Návrh konstrukce 3D tiskárny pro uplatnění v oblasti gastronomie
Diplomová práce
Studijní program: N2301 – Strojní inženýrství
Studijní obor: 2302T010 – Konstrukce strojů a zařízení Autor práce: Bc. Vojtěch Růžička
Vedoucí práce: Ing. Petr Zelený, Ph.D.
Liberec 2016
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tom- to případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé diplomové práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
P oděkování
Rád bych poděkoval Ing. Petru Zelenému, Ph.D. za odborné vedení, trpělivost a ochotu při vypracovávání této diplomové práce. Dále bych rád poděkoval Ing. Adriimu Shynkarenkovi za věcné konzultace a rady. Mé velké poděkování patří také mé rodině a přítelkyni, kteří mě po celou dobu studia plně podporovali.
Anotace
Cílem této diplomové práce je navržení vhodné technologie a provedení konstrukčního návrhu 3D tiskárny pro využití v gastronomii. Zvolený problém byl vyřešen převzetím konstrukce tiskárny projektu RepRap a vlastním návrhem vytlačovací hlavy pro tisk čokolády.
Vytvořené řešení umožňuje tisk čokolády na plochu pracovního stolu tiskárny a vytváření plošných obrazců. Výsledky této práce umožňují například dekorativní tisk. Je možné i její další vylepšování jako je přidání chlazení nebo tisk z jiného materiálu podobného čokoládě.
Klíčová slova: 3D tisk, gastronomie, FDM, čokoláda, RepRap, konstrukce, vytlačovací hlava
Anotation
The goal of this diploma thesis is to design appropriate technology to perform a construction design of a 3D printer to be used in gastronomy. This goal was reached by taking a printer construction of a RepRap project and combining it with own desing of an extrusion head for printing chocolate Created solution allows printing chocolate on a printer workdesk to make printed images. Result of this thesis allows for example a possibility to make a decorative print. Further upgrades such as additional cooling or using another chocolate-like material are possible.
Key words: 3D print, gastronomy, FDM, chocolate, RepRap, construction, extrusion head
7
Obsah
1 Úvod ... 12
2 Cíl diplomové práce ... 13
3 Současný stav 3D tiskáren v oblasti gastronomie ... 14
3.1 3D tiskárna pro lidi s potížemi s polykáním ... 14
3.2 Tisk jídla ve vesmíru ... 15
3.3 Kavárenský průmysl ... 17
3.4 Těstoviny ... 19
3.5 Hmyz ... 21
3.6 Cukrá ský průmysl ... 22
3.6.1 Želé ... 22
3.6.2 Cukr ... 24
3.6.3 Čokoláda ... 26
4 Praktická část ... 32
4.1 Konstrukce rámu ... 32
4.1.1 RepRap konstrukce ... 32
4.2 Krokový motor NEMA 17 ... 36
4.3 Volba materiálu a metody tisku ... 38
4.3.1 Vytlačování čokolády pomocí šneku ... 38
4.3.2 Vytlačování čokolády pomocí v etenového čerpadla ... 38
4.3.3 Vytlačování čokolády pomocí injekční st íkačky ... 40
4.4 Experimentální zjištění vytlačovací síly ... 41
4.5 Výpočet maximální síly od motoru NEMA 17 ... 43
4.5.1 Výpočet krouticího momentu na ozubeném kole 2 ... 43
4.5.2 Výpočet osové síly ... 44
4.6 Výpočet trvanlivosti ložisek ... 47
4.6.1 Stanovení radiální a axiální síly působících na ložisko ... 48
8
4.6.2 Stanovení dynamického ekvivalentního zatížení ložiska ... 50
4.6.3 Výpočet základní trvanlivosti ložiska ... 51
4.7 Posuv ve svislé ose ... 52
4.8 Uchycení st íkačky na vodící kolejnici ... 53
4.9 Uchycení motoru NEMA 17 a uložení ozubených kol ... 55
4.10 Uchycení vytlačovací hlavy na rám 3D tiskárