a se o prvotn´ı st´adium v´yroby, kter´e souvis´ı s pˇr´ıpravou dat, nejˇcastˇeji za pouˇzit´ı CAD softwaru, napˇr. PTC Creo Parametric (dˇr´ıve Pro/ENGINEER), Autodesk Inventor Fusion, SolidWorks, atp. Po vymodelov´an´ı je zdrojov´y k´od pˇreveden do form´atu STL. Tento form´at obsahuje pouze informace ohlednˇe povrchov´e geometrie,
2STereoLithography
Obr´azek 1.2: Troj´uheln´ıkov´a s´ıt’ modelu
nikoliv vˇsak o barvˇe, textuˇre ani dalˇs´ıch bˇeˇzn´ych vlastnostech CAD model˚u.
U sloˇzitˇejˇs´ıch model˚u je troj´uheln´ıkov´a s´ıt’ rozs´ahlejˇs´ı a , aby dok´azala co nejpˇresnˇeji zachytit tvar modelu. S t´ım samozˇrejmˇe roste i v´ysledn´a velikost souboru.
D´ale je nutn´e u nˇekter´ych metod RP v t´eto f´azi upravit model tak, aby byla moˇzn´a jeho v´yroba. Jedn´a se napˇr´ıklad o vytvoˇren´ı podp˚urn´ych konstrukc´ı v m´ıstech, kde se nach´azej´ı do prostoru volnˇe um´ıstˇen´e konstrukˇcn´ı pˇrevisy.
V obsluˇzn´em programu 3D tisk´arny je moˇzn´e urˇcit orientaci modelu dle poˇzadovan´ych mechanick´ych vlastnost´ı, velikosti tiskov´e plochy, atd. D´ale je moˇzn´e urˇcit um´ıstˇen´ı objektu, m˚uˇzeme upravit jeho velikost v jednotliv´ych os´ach a nastavit dalˇs´ı parametry v´yroby. Pokroˇcilejˇs´ım nastaven´ım m˚uˇzeme ovlivnit vnitˇrn´ı strukturu modelu - v´yplˇn, formu v´yplnˇe. D´ale pak tˇreba poˇcet perimetr˚u, rozliˇsen´ı jednotliv´ych vrstev, rychlost tisku, teplotu, atp. U komerˇcn´ıch ˇreˇsen´ı tisk´aren se vˇsak mus´ıme spokojit s velice omezenou paletou moˇznost´ı.
V´ystupem jsou ˇr´ıd´ıc´ı data pro tisk´arnu, ve kter´ych je obsaˇzena informace napˇr´ıklad o tom, kdy kam a o kolik se m´a dan´a osa posunout a kolik materi´alu m´a tiskov´a hlava aplikovat.
1.1.2 Processing - proces v´ yroby
V tomto procesu doch´az´ı k jiˇz samotn´e v´yrobˇe modelu na 3D tisk´arnˇe. Dle zvolen´e technologie v´yroby doch´az´ı k cyklick´emu nan´aˇsen´ı jednotliv´ych vrstev na sebe. Po zapoˇcat´em tisku vˇetˇsinou zaˇr´ızen´ı pracuje zcela automaticky bez potˇreby z´asahu obsluhy.
Nˇekdy vˇsak m˚uˇze nastat situace, kdy je potˇreba zas´ahnout do prob´ıhaj´ıc´ıho procesu - napˇr. pokud dojde tiskov´y materi´alem, pˇr´ıpadnˇe pokud doˇslo pˇri v´yrobˇe k chybˇe.
Doba v´yroby z´avis´ı na konstituci modelu a pohybuje se ˇr´adovˇe v jednotk´ach aˇz des´ıtk´ach hodin.
1.1.3 Postprocessing - potiskov´ a ´ uprava modelu
Jedn´a se o posledn´ı f´azi, pˇri kter´e doch´az´ı k fin´aln´ımu opracov´an´ı v´yrobku. Nˇekter´e metody vyˇzaduj´ı odstranˇen´ı podp˚urn´ych konstrukc´ı. M˚uˇze se jednat o mechanick´e odstranˇen´ı podp˚urn´eho materi´alu, rozpuˇstˇen´ı v chemick´e l´azni, odstranˇen´ı tlakovou vodou, pˇr´ıpadnˇe kombinaci tˇechto metod.
Dle zvolen´e technologie a tiskov´eho rozliˇsen´ı jednotliv´ych vrstev m˚uˇze doj´ıt k tomu, ˇze vytvoˇren´a povrchov´a stupˇnovit´a struktura nen´ı ˇz´adouc´ı a je nutn´e model pro dalˇs´ı vyuˇzit´ı opracovat. M˚uˇze se jednat napˇr. o brouˇsen´ı, tmelen´ı, lept´an´ı ˇci barven´ı povrchu.
1.2 Technologie 3D tisku
Technologi´ı 3D tisku dnes jiˇz existuje velk´e mnoˇzstv´ı. Umoˇzˇnuj´ı n´am jak zpracov´an´ı tradiˇcn´ıch plastick´ych materi´al˚u, keramiky, kov˚u, tak i netradiˇcn´ıch - napˇr. ˇcokol´ady.
1.2.1 SLA - Stereolitografie
Stereolitografie je v˚ubec prvn´ı metodu RP sv´eho druhu a i pˇresto je jednou z nejd˚uleˇzitˇejˇs´ıch aditivn´ıch technologi´ı, kter´e m´ame moment´alnˇe k dispozici. Jedn´a se o vytvrzov´an´ı nebo tuhnut´ı tekut´eho fotopolymeru pomoc´ı svˇeteln´eho z´aˇren´ı. Toto z´aˇren´ı dod´av´a energii, kter´a je potˇrebn´a pro spuˇstˇen´ı chemick´e reakce. Doch´az´ı ke spojen´ı velk´eho mnoˇzstv´ı molekul, kter´e vytv´aˇrej´ı pˇr´ıˇcnˇe v´azan´y polymer[2].
Konvenˇcn´ı metody vyuˇz´ıvaj´ı k formov´an´ı polymeru ultrafialov´e z´aˇren´ı. V podstatˇe se vyuˇz´ıv´a dvou z´akladn´ıch princip˚u - pˇr´ım´e osv´ıcen´ı zaostˇren´ym paprskem, nebo pomoc´ı masky (Obr´azek 1.3/s20). Zaˇr´ızen´ı se skl´ad´a z nˇekolika z´akladn´ıch ˇc´ast´ı:
ˇr´ıd´ıc´ı poˇc´ıtaˇc, n´adrˇz s fotopolymerem, pohybliv´a platforma, laser, optick´y syst´em sloˇzen´y z pohybliv´ych zrc´atek[2].
Obr´azek 1.3: Metody vytv´aˇren´ı modelu (a) pomoc´ı masky, (b) pomoc´ı pˇr´ım´eho, zaostˇren´eho paprsku. [2]
R´ıd´ıc´ım poˇˇ c´ıtaˇcem se podle naˇrezan´ych vrstev modelu ovl´ad´a natoˇcen´ı zrc´atek, kter´e smˇeruj´ı laserov´y paprsek na povrch polymerov´e l´aznˇe, kde doch´az´ı k jejich vykreslov´an´ı. Po dokonˇcen´ı vrstvy se platforma posune smˇerem dol˚u a proces vykreslov´an´ı laserov´ym paprskem zaˇcne zase od zaˇc´atku s dalˇs´ı vrstvou. Vzd´alenost, o kterou platforma klesne, je rovna tlouˇst’ce vrstvy. Zvolen´ı tlouˇst’ky vrstvy je z´avisl´e na dvou parametrech - jednotliv´a vrstva mus´ı b´yt dostateˇcnˇe pevn´a a pˇresn´a, pˇr´ıpadnˇe mus´ıme br´at ohled na v´ykon laseru, kter´y mus´ı b´yt schopen takto silnou vrstvu vytvrdit.
Ke stavbˇe podp˚urn´e konstrukce se vyuˇz´ıv´a stejn´eho materi´alu, kter´y je v po- stprocessingu mechanicky odstranˇen. Z tohoto d˚uvodu se nejˇcastˇeji vyuˇz´ıv´a he- xagon´aln´ı struktury s dostateˇcnˇe ˇsirok´ymi buˇnkami pro snadnˇejˇs´ı oddˇelen´ı od v´ytisku. V´yhodou t´eto technologie je pomˇernˇe vysok´e rozliˇsen´ı vytiˇstˇen´ych model˚u a kvalita povrchu (z´avisl´a na zvolen´e tlouˇst’ce z´akladn´ı vrstvy). Mezi nev´yhody urˇcitˇe patˇr´ı niˇzˇs´ı tepeln´a a mechanick´a odolnost model˚u, n´aroˇcnˇejˇs´ı f´aze postprocessingu a vznikaj´ıc´ı nepˇr´ıjemn´e v´ypary pˇri tisku.
1.2.2 FDM - Fused Deposition Modeling
Technologii FDM vymyslel Scott Cramp v roce 1988, nicm´enˇe o rozvoj t´eto technologie do podoby, jak ji dnes zn´ame, se postarala firma Stratasys Inc. Prvn´ı model 3D tisk´arny byl 3D Modeler R, pˇredstaven v roce 1992. O deset let pozdˇeji firma pˇredstavila velice ´uspˇeˇsnou s´erii Dimension, kter´a na trh pˇrinesla dostupn´e 3D tisk´arny[3].
Tiskov´y materi´al ve formˇe plastov´e struny o urˇcit´em pr˚umˇeru (3 mm, nebo 1,75 mm) je taven v tiskov´e hlavˇe do polo-kapaln´eho stavu a je protlaˇcov´an skrz trysku na tiskovou plochu. Po vytlaˇcen´ı se materi´al ochlazuje a tuhne zp´atky do pevn´e podoby(Obr´azek1.4/s21). Pˇri vytv´aˇren´ı jedn´e vrstvy se tiskov´a hlava pohybuje v ose
Obr´azek 1.4: Proces tisku pomoc´ı technologie FDM [3]
X-Y a roztaven´ym plastem
”kresl´ı“strukturu dan´e plochy. Pot´e se tiskov´y st˚ul posune dol˚u ve smˇeru osy z a zaˇcne se vytv´aˇret dalˇs´ı vrstva. Model je tedy stejnˇe jako v pˇr´ıpadˇe ostatn´ıch technologi´ı vytv´aˇren vrstvu po vrstvˇe.
Draˇzˇs´ı 3D tisk´arny b´yvaj´ı vˇetˇsinou osazeny jeˇstˇe druhou tiskovou hlavou, kter´a slouˇz´ı pro aplikaci podp˚urn´eho materi´alu. Ten je v postprocessingu odstranˇen bud’to mechanicky, nebo je rozpuˇstˇen v chemick´e l´azni. Pouˇzit´ı rozd´ıln´eho materi´alu pro podp˚urnou strukturu se pozitivnˇe odr´aˇz´ı na v´ysledn´e kvalitˇe vytiˇstˇen´eho modelu.
Parametr˚u, kter´e ovlivˇnuj´ı v´yslednou kvalitu modelu, je vˇsak cel´a ˇrada, napˇr.:
pevnost materi´alu, modul pruˇznosti, viskozita, pˇresnost polohov´an´ı stroje, rychlost tisku, objemov´y pr˚utok tryskou, st´alost pr˚umˇeru tiskov´e struny, teplota tisku, geometrie tiˇstˇen´e souˇc´asti, atd.
Jako materi´al se vˇetˇsinou pouˇz´ıv´a amorfn´ı termoplastick´y kopolymer ABS (Akry- lonitril Butadien Styrel). Jedn´a se o materi´al s dobrou chemickou, mechanickou i tepelnou odolnost´ı, je nerozpustn´y ve vodˇe a je vhodn´y pro n´aslednou po tiskovou
´
upravu povrchu. Dalˇs´ım velice obl´ıben´ym materi´alem je biodegradabiln´ı, alifatick´y termoplastick´y polyester, kter´y je vyroben z obnoviteln´ych zdroj˚u, napˇr.: z kukuˇrice, ˇci tapioky. Oproti ABS m´a horˇs´ı chemickou, mechanickou i tepelnou odolnost.
V´yhodou m˚uˇze b´yt niˇzˇs´ı bod taven´ı a tak´e ekologick´y aspekt.
Obr´azek 1.5: Proces tisku pomoc´ı technologie PolyJet [3]
1.2.3 PolyJet
Technologie PolyJet byla vynalezena firmou Objet Geometries Ltd jako reakce na popt´avku po nov´e technologii 3D tisku, kter´a bude dosahovat vyˇsˇs´ıho rozliˇsen´ı pˇri tisku komplexn´ıch model˚u. Kromˇe velk´eho tiskov´eho rozliˇsen´ı, vysok´e rychlosti tisku a mal´e v´yˇsky tiskov´e vrstvy (ta se liˇs´ı dle nastaven´ı tisk´arny a m˚uˇze b´yt v rozmez´ı 16-50 µm) je pˇrednost´ı t´eto technologie moˇznost kombinace 2 tiskov´ych materi´alu v r´amci jednom tisku[3].
Z t´eto kombinace vznikaj´ı dalˇs´ı, tzv. digit´aln´ı materi´aly, kter´e slouˇz´ı k co nejlepˇs´ımu pˇribl´ıˇzen´ı poˇzadovan´ym parametr˚um v´ysledn´eho modelu. V nab´ıdce je v´ıce neˇz sto druh˚u r˚uzn´ych materi´al˚u kter´e kop´ıruj´ı poˇzadavky pr˚umyslu. Tiskov´y materi´alem je tekut´y fotopolymer, kter´y je dod´av´an v cartridg´ıch o hmotnosti 3,6 kg.
Proces vytv´aˇren´ı jedn´e vrstvy modelu je podobn´y technologii InkJet, kterou zn´ame z inkoustov´ych tisk´aren. Tiskov´e hlavy s velk´ym mnoˇzstv´ım trysek najednou stˇr´ıkaj´ı stavebn´ı a podp˚urn´y materi´al na tiskovou plochu. Ten je n´aslednˇe po nanesen´ı cel´e vrstvy vytvrzen pomoc´ı UV lamp (Obr´azek 1.5/s22).
V´yhodou t´eto technologie je t´emˇeˇr dokonal´a pˇresnost a vysok´e rozliˇsen´ı povrchu v´ytisku. V postprocessingu se pro odstranˇen´ı podp˚urn´ych struktur pouˇz´ıv´a tla- kov´eho myt´ı. Pro v´yrobu model˚u je k dispozici ˇsirok´e spektrum materi´al˚u, kop´ıruj´ıc´ı urˇcit´e vlastnosti - od gumy aˇz po ultra pevn´y plast. Nicm´enˇe takto vyroben´e
Obr´azek 1.6: Kalibraˇcn´ı v´ytisky technologie SLS
z origin´aln´ıch materi´al˚u. Dalˇs´ı nev´yhodou m˚uˇze b´yt pomˇernˇe vysok´a cena jak samotn´eho zaˇr´ızen´ı, tak i tiskov´ych materi´al˚u a vysok´e n´aroky na ´udrˇzbu.
1.2.4 SLS - Selective Laser Sintering
Technologie SLS - selektivn´ı sp´ek´an´ı laserem, byla vyvinuta v polovinˇe 80. let na texask´e univerzitˇe v Austinu. O nejvˇetˇs´ı rozˇs´ıˇren´ı t´eto technologie se zaslouˇzila firma 3D Systems, kter´a v souˇcasn´e dobˇe patˇr´ı mezi nejzn´amˇejˇs´ı firmy z oblasti v´yroby 3D tisk´aren.
Podstatou t´eto technologie je sp´ek´an´ı tiskov´eho materi´alu v inertn´ı atmosf´eˇre pomoc´ı v´ykonn´eho laserov´eho paprsku. Pro tisk se d´a vyuˇz´ıt v podstatˇe jak´ykoliv taviteln´y materi´al dostupn´y ve formˇe pr´aˇsku. V´yrobek vznik´a sp´ek´an´ım stavebn´ıho materi´alu po tenk´ych vrstv´ach v ploˇse ˇrezu dle digit´aln´ıho modelu. Vrstva pr´aˇsku se nan´aˇs´ı v cel´e ploˇse stavebn´ı platformy. V´yhodou tohoto ˇreˇsen´ı, kdy je model neust´ale obklopen zbytkov´ym pr´aˇskem, je omezen´ı podp˚urn´ych konstrukc´ı - ty se stav´ı ze stejn´eho materi´alu, ale sp´ekaj´ı se menˇs´ı intenzitou laseru.
Pomoc´ı SLS technologie dok´aˇzeme vyrobit modely se srovnatelnou kvalitou jako pomoc´ı konvenˇcn´ıch v´yrobn´ıch metod - na rozd´ıl od nich ale m˚uˇze vytv´aˇret sloˇzit´e modely, vnitˇrn´ı struktury, nebo vytv´aˇret modely s drobn´ymi odliˇsnostmi za srovnatelnou v´yrobn´ı cenu.
Obr´azek 1.7 V´yvoj poˇctu nov´ych uˇzivatel˚u 3D tisk´aren [4]
1.3 RepRap
Dostupnˇejˇs´ı stoln´ı 3D tisk´arny se zaˇc´ınaj´ı objevovat aˇz po roce 2003, kdy byl umoˇznˇen v´yvoj tˇechto zaˇr´ızen´ı vyprˇsen´ım nˇekter´ych patent˚u. Nejvˇetˇs´ım d´ılem k tomu pˇrispˇeli pracovn´ıci na University of Bath ve Velk´e Brit´anii, kde pod veden´ım Dr. Adriena Bowyera se v roce 2005 zaˇc´ın´a rozv´ıjet projekt open-source hardware 3D tisk´arny RepRap[9].
Hlavn´ı pˇrednost´ı tohoto projektu je, ˇze podklady pro v´yrobu tisk´arny jsou volnˇe ˇsiˇriteln´e a jej´ı konstrukce je sloˇzena z bˇeˇznˇe dostupn´ych souˇc´astek a z mnoha plastov´ych d´ıl˚u, kter´e mohou b´yt vytiˇstˇeny na jin´e 3D tisk´arnˇe. Kaˇzd´y technicky zdatnˇejˇs´ı jedinec si tak m˚uˇze tuto 3D tisk´arnu postavit doma a podle sv´eho uv´aˇzen´ı upravovat. Nav´ıc kolem tohoto projektu vznikla pomˇernˇe rozs´ahl´a komunitn´ı skupina, kter´a r´ada sd´ıl´ı sv´e zkuˇsenosti se stavbou.
Na obr´azku (Obr´azek1.7/s24) m˚uˇzeme vidˇet odpovˇedi ´uˇcastn´ık˚u studie
”Manufactu- ring in motion: first survey on 3D printing community“ na ot´azku, ve kter´em roce se poprv´e dostali k technologii 3D tisku[4]. Tento n´ar˚ust urˇcitˇe m˚uˇzeme vysvˇetlit i rozˇs´ıˇren´ım 3D tisk´aren do menˇs´ıch podnik˚um a dom´acnost´ı, pˇredevˇs´ım pak d´ıky projektu RepRap.
Prvn´ı RepRap tisk´arna byla dokonˇcena v roce 2007. Od t´e doby bylo hlavn´ımi v´yvoj´aˇri vytvoˇren 5 hlavn´ıch model˚u 3D open-source hardware RepRap tisk´arny a nespoˇcet dalˇs´ıch klon˚u[9]. Pravdˇepodobnˇe zat´ım nej´uspˇeˇsnˇejˇs´ı a nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı je zat´ım posledn´ı model navrˇzen´y ˇcesk´ym v´yvoj´aˇrem Josefem Pr˚uˇsou - Prusa i3.
Obr´azek 1.8: Rozloˇzen´ı v´yrobc˚u 3D tisk´aren [4]
Velk´y pˇr´ınos tohoto projektu na rozvoji 3D tisk´aren dokl´ad´a i dalˇs´ı v´ysledky (Obr´azek 1.8/s25) ze stejn´e studie ohlednˇe pˇrehledu pouˇz´ıvan´ych v´yrobc˚u 3D tisk´aren. M˚uˇzeme vidˇet, ˇze projekt RepRap zde zastupuje zhruba ˇctvrtinov´y pod´ıl a dalˇs´ı ˇctvrtinu reprezentuj´ı v´yrobci, kteˇr´ı se z projektu RepRap vyvinuli.
J´a s´am jsem se do prostˇred´ı 3D tisku dostal postaven´ım popul´arn´ıho modelu 3D RepRap tisk´arny - Prusa Mendel. Vzhledem k cenˇe a dostupnosti jednotliv´ych d´ıl˚u, kter´e jsou potˇreba pro stavbu zaˇr´ızen´ı, je tato verze mezi komunitou velice obl´ıben´a. I pˇresto, ˇze se jedn´a o pomˇernˇe dobˇre zdokumentovan´y projekt, m´a stavitel pomˇernˇe ˇsirok´e moˇznosti r˚uzn´ych kombinac´ı jak ve volbˇe jednotliv´ych d´ıl˚u konstrukce, tak ohlednˇe v´ybˇeru ˇr´ıd´ıc´ı elektroniky a softwaru.
Pr´avˇe z tohoto d˚uvodu nejsou tyto tisk´arny urˇceny ´uplnˇe pro ˇsirokou veˇrejnost, protoˇze stavitel mus´ı m´ıt alespoˇn z´akladn´ı zruˇcnost a znalosti z oblasti elektroniky, konstrukce a programov´an´ı. Nav´ıc dalˇs´ım n´aroˇcnou v´yzvou je nastaven´ı a vyladˇen´ı tisk´arny do takov´eho stavu, aby v´ysledn´y tisk splˇnoval naˇse oˇcek´av´an´ı.
C´ ˇ ast II
Praktick´ a ˇ c´ ast
2 Konstrukce tisk´ arny
Proces sh´anˇen´ı souˇc´astek, stavba, oˇziven´ı vlastn´ı 3D tisk´arny a proniknut´ı do prostˇred´ı laboratoˇre, kter´a se 3D tisku vˇenuje, mi dalo podnˇet a dostatek informac´ı k pˇrem´yˇslen´ı nad vlastn´ım konceptem 3D tisk´arny, kter´y odstran´ı zjiˇstˇen´e negativn´ı vlastnosti a omezen´ı st´avaj´ıc´ıho ˇreˇsen´ı. N´asledovaly v´ıce neˇz dva roky v´yvoje a v´ysledkem je jiˇz tˇret´ı verze vlastn´ı 3D tisk´arny.
Pˇri n´avrhu konstrukce tisk´arny byla rozhoduj´ıc´ım faktorem celkov´a tiskov´a plocha s ohledem na zachov´an´ı stoln´ıch rozmˇer˚u a hlavnˇe moˇznost pˇrizp˚usoben´ı tisk´arny r˚uzn´ym poˇzadavk˚um. Jedn´a se napˇr´ıklad o moˇznost pouˇzit´ı r˚uzn´ych druh˚u tiskov´ych materi´al˚u - s t´ım souvis´ı i zp˚usob dopravy materi´alu do tiskov´e hlavy.
2.1 R´ am tisk´ arny
Na r´am tisk´arny byly hned od zaˇc´atku kladeny velk´e poˇzadavky. Mˇel b´yt dostateˇcnˇe tuh´y, odlehˇcen´y, dostupn´y a s moˇznost´ı dodateˇcn´e mont´aˇze pˇr´ısluˇsenstv´ı bez nutnosti vrt´an´ı dˇer. Pr´avˇe z tˇechto d˚uvodu byly pouˇzity univerz´aln´ı hlin´ıkov´e profily syst´emu MayTec 4E LP 40 x 40 mm. Jedn´a se o profily s 4E dr´aˇzkou na vˇsech stran´ach.
Hlavn´ım d˚uvodem pro zvolen´ı dr´aˇzkovan´eho profilu je poˇzadavek na dodateˇcnou mont´aˇz pˇr´ısluˇsenstv´ı bez nˇejak´eho vˇetˇs´ıho z´asahu do konstrukce. Jedn´a se napˇr´ıklad o moˇznost vyt´apˇen´ı vnitˇrn´ıho prostoru 3D tisk´arny, kdy je potˇreba po obvodu namontovat kryc´ı desky.
2.2 Osa x
Line´arn´ı vod´ıc´ı syst´em t´eto osy se skl´ad´a ze dvou brouˇsen´ych kalen´ych tyˇc´ı o pr˚umˇeru 8 mm, ˇctyˇr line´arn´ıch loˇzisek upnut´ych v navrˇzen´em plastov´em voz´ıku, na kter´em jsou um´ıstˇeny dvˇe tiskov´e hlavy (extrudery).
Posuv je zajiˇstˇen pomoc´ı krokov´eho motoru (Tabulka 2.1/s28), kde rotaˇcn´ı po- hyb hˇr´ıdele je pˇreveden na line´arn´ı pohyb ozuben´ym ˇremenem, jenˇz je upnut´y v navrˇzen´em plastov´em d´ılci s loˇzisky (Obr´azek 2.2/s28).
Obr´azek 2.1: Hlin´ıkov´y profil MayTec 4E LP [10]
V´yrobce: Microcon Model: SX17-0905 Statick´y moment [Nm]: 0,55
Hmotnost [kg]: 0,38 D´elka kroku: 1, 8o Tolerance kroku: ±0, 1o
Izolaˇcn´ı tˇr´ıda: Nema B - 130oC
Tabulka 2.1: Parametry pouˇzit´eho krokov´eho motoru
Obr´azek 2.2: Drˇz´ak extruderu na ose x (a) pohled seshora (b) pohled zespodu
Obr´azek 2.3: Sestava osy x a y bez pomocn´ych rotaˇcn´ıch tyˇc´ı, ˇremenic a ˇremen˚u
Motor byl zvolen pro jeho dostateˇcn´y statick´y moment a mal´y ´uhel kroku (´uhel, o kter´y se otoˇc´ı hˇr´ıdel motoru na jeden ˇr´ıd´ıc´ı impulz), d´ıky ˇcemuˇz bylo moˇzn´e pˇripojit hˇr´ıdel pˇr´ımo na ˇremenici bez nutnosti pouˇz´ıt pˇrevodov´e syst´emy.
2.3 Osa y
Z´akladn´ımi stavebn´ımi prvky osy y jsou na obou boˇcn´ıch stran´ach tisk´arny dvˇe line´arn´ı loˇziska upnut´a v navrˇzen´ych plastov´ych d´ılc´ıch a dvˇe kalen´e brouˇsen´e tyˇce pr˚umˇeru 8 mm. Na pˇredn´ı a zadn´ı vnitˇrn´ı stranˇe tisk´arny jsou um´ıstˇen´e dalˇs´ı dvˇe brouˇsen´e kalen´e tyˇce o pr˚umˇeru 6 mm. Ty jsou zde zavˇeˇsen´e pomoc´ı radi´aln´ıch loˇzisek tak, aby byl zajiˇstˇen jejich rotaˇcn´ı pohyb. Na tyˇc´ıch jsou d´ale um´ıstˇeny a zajiˇstˇeny ˇremenice.
D´ıky tomuto ˇreˇsen´ı je moˇzn´e pouˇz´ıt pouze jeden krokov´y motor pro obsluhu obou stran line´arn´ıho veden´ı t´eto osy. Posuv je opˇet zajiˇstˇen pomoc´ı krokov´eho motoru stejn´eho typu, kde je rotaˇcn´ı pohyb hˇr´ıdele pˇreveden pomoc´ı ˇremene na pomocn´e rotaˇcn´ı tyˇce. Z tˇechto tyˇc´ı je d´ale pomoc´ı dalˇs´ıch ˇremenic pˇreveden na line´arn´ı pohyb obou stran t´eto osy.
2.4 Osa z
Veden´ı t´eto osy se skl´ad´a z kuliˇckov´eho ˇsroubu o pr˚umˇeru 16 mm a stoup´an´ı 5 mm/ot, matice pro kuliˇckov´y ˇsroub, d´ale ze dvou brouˇsen´ych kalen´ych tyˇc´ı o pr˚umˇeru 16 mm, uzavˇren´eho voz´ıku (Lineareset) - jedn´a se o prodlouˇzen´a verzi s dvojit´ym loˇziskem a centr´aln´ı maznic´ı. D´ale jsou pouˇzity horizont´aln´ı podpory pro brouˇsenou tyˇc 16mm.
Matice kuliˇckov´eho ˇsroubu a uzavˇren´e voz´ıky jsou mezi sebou spojeny pomoc´ı navrˇzen´eho plastov´eho d´ılce, kter´y z´aroveˇn k t´eto konstrukci pˇripojuje tiskovou plochu. Konstrukce pro tiskov´a plochu je vyrobena z plechov´ych v´ylisk˚u, na kter´ych je pomoc´ı pruˇzinov´ych ˇsroub˚u um´ıstˇena tiskov´a podloˇzka z materi´alu dle potˇreby.
Pˇrevod rotaˇcn´ıho pohybu korkov´eho motoru na line´arn´ı je uskuteˇcnˇen pomoc´ı pruˇzn´e spojky um´ıstˇen´e mezi hˇr´ıdel´ı motoru a kuliˇckov´ym ˇsroubem. ˇSroub je na obou konc´ıch uloˇzen do domeˇck˚u, kter´e jsou spojeny s r´amem tisk´arny. Pevn´e spojen´ı a souosost kuliˇckov´eho ˇsroubu a hˇr´ıdel´ı krokov´eho motoru je zajiˇstˇena pomoc´ı navrˇzen´e pˇr´ıruby.
Tato osa se nejv´ıce liˇs´ı od pˇredchoz´ı generace tisk´arny, kde pro tiskovou plochu byla pouˇzita navrˇzen´a plastov´a konstrukce. Vertik´aln´ı pohyb osy byl zajiˇstˇen pomoc´ı brouˇsen´ych kalen´ych tyˇc´ı o pr˚umˇeru 8 mm a line´arn´ıch loˇzisek, kter´e byly uloˇzeny v plastov´em drˇz´aku osy z. Nev´yhodou tohoto ˇreˇsen´ı bylo pomˇernˇe velk´e tˇren´ı, se kter´ym souvisel ne zcela hladk´y pr˚ubˇeh pohybu a celkov´a n´ızk´a tuhost tiskov´e plochy.
Toho bylo s nov´ym n´avrhem osy z odstranˇeno.
2.5 Tiskov´ a hlava - extruder
Tiskov´a hlava je asi nejd˚uleˇzitˇejˇs´ım a i nejkritiˇctˇejˇs´ım m´ıstem kaˇzd´e 3D tisk´arny.
Slouˇz´ı k rovnomˇern´emu nan´aˇsen´ı stavebn´ıho materi´alu (nejˇcastˇeji ve formˇe dr´atu o pr˚umˇeru 3 mm, nebo 1,75 mm) na tiskovou plochu tisk´arny.
Obecnˇe se tiskov´a hlava skl´ad´a z nˇekolika d˚uleˇzit´ych ˇc´ast´ı:
• posuvn´y mechanismus tiskov´eho materi´alu
• pˇr´ıtlaˇcn´y mechanismus tiskov´eho materi´alu
• topn´y blok
• senzor teploty
• chlad´ıc´ı z´ona
• tryska
Navrˇzen´a tisk´arna vyuˇz´ıv´a celkem dvou tiskov´ych hlav. Prim´arn´ı slouˇz´ı k nan´aˇsen´ı stavebn´ıho tiskov´eho materi´alu, sekund´arn´ı pak pro nan´aˇsen´ı podp˚urn´eho tiskov´eho materi´alu pro stavbu podp˚urn´ych konstrukc´ı. Dalˇs´ı vyuˇzit´ım sekund´arn´ı tiskov´e hlavy m˚uˇze b´yt nan´aˇsen´ı druh´e barvy stavebn´ıho tiskov´eho materi´alu, pˇr´ıpadnˇe se hlava m˚uˇze osadit jinou tryskou s v´ystupn´ım otvorem o vˇetˇs´ım pr˚umˇeru a m˚uˇze b´yt pouˇzita pro rychlejˇs´ı vytv´aˇren´ı vnitˇrn´ıch struktur tiˇstˇen´eho objektu.
Na tisk´arnˇe je v z´akladn´ı konfiguraci pouˇzito bowdenov´eho veden´ı stavebn´ıho ma-
Obr´azek 2.4: Sch´ema uspoˇr´ad´an´ı extruderu [11]
materi´alu je spolu s pˇr´ıtlaˇcn´ym mechanismem pevnˇe um´ıstˇen na konstrukci tisk´arny a nepohybuje se tak se ˇz´adnou osou. Tiskov´y materi´al je pak k tiskov´e hlavˇe dopraven v teflonov´e trubiˇcce.
V´yhodou tohoto ˇreˇsen´ı je, ˇze pohybuj´ıc´ı se ´ustroj´ı tisk´arny m´a niˇzˇs´ı hmotnost - tisk´arna tedy teoreticky m˚uˇze tisknout vyˇsˇs´ı rychlost´ı. Dalˇs´ı v´yhodou je omezen´ı vibrac´ı pohybuj´ıc´ı se osy, kter´e zp˚usobuje krokov´y motor. Nicm´enˇe v pˇr´ıpadˇe potˇreby je moˇzn´e tento mechanizmus pˇrestavˇet na klasick´e uspoˇr´ad´an´ı, kdy je krokov´y motor, kter´y se star´a o posun stavebn´ıho materi´alu spolu s pˇr´ıtlaˇcn´ym mechanismem, um´ıstˇen pˇr´ımo na voz´ıku osy x.
V´yvoj vlastn´ıho ˇreˇsen´ı tiskov´e hlavy byl asi nejvˇetˇs´ım oˇr´ıˇskem. Bylo zapotˇreb´ı zkom- binovat poˇzadavky na kvalitu, v´yhody a nev´yhody souˇcasn´ych ˇreˇsen´ı a moˇznosti v´yroby. Nakonec zv´ıtˇezila aˇz ˇsest´a varianta n´avrhu, kdy je tiskov´a hlava vytvoˇrena z monobloku nerezu, topn´eho bloku, hlin´ıkov´eho chladiˇce a syst´emu pro posun tiskov´eho materi´alu. Nejvˇetˇs´ım ´uskal´ım tohoto ˇreˇsen´ı bylo vytvoˇrit dostateˇcn´y tepelnˇe-izolovan´y pˇrechod, tak aby se tiskov´y materi´al tavil pouze tam, kde m´a.
Cast´ˇ ym ˇreˇsen´ım pro konstrukci tiskov´ych hlav je spojen´ı pˇrechodu kov-plast, nejˇcastˇeji mosaz-PTFE1. V´yhodou tohoto ˇreˇsen´ı je, ˇze plast v tomto tandemu slouˇz´ı jako v´yborn´y izol´ator tavn´e komory s tryskou a zbytku tiskov´e hlavy. Izolace na tomto pˇrechodu je nezbytn´a, jinak se totiˇz tiskov´y materi´al zaˇcne tavit v cel´e d´elce tiskov´e hlavy a dojde k jej´ımu ucp´an´ı.
1Polytetrafluorethylen - fluorovan´y polymer, zn´am´y pod sv´ym obchodn´ım n´azvem teflon
Obr´azek 2.5: N´avrhy model˚u (a) extruder, (b) extruder s chladiˇcem, (c) tryska
Nev´yhodou tohoto ˇreˇsen´ı je pr´avˇe kombinace dvou materi´al˚u, kter´e maj´ı v´yraznˇe jin´e tepeln´e vlastnosti. Kr´atkodobˇe se toto ˇreˇsen´ı jev´ı jako ´uˇcinn´e, nicm´enˇe ˇcasem zaˇcne plast degradovat a m˚uˇze doj´ıt aˇz k samovoln´emu oddˇelen´ı kovu a plastu v d˚usledku pouˇzit´ı vyˇsˇs´ıch tiskov´ych teplot.
Dalˇs´ı nev´yhodou je i horˇs´ı mechanick´a integrita plastu, kter´a se projev´ı pˇri ˇcast´em ˇciˇstˇen´ı tiskov´e hlavy, kdy je potˇreba j´ı rozebrat na jednotliv´e ˇc´asti.
Pouˇzit´e celonerezov´e monoblokov´e ˇreˇsen´ı tyto probl´emy odstraˇnuje, nicm´enˇe velk´y probl´em se uk´azal v ˇreˇsen´ı tepelnˇe-izolovan´eho pˇrechodu. Nakonec se podaˇrilo nahradit pˇrechod kov-plast v´yrazn´ym z´uˇzen´ım tiskov´e hlavy za tavnou komorou, n´asledovan´ym masivn´ım hlin´ıkov´ym chladiˇcem pro co nejefektivnˇejˇs´ı odvod tepla.
3 Elektronika
K ˇr´ızen´ı tisk´arny je po vzoru jiˇz funkˇcn´ıch ˇreˇsen´ı 3D tisk´aren, kter´e jsou dnes k dost´an´ı na trhu, pouˇzito open-source platforma ˇreˇsen´ı. Konkr´etnˇe se jedn´a o ˇr´ıd´ıc´ı desku Arduino Mega, zaloˇzenou na mikrokontrol´eru ATMega2560, s n´astavbou Ramps 1.4.
Jako drivery krokov´ych motor˚u byly pouˇzity Pololu 1182. Komunikace tisk´arny s poˇc´ıtaˇcem prob´ıh´a pomoc´ı USB portu, pˇr´ıpadnˇe je moˇzn´e tisknout pˇredem pˇripraven´a tiskov´a data z SD karty.
O nap´ajen´ı se star´a sp´ınan´y pr˚umyslov´y zdroj MEAN WELL SP-240-12 s v´ystupn´ım napˇet´ım 10-14 V DC o v´ykonu 240 W. Mˇeˇren´ı teploty tiskov´ych hlav prob´ıh´a pomoc´ı dvou termistor˚u 104GT-1. Alternativou je mˇeˇren´ı teploty pomoc´ı termoˇcl´anku, kdy pro digitalizaci je pouˇzit integrovan´y obvod MAX31855. V´yhodou pouˇzit´ı termoˇcl´anku je jeho vyˇsˇs´ı odolnost.
Mˇeˇren´ı teploty pracovn´ıho prostoru je realizovan´e pomoc´ı tˇr´ı digit´aln´ıch teplomˇer˚u DS18B20. O ohˇrev pracovn´ıho prostoru se star´a topn´a spir´ala sp´ınan´a pomoc´ı rel´e.
Na ˇr´ızen´ı ohˇrevu vnitˇrn´ıho prostoru tisk´arny a chlazen´ı tiskov´ych hlav, krokov´ych motor˚u a ˇr´ıd´ıc´ı elektroniky jsou vyuˇzity voln´e piny ˇr´ıd´ıc´ı desky Arduino Mega.
3.1 Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 je v´yvojov´a deska zaloˇzen´a na mikrokontrol´eru ATMega2560, kter´a m´a 54 digit´aln´ıch vstupnˇe-v´ystupn´ıch pin˚u, 16 analogov´ych vstup˚u, 4 UART rozhran´ı1, 16 MHz krystalov´y oscil´ator, ICSP2 konektor a USB port.
Velkou v´yhodou t´eto platformy je snadn´a rozˇsiˇritelnost pomoc´ı vlastn´ıch, nebo jiˇz navrˇzen´ych rozˇsiˇruj´ıc´ıch modul˚u. V pˇr´ıpadˇe nˇejak´ych probl´em˚u v´am dok´aˇze poradit pomˇernˇe rozs´ahl´a uˇzivatelsk´a komunita. Velk´ym plusem je velk´e mnoˇzstv´ı dostupn´ych uˇzivatelsk´ych knihoven a snadn´e programov´an´ı zaloˇzen´e na C/C++.
1USART - rozhran´ı pro s´eriovou komunikaci, kter´e lze nastavit pro asynchronn´ı reˇzim (napˇr.
RS232), anebo pro synchronn´ı reˇzim SPI.
2(In-Circuit Serial Programming - zp˚usob programov´an´ı jiˇz osazen´ych souˇc´astek na desce ploˇsn´ych spoj˚u.
Obr´azek 3.1: ˇR´ıd´ıc´ı deska Arduino [12]
K dispozici je 256 KB flash pamˇeti pro uloˇzen´ı uˇzivatelsk´eho k´odu, kde 8 KB je pouˇzito pro bootloader, kter´y slouˇz´ı ke snadn´emu nahr´an´ı nov´eho k´odu bez pouˇzit´ı hardwarov´eho program´atoru. Nicm´enˇe je moˇzn´e bootloader zablokovat a k pˇreprogramov´an´ı pouˇz´ıt ICSO konektor. D´ale je k dipozici 8 KB SRAM a 4 KB EEPROM.
3.2 Ramps 1.4
RepRap Arduino Mega Pololu Shield, neboli RAMPS, je rozˇsiˇruj´ıc´ı deska pro Arduino Mega, navrˇzen´a pro snadn´e a pˇrehledn´e pˇripojen´ı veˇsker´e elektroniky potˇrebn´e pro provoz 3D tisk´arny RepRap. Tento modul´arn´ı syst´em zahrnuje patice pro pˇripojen´ı driver˚u krokov´ych motor˚u, elektroniky pro ˇr´ızen´ı dvou tiskov´ych hlav, konektory pro koncov´e sp´ınaˇce, senzory teploty a nab´ız´ı dalˇs´ı prostor pro rozˇs´ıˇren´ı funkc´ı 3D tisk´arny.
V´yhodou tohoto ˇreˇsen´ı je, ˇze vn´aˇs´ı pˇrehlednost do zapojen´ı, umoˇzˇnuje snadnou v´ymˇenu poˇskozen´ych souˇc´astek, nab´ız´ı n´ızkou cenu ˇreˇsen´ı a umoˇzˇnuje pˇripojen´ı dalˇs´ıch rozˇsiˇruj´ıc´ıch modul˚u.
Obr´azek 3.2: Z´akladn´ı zapojen´ı ˇr´ızen´ı krokov´eho motoru [13]
3.3 Pololu 1182
Pro v´ykonov´e buzen´ı krokov´ych motor˚u je pouˇzit kontrol´er krokov´eho motoru Pololu 1182 s integrovan´ym obvodem A4988. Deska m´a celkem 16 pin˚u - 8 logick´ych vstup˚u pro pˇripojen´ı mikrokontrol´eru, 4 piny pro nap´ajen´ı a zbyl´e 4 piny pro pˇripojen´ı krokov´eho motoru. Tento ovladaˇc umoˇzˇnuje ˇr´ızen´ı bipol´arn´ıch krokov´ych motor˚u v pln´em, 1/2, 1/4, 1/8 a 1/16 kroku s v´ystupn´ım proudem aˇz 2 A na c´ıvku.
Mezi hlavn´ı pˇrednosti patˇr´ı pˇredevˇs´ım:
• jednoduch´e rozhran´ı pro ˇr´ızen´ı krok˚u a smˇeru
• pˇet rozliˇsen´ı kroku
• nastaviteln´y bud´ıc´ı proud pomoc´ı potenciometru
• rozpozn´an´ı zaseknut´ı motoru
• tepeln´a ochrana, ochrana proti pˇrepˇet´ı a nadproudu
• ochrana proti zkratu
4 Software
4.1 Firmware
Jako ˇr´ıd´ıc´ı firmware zaˇr´ızen´ı je pouˇzito open-source ˇreˇsen´ı vyvinut´e pro ˇr´ızen´ı 3D tisk´aren - upraven´a verze firmwaru Marlin v posledn´ı verzi 1.0.2 (k 1.5.2015)1. K pˇrizp˚usoben´ı firmwaru na konkr´etn´ı typ tisk´arny bylo potˇreba prov´est nˇekolik d´ılˇc´ıch ´uprav. Jednalo se napˇr´ıklad o pˇrid´an´ı podpory ˇr´ızen´ı vyt´apˇen´ı tiskov´eho prostoru zaˇr´ızen´ı a jej´ı regulaci.
4.2 Pˇ r´ıprava tiskov´ ych dat
Pro 3D tisk´arny je typick´e, ˇze pˇred samotn´ym tiskem je nejprve potˇreba poˇc´ıtaˇcov´y model rozˇrezat na tenk´e vrstvy, kter´e se pak postupnˇe jedna po druh´e tisknou. Pro vytv´aˇren´ı tˇechto tiskov´ych dat je vyuˇzito open-source software Slic3r2. Nab´ız´ı ˇsirok´e moˇznosti nastaven´ı tiskov´ych parametr˚u, obsahuje pˇr´ıjemn´e grafick´e rozhran´ı, pod- poruje pˇr´ıpravu dat pro v´ıce extruder˚u, automaticky generuje podp˚urn´y materi´al, atd. V´yhodou tohoto programu je jeho velk´a obliba mezi uˇzivateli 3D tisk´aren, proto doch´az´ı k jeho neust´al´emu v´yvoji a pˇrid´av´an´ı nov´ych funkc´ı.
4.3 Ovl´ adac´ı software
K ovl´ad´an´ı 3D tisk´arny pomoc´ı poˇc´ıtaˇce je pouˇzito open-source ˇreˇsen´ı Pronterface3. Pronterface um´ı ovl´adat 3D tisk´arnu, vizualizovat pˇripraven´a tiskov´a data ve 2D i 3D reˇzimu a dok´aˇze integrovat software pro pˇr´ıpravu tiskov´ych dat. Pˇrednost´ı je jednoduch´e ovl´ad´an´ı, moˇznost uˇzivatelsk´eho pˇrizp˚usoben´ı aplikace, moˇznost pouˇz´ıv´an´ı uˇzivatelsky definovan´ych maker v pythonu nebo pomoc´ı G-k´odu.
1Dostupn´e zhttps://github.com/MarlinFirmware/Marlin
2Dostupn´y zhttp://slic3r.org/
3Dostupn´e zhttp://www.pronterface.com/
Obr´azek 4.1: N´ahled grafick´eho prostˇred´ı Slic3r 1.2.6. experimental
Obr´azek 4.2: N´ahled grafick´eho prostˇred´ı Pronterface
5 Testov´ an´ı zaˇ r´ızen´ı
Navrˇzen´a laboratorn´ı 3D tisk´arna byla d˚ukladnˇe otestov´ana pomoc´ı navrˇzen´e sady testovac´ıch model˚u, nicm´enˇe jej´ı uˇziteˇcnost se prok´azala pˇri vyuˇzit´ı na re´alnˇe ˇreˇsen´ych projektech a byla tak ovˇeˇrena jej´ı pouˇzitelnost v praxi.
5.1 Preseed - NANO4BIO
Hlavn´ım c´ılem projektu orientovan´eho do oblasti konkurenceschopn´eho stroj´ırenstv´ı je urychlen´e zav´adˇen´ı nadˇejn´ych technologi´ı a vyn´alez˚u s vysok´ym aplikaˇcn´ım potenci´alem, kter´e jsou v souˇcasn´e dobˇe na TU v Liberci k dispozici. ˇCinnost bude zamˇeˇrena na stroje a zaˇr´ızen´ı zpracovatelsk´eho pr˚umyslu, s akcentem na problematiku vysoce v´ykonn´ych komponent stroj˚u s vysokou m´ırou integrace me- chatronick´ych prvk˚u a sofistikovan´ych struktur inteligentn´ıch syst´em˚u a servisn´ıch aplikac´ı robot˚u.
Specifick´ym c´ılem projektu je vˇsestrann´y pr˚uzkum uplatnitelnosti v´ysledk˚u se zamˇeˇren´ım na pˇr´ıpravu komercializace - podm´ınek pro efektivn´ı trˇzn´ı uplatnˇen´ı rozpracovan´ych v´ystup˚u pˇredchoz´ıch velk´ych projekt˚u (v´yzkumn´eho z´amˇeru a v´yzkumn´ych center). V´ysledkem bude jejich rozpracov´an´ı formou uˇzitn´ych vzor˚u, patent˚u, pˇrihl´aˇsek vyn´alez˚u, funkˇcn´ıch vzork˚u a prototyp˚u zaˇr´ızen´ı a nadˇejn´ych technologi´ı. Dalˇs´ım c´ılem je budov´an´ı kapacit pro efektivn´ı transfer technologi´ı a vytv´aˇren´ı mechanism˚u pro vyuˇzit´ı pˇr´ıjm˚u z komerˇcn´ı ˇcinnosti pro dalˇs´ı rozvoj pre-seed aktivit na TU v Liberci.1
5.1.1 Zamˇ eˇ ren´ı projektu
Tato studie se zab´yv´a kombinac´ı 3D tisku a nanovl´akenn´ych struktur, kde hlavn´ım c´ılem bylo vytvoˇren´ı 3D tk´aˇnov´eho nosiˇce (scaffoldu) jako n´ahrady kolenn´ı chru- pavky. Nosn´a ˇc´ast scaffoldu byla vytvoˇrena na navrˇzen´e tisk´arnˇe pomoc´ı 3D tisku.
Tato ˇc´ast poskytuje potˇrebn´e mechanick´e vlastnosti a dod´av´a tk´aˇnov´emu nosiˇci potˇrebn´y tvar. Modifikovan´a nanovl´akenn´a struktura s konkr´etn´ım vzorem pak poskytuje dostateˇcn´y prostor pro adhezi a proliferaci pouˇzit´ych r˚ustov´ych bunˇek.
1Dostupn´e z:http://www.isvav.cz/projectDetail.do?rowId=ED3.1.00%2F13%2F0291
Obr´azek 5.1: Zn´azornˇen´ı pouˇzit´e kombinace 3D tisku a nanovl´akenn´e struktury
Hlavn´ım ´uˇcelem kloubn´ı chrupavky je zajiˇstˇen´ı hladk´eho pohybu (t´emˇeˇr bez tˇren´ı) povrchu kloubu a p˚usob´ı jako prostˇredn´ık pro pˇrenos zat´ıˇzen´ı do podkladov´e kosti. Bohuˇzel vˇsak regeneraˇcn´ı schopnosti poˇskozen´e kloubn´ı chrupavky jsou ve srovn´an´ı s ostatn´ımi tk´anˇemi velice omezen´e. Bez ohledu na r˚uzn´e pˇr´ıˇciny patˇr´ı onemocnˇen´ı kloub˚u ke glob´aln´ım zdravotn´ım probl´em˚um. Bolest kloub˚u a ztr´ata mobility z d˚uvodu poˇskozen´ı kloubn´ıch chrupavek a souvisej´ıc´ıch sekund´arn´ıch jev˚u patˇr´ı mezi nejˇcastˇejˇs´ı pˇr´ıˇciny tˇechto probl´emu u lid´ı uˇz ve stˇredn´ım vˇeku ˇzivota[8].
D˚uleˇzit´ym pomocn´ıkem pro regeneraci a obnovu tk´an´ı je v´yroba biologicky od- bourateln´ych trojrozmˇern´ych scaffold˚u, kter´e napodobuj´ı extracelul´arn´ı matrix (mezibunˇeˇcnou hmotu), kter´a vede k povzbuzen´ı r˚ustu funkˇcn´ıch tk´an´ı, umoˇzˇnuje dif´uzi ˇzivin, metabolick´ych a rozpustn´ych l´atek. Tk´aˇnov´e nosiˇce mus´ı m´ıt vhodn´e mechanick´e vlastnosti, kter´e se zachov´avaj´ı v pr˚ubˇehu cel´eho procesu obnovy kloubn´ı chrupavky. Nicm´enˇe hled´an´ı optim´aln´ıho ˇreˇsen´ı kombinace dobr´ych mechanick´ych vlastnost´ı spolu s dobrou adhez´ı, migrac´ı a proliferac´ı bunˇek je st´ale velk´ym t´ematem tk´aˇnov´eho inˇzen´yrstv´ı[8].
Moment´alnˇe technologie 3D tisku, zejm´ena pak r˚uzn´e zp˚usoby kladen´ı jednotliv´ych vrstev na sebe, poskytuj´ı velmi mocn´y n´astroj pro vytv´aˇren´ı sloˇzit´ych 3D scaffold˚u.
Tato technika se m˚uˇze pochlubit vysokou reprodukovatelnost´ı s dobˇre definovatelnou velikost´ı p´or˚u a tvar˚u a m˚uˇzeme pomoc´ı n´ı vytvoˇrit struktury s vysok´ym stupnˇem p´orovitosti. Nicm´enˇe velikosti p´or˚u, kter´e dok´aˇzeme pomoc´ı technik 3D tisku vytvoˇrit, jsou pˇr´ıliˇs velk´e pro r˚ust kmenov´ych bunˇek. Kromˇe toho nem˚uˇzeme vytvoˇrit nˇekter´e nanostruktury, kter´e jsou pˇr´ıtomn´e v pˇrirozen´em intracelul´arn´ım matrixu.
Je tedy nutn´e naj´ıt nˇejak´y mechanizmus, kter´ym dok´aˇzeme kontrolovat a upravovat v´yˇse zm´ınˇen´e negativn´ı vlastnosti tak, aby bylo moˇzn´e takto vytvoˇren´e scaffoldy pouˇz´ıt pro potˇreby tk´aˇnov´eho inˇzen´yrstv´ı. V projektu jsem pro ˇreˇsen´ı tohoto probl´emu vyuˇzili kombinace tiˇstˇen´e 3D struktury se zvl´aknˇenou nanostrukturou potˇrebn´eho tvaru.
5.1.2 PCL
D˚uleˇzit´ym poˇzadavkem na v´yrobu pouˇziteln´eho scaffoldu je biokompatibilita a bio- degradabilita pouˇzit´eho materi´alu. Nicm´enˇe v portfoliu komerˇcn´ıch tisk´aren ˇz´adn´y
Obr´azek 5.2: (a) Speci´alnˇe tvarovan´y kolektor, (b) v´ysledn´y efekt na nanomateri´alu
alternativn´ı cestou a vytv´aˇret 3D struktury pomoc´ı vlastn´ıho ˇreˇsen´ı 3D tisk´arny. Pro v´yrobu scaffold˚u byl pouˇzit materi´al PCL (poly-ε-caprolactone) s pr˚umˇernou mole- kulovou hmotnost´ı 45 000 molg , zakoupen´e od firmy Sigma-Aldrich Inc. Tento materi´al m´a pevn´e skupenstv´ı a je dod´av´an ve formˇe granul´ı. Pro v´yrobu nanovl´akenn´e struktury byl tento polymer rozpuˇstˇen ve smˇesi chloroform/ethanol (hmotnostn´ı pomˇer 9:1) s celkovou koncentrac´ı 16 %. Pro 3D tisk se pouˇz´ıval p˚uvodn´ı neˇredˇen´y polymer dod´avan´y v´yrobcem.
5.1.3 Pouˇ zit´ e metody v´ yroby
Nanovl´akenn´a struktura byla vytvoˇrena pomoc´ı elektrostatick´eho zvl´akˇnov´an´ı - elektrospinningu. Jedn´a se o univerz´aln´ı a perspektivn´ı elektrohydrodynamick´y proces pro v´yrobu nanovl´akenn´ych materi´al˚u z r˚uzn´ych polymer˚u a jejich kompozit˚u.
Konkr´etnˇe se jednalo o speci´aln´ı strukturovanou nanovl´akennou vrstvu, vyrobenou na NanospideruTM. D˚uleˇzitou souˇc´ast´ı byl speci´alnˇe tvarovan´y kolektor (Obr´azek 5.2/s41), kter´y zp˚usobil specifick´e rozloˇzen´ı vl´aken v nanovl´akenn´e vrstvˇe zajiˇst’uj´ıc´ı dobrou profilaci bunˇek.
Pro v´yrobu nosn´e struktury scaffoldu byla vyuˇzita navrˇzen´a laboratorn´ı 3D tisk´arna.
Nejvˇetˇs´ım probl´emem bylo zpracov´an´ı materi´alu do podoby potˇrebn´e pro 3D tisk.
P˚uvodn´ı myˇslenkou bylo navrhnout ˇsnekov´y typ extruderu (Obr´azek5.3/s42), kter´y bude d´avkovat granule stavebn´ıho materi´alu do tavn´e ˇc´ast´ı tiskov´e hlavy pomoc´ı ˇsnekov´eho podavaˇce.
Nev´yhodou tohoto ˇreˇsen´ı jsou ˇspatn´e moˇznosti regulace pˇr´ısunu materi´alu do tiskov´e hlavy. Jako lepˇs´ı a nakonec v´ysledn´e ˇreˇsen´ı se nakonec uk´azala metoda pˇremˇeny granul´atu do formy dr´atu, kter´y se dal pouˇz´ıt ve st´av´aj´ıc´ı tiskov´e hlavˇe.
Obr´azek 5.3: N´avrh ˇsnekov´eho extruderu
Obr´azek 5.4: Vytiˇstˇen´a mˇr´ıˇzka, vzorovan´a nanovl´akenn´a vrstva, v´ysledn´y scaffold
Pomoc´ı metody 3D tisku se vytv´aˇrely speci´aln´ı mˇr´ıˇzkov´e polotovary, kter´e byly navrˇzeny speci´alnˇe pro tento projekt. V´ysledn´a podoba scaffoldu byla vytvoˇrena slepen´ım tˇr´ı vrstev nanovl´akenn´e struktury a ˇctyˇr vytiˇstˇen´ych mˇr´ıˇzek. Pr˚umˇer takto vytvoˇren´e
”suˇsenky“ je 16 mm a v´ysledn´a tlouˇst’ka 4 mm (Obr´azek5.4/s42).
Takto pˇripraven´e vzorky byly um´ıstˇeny v laboratoˇri, aby se potvrdila jejich ne- toxicita a prob´ıhalo zde sledov´an´ı adheze bunˇek a jejich proliferace. Pro biologick´e testov´an´ı byly pouˇzity kr´aliˇc´ı chondrocyty. Vzorky byly uchov´av´any v inkub´atoru.
5.1.4 Dosaˇ zen´ e v´ ysledky
Biologick´e testy potvrdily, ˇze vybran´y polymer, zp˚usob v´yroby a navrˇzen´y model jsou vhodn´e pro v´yrobu scaffold˚u slouˇz´ıc´ıch jako n´ahrada chrupavek. V´ysledky z rastrovac´ıho elektronov´eho mikroskopu a fluorescenˇcn´ıho mikroskopu uk´azaly, ˇze navrˇzen´y scaffold podporuje adhezi a proliferaci bunˇek a nab´ız´ı velmi dobrou ˇzivotaschopnost (Obr´azek 5.6/s44). Po oddˇelen´ı jednotliv´ych vrstev scaffoldu se potvrdila migrace bunˇek do cel´eho prostoru[8].
Kombinace 3D tisku a elektrostatick´eho zvl´akˇnov´an´ı je pro tk´aˇnov´e inˇzen´yrstv´ı velice zaj´ımav´ym a mocn´ym n´astrojem. 3D tisk nab´ız´ı ˇsirok´e moˇznosti pˇri vytv´aˇren´ı struk- tury mˇr´ıˇzky scaffoldu. In vitro i in vivo testy potvrdily ´uspˇeˇsnou moˇznost kombinace speci´aln´ı vzorovan´e nanovl´akenn´e vrstvy a vytiˇstˇen´e mˇr´ıˇzky pro regeneraci kolenn´ı chrupavky. Navrˇzen´e ˇreˇsen´ı 3D kompozitn´ıho materi´alu je chr´anˇeno pr˚umyslov´ym vzorem.
Obr´azek 5.5: Sn´ımky z elektronov´eho mikroskopu kombinace vytiˇstˇen´e mˇr´ıˇzky a vzorovan´e nanovl´akenn´e vrstvy
Obr´azek 5.6: Sn´ımky z elektronov´eho mikroskopu po 14 dnech
5.2 Keramika
Dalˇs´ım ˇreˇsen´ym projektem je testov´an´ı vyuˇzitelnosti v praxi, pouˇzit´ı technologie FDM pro tisk z keramick´eho vl´akna. Prvn´ı f´aze projektu byla zamˇeˇrena na ovˇeˇren´ı hypot´ezy, zda se vyplat´ı v´yroba zubn´ıch prot´ez pomoc´ı technologi´ı 3D tisku. Velk´ym probl´emem bylo pˇrilnut´ı z´akladn´ı keramick´e vrstvy k podkladu. Vytiˇstˇen´e testovac´ı vzorky mˇely v´yborn´e pevnostn´ı parametry, nicm´enˇe kv˚uli n´ızk´e rychlosti tisku (z d˚uvodu soudrˇznosti jednotliv´ych vrstev) se tento zp˚usob v´yroby uk´azal jako nevyhovuj´ıc´ı.
Dalˇs´ı f´aze projektu je zamˇeˇren´a na v´yrobu keramick´ych scaffold˚u pro r˚ust kmenov´ych bunˇek. Zat´ım byly provedeny pouze poˇc´ateˇcn´ı testy, nicm´enˇe velk´ym probl´emem je st´ale nechut’ keramick´eho materi´alu pˇrilnout k podkladov´e desce.
Obr´azek 5.7: Testovac´ı modely pro tisk z keramick´eho vl´akna
6 Parametry zaˇ r´ızen´ı
Vnˇejˇs´ı rozmˇer (bez tiskov´eho materi´alu): 60 x 55 x 50 cm
Vnitˇrn´ı rozmˇer: 52 x 42 38 cm
Hmotnost: 40 kg
Vstupn´ı napˇet´ı: 230 V
Provozn´ı nap´ajen´ı: 15 V DC ˜10 A
Konektivita: USB, SD karta
Konstrukce: Hlin´ıkov´y r´am
Opl´aˇstˇen´ı: PMMA desky
XY loˇziska: Line´arn´ı kuliˇckov´e loˇzisko olejov´e
Z loˇziska: Integrovan´e (Lineareset)
Krokov´e motory: Uhel kroku: 1, 8´ o
Mikrokrokov´an´ı: 1/16
Tiskov´a technologie: FDM
Maxim´aln´ı velikost tiskov´e plochy: 40 x 35 x 30 cm
Pr˚umˇer trysky: 0,2; 0,3 a 0,4 mm
Tiskov´y materi´al: ABS, PLA dr´at 1,75 mm Podp˚urn´y materi´al: PLA dr´at 1,75 mm
Pˇresnost polohov´an´ı: X,Y: 11 mikron˚u (0,011 mm) Z: 1,6 mikron˚u (0,016 mm)
Maxim´aln´ı teplota trysky (termistor): 250oC Maxim´aln´ı teplota trysky (termoˇcl´anek): 400oC Maxim´aln´ı teplota prostoru: 80oC
7 Zhodnocen´ı
Navrˇzen´e a zkonstruovan´e zaˇr´ızen´ı patˇr´ı do oblasti laboratorn´ıch 3D tisk´aren, kde hlavn´ı pˇrednost´ı je snadn´a ´uprava zaˇr´ızen´ı podle potˇreb konkr´etn´ı aplikace.
Vzhledem k jednoduˇse rozeb´ırateln´e konstrukci tiskov´ych hlav se zaˇr´ızen´ı hod´ı k testov´an´ı r˚uzn´ych druh˚u netradiˇcn´ıch materi´al˚u pro 3D tisk. Tisk´arna disponuje vhodn´ymi rozmˇery na hranici stoln´ıch tisk´aren s pˇrijatelnou hmotnost´ı.
Pro pouˇzitou metodu tisku m´a zaˇr´ızen´ı dostateˇcn´e rozliˇsen´ı jednotliv´ych os. Tiskov´e rozliˇsen´ı tisk´arny je srovnateln´e s nesrovnatelnˇe draˇzˇs´ımi komerˇcn´ımi tisk´arnami vyuˇz´ıvaj´ıc´ı obdobn´e tiskov´e technologie. Pouˇzit´ım bowdenov´ych extruder˚u je moˇzn´e zvyˇsov´an´ı rychlost´ı tisku, coˇz vede k v´yrazn´emu zkr´acen´ı doby potˇrebn´e k vytiˇstˇen´ı souˇc´astek. Dalˇs´ı v´yhodou pouˇzit´ı trubiˇcek pro pˇr´ıvod tiskov´eho materi´alu do extruder˚u je moˇznost pouˇzit´ı kˇrehk´ych materi´al˚u, kter´e by se v bˇeˇzn´e tiskov´e hlavˇe rozdrtily.
D´ıky pouˇzit´emu opl´aˇstˇen´ı je moˇzn´e vyt´apˇen´ı vnitˇrn´ıho prostoru tisk´arny, kter´e vede k lepˇs´ı pˇrilnavosti tiskov´eho materi´alu k tiskov´e ploˇse a zlepˇsuje soudrˇznost tiˇstˇen´eho modelu. To plat´ı zejm´ena pˇri pouˇzit´ı materi´al˚u, kter´e jsou choulostiv´e na proces ochlazov´an´ı - napˇr. ABS. D´ale pˇri tisku model˚u vˇetˇs´ıch rozmˇer˚u. Vzhledem k dlouh´e ujet´e vzd´alenosti tiskov´e hlavy potˇrebn´e k vytiˇstˇen´ı jedn´e vrstvy se stane, ˇze pˇri tiˇstˇen´ı dalˇs´ı vrstvy ta pˇredchoz´ı mezit´ım vychladne. To m´a za n´asledek zhorˇsenou soudrˇznost jednotliv´ych vrstev.
Velk´a ˇc´ast pozornosti byla vˇenov´ana d˚ukladn´emu otestov´an´ı zkonstruovan´eho zaˇr´ızen´ı mimo r´amec bˇeˇzn´ych n´arok˚u na standardn´ı 3D tisk´arny. Otestov´an´ı v´ıce neˇz ˇctyˇr druh˚u netradiˇcn´ıch tiskov´ych materi´al˚u potvrdilo kvalitu navrˇzen´e tiskov´e hlavy, kter´a si dok´aˇze poradit s velk´ym rozmez´ım nastavovan´ych tiskov´ych teplot bez nechtˇen´eho ucp´an´ı. Zejm´ena pˇri tisku mˇr´ıˇzek, kter´e tvoˇrily nosnou konstrukci scaffold˚u n´ahrad kolenn´ıch chrupavek, se projevila dostateˇcn´a pˇresnost zaˇr´ızen´ı.
Tiˇstˇen´e objekty mˇely pr˚umˇer 16 mm a celkovou v´yˇsku 0,8 mm. Celkem bylo dle odhad˚u vytiˇstˇeno okolo 1 000 ks mˇr´ıˇzek, jejichˇz kvalita byla zkoum´ana pod elektronov´ym mikroskopem.
Vyuˇzitelnost tohoto zaˇr´ızen´ı v praxi se potvrdila i ´uˇcast´ı na projektu, kde se zkouˇsel 3D tisk pomoc´ı technologie FDM z keramick´eho vl´akna. Hlavn´ı nev´yhodou keramick´eho materi´alu je jeho kˇrehkost. Doprava keramick´eho materi´alu do tiskov´e hlavy klasick´ym zp˚usobem nen´ı v tomto pˇr´ıpadˇe moˇzn´a. Pˇri styku keramick´eho dr´atu s pˇr´ıtlaˇcn´ym mechanismem posuvu tiskov´eho materi´alu se keramika drt´ı
a dojde k ucp´an´ı extruderu. Navrˇzen´a tiskov´a hlava si s t´ımto probl´emem poradila a laboratorn´ı v´ysledky mˇeˇren´ı prokazatelnˇe potvrdily kvalitu v´ysledn´eho modelu po slinut´ı keramick´eho materi´alu.
Navrˇzen´a konstrukce i elektronika 3D tisk´arny se v praxi uk´azala jako velice
´
uˇcinn´a. Nab´ız´ı ˇsirok´e moˇznosti nastaven´ı a jednoduch´e pˇrestavby dle konkr´etn´ıch poˇzadavk˚u dan´e aplikace. Slabinou navrˇzen´eho zaˇr´ızen´ı je manu´aln´ı nastaven´ı v´yˇsky tiskov´e plochy, kter´e se zat´ım nepodaˇrilo realizovat v automatick´em reˇzimu. Dalˇs´ı nev´yhodou m˚uˇze b´yt velk´e mnoˇzstv´ı pouˇzit´ych platov´ych d´ıl˚u, kter´e ˇcasem degraduj´ı - nicm´enˇe umoˇzˇnuj´ı snadnou ´upravu zaˇr´ızen´ı.
8 Z´ avˇ er
C´ılem t´eto bakal´aˇrsk´e pr´ace bylo navrˇzen´ı a sestrojen´ı laboratorn´ı 3D tisk´arny, kter´a bude vyuˇziteln´a v praxi a bude dosahovat parametr˚u a moˇznost´ı profesion´aln´ıch 3D tisk´aren. Pˇri n´avrhu a konstrukci zaˇr´ızen´ı bylo rozhoduj´ıc´ım faktorem snadn´e pˇrizp˚usoben´ı 3D tisk´arny konkr´etn´ım poˇzadavk˚um aplikace a dostateˇcnˇe velk´a tiskov´a plocha se zachov´an´ım stoln´ıch rozmˇer˚u zaˇr´ızen´ı. D˚uleˇzit´y byl i v´ybˇer pouˇzit´ych technologi´ı pro pohyb v jednotliv´ych os´ach z d˚uvodu dosaˇzen´ı dostateˇcnˇe kvality tisku.
Vnˇejˇs´ı rozmˇer 3D tisk´arny bez um´ıstˇen´eho tiskov´eho materi´alu je 60 x 50 x 50 cm.
Pro konstrukci zaˇr´ızen´ı byly z d˚uvodu vˇetˇs´ı tuhosti konstrukce a snadn´eho upevˇnov´an´ı dalˇs´ıch komponent na r´am zvoleny hlin´ıkov´e profily 40 x 40 mm.
Specifick´e souˇc´asti konstrukce jsou vyrobeny z ABS vytiˇstˇen´e na profesion´aln´ı 3D tisk´arnˇe. Souˇc´astky, u kter´ych je potˇrebn´a vˇetˇs´ı tuhost ˇci teplotn´ı odolnost, byly vysoustruˇzeny ze slitin hlin´ıku, mosazi ˇci z nerezu. D˚uleˇzitou souˇc´ast´ı pr´ace byl i n´avrh a konstrukce tiskov´e hlavy, kter´a je kl´ıˇcov´a pro v´yslednou kvalitu tisku.
Vedle n´avrhu konstrukce bylo nutn´e vybrat a upravit ˇr´ıd´ıc´ı obsluˇznou elektroniku a software 3D tisk´arny. Vzhledem k velk´emu rozsahu cel´eho projektu bylo vyuˇzito open-source ˇreˇsen´ı, kter´e bylo upraveno dle konkr´etn´ıch poˇzadavk˚u. Pouˇzit´ı open- source ˇreˇsen´ı pˇrin´aˇs´ı ˇradu dalˇs´ıch v´yhod. Kromˇe ˇcasov´e ´uspory je to vzhledem k velk´e ˇclensk´e komunitˇe st´al´y pˇr´ıstup k nov´ym funkc´ım softwaru a dobr´a uˇzivatelsk´a podpora.
Koneˇcn´y n´avrh 3D tisk´arny m´a podobu hlin´ıkov´e konstrukce s tˇr´ıos´ym robotem a dvˇema tiskov´ymi hlavami. Vod´ıc´ı syst´em osy x a y se vˇzdy skl´ad´a z dvojice brouˇsen´ych tyˇc´ı, na kter´ych jsou um´ıstˇena kuliˇckov´a loˇziska v plastov´em d´ılci.
Osa z obsahuje kromˇe dvou vod´ıc´ıch tyˇc´ı s voz´ıky tak´e kuliˇckov´y ˇsroub s matic´ı.
Pohony posuv˚u jsou zajiˇstˇeny pomoc´ı krokov´ych motor˚u.
Pouˇzitelnost navrˇzen´eho zaˇr´ızen´ı v praxi byla potvrzena ´uˇcast´ı na ˇreˇsen´ı nˇekolika projekt˚u, z nichˇz nejv´yznamnˇejˇs´ım bylo spojen´ı technologi´ı 3D tisku s elektrosta- tick´ym zvl´akˇnov´an´ım pro vytvoˇren´ı 3D scaffold˚u pro r˚ust kmenov´ych bunˇek.
Pˇri ˇreˇsen´ı tohoto projektu se potvrdily hlavn´ı pˇrednosti navrˇzen´e konstrukce i elektroniky sestrojen´eho zaˇr´ızen´ı.
Literatura
[1] JACOBS, Paul F a David T REID. Rapid prototyping & manufacturing:
fundamentals of stereolithography. 1st ed. Dearborn, MI: Society of Manufactu- ring Engineers in cooperation with the Computer and Automated Systems Association of SME, c1992, 434 p. ISBN 0872634256.
[2] B ´ARTOLO, Paulou. Stereolithography: materials, processes and applications.
New York: Springer, [2011], xi, 340 pages. ISBN 9780387929040.
[3] CHUA, Chee Kai. Rapid prototyping: principles and applications. 3rd ed. New Jersey: World Scientific, c2010, xxv, 512 s. ISBN 978-981-277-897-0.
[4] Moilanen, J. & Vad´en, T. Manufacturing in motion: first survey on the 3D printing community,Statistical Studies of Peer Production.
[5] PL´IVA, Z., J. DR ´ABKOV ´A, J. KOPRNICK ´Y a L. PETRˇZ´ILKA. Metodika zpracov´an´ı bakal´aˇrsk´ych a diplomov´ych prac´ı. 2. upraven´e vyd´an´ı. Liberec:
Technick´a univerzita v Liberci, FM, 2014. ISBN 978-80-7494-049-1. Dostupn´e z: doi:10.15240/tul/002/2014-11-002
[6] HOOD-DANIEL, Patrick a James F KELLY. 2011. Printing in plastic: build your own 3D printer. Vyd. 1. New York, N.Y.: Distributed to the book trade worldwide by Springer Science Business Media, vxiii, 446 p. Technology in action series. ISBN 978-143-0234-449.
[7] GRIMM, Todd a James F KELLY. 2004. User’s guide to rapid prototyping:
build your own 3D printer. Vyd. 1. Dearborn, Mich.: Society of Manufacturing Engineeers, xvi, 404 p. Technology in action series. ISBN 08-726-3697-6.
[8] PELCL, M., CHVOJKA, J., KOˇS ˇT ´AKOV ´A, E., ˇSAFKA, J., K ˇR´IˇZ, K. aj. The Combination of 3d Printing and Nanofibers for Tissue Engineering of Articular Cartilage. In (ed.) Nanocon. 1. vyd. ˇCesk´a Republika: Nanocon, 2014. S. S. 1 – 6. ISBN 9788087294536.
[9] BOWYER, Adrian et al. UNIVERSITY OF BATH.RepRap [online]. RepRap Professional Ltd: House 6, Unit 7,Great Leaze Farm, Oldbury on Severn, UK [cit. 2015-05-01]. Dostupn´e z: http://reprap.org/
[10] Katalog AL profil˚u a pˇr´ısluˇsenstv´ı 2013. [online]. [cit. 2015-06-01]. Dostupn´e z:
http://www.moas.cz/konstrukcni-hlinikove-profily-ke-stazeni
[11] LEMIO. Extruder. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Fran- cisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-05-10]. Dostupn´e z:
http://reprap.org/mediawiki/images/f/fc/Extruder_lemio.svg
[12] ARDUINO LLC. Arduino [online]. [cit. 2015-03-03]. Dostupn´e z:
http://www.arduino.cc/
[13] POLOLU CORPORATION. Pololu [online]. [cit. 2015-03-15]. Dostupn´e z:
https://www.pololu.com/
[14] SATRAPA, Pavel. LATEX pro pragmatiky [online]. [cit. 2015-04-09]. Dostupn´e z:http://www.nti.tul.cz/~satrapa/docs/latex/
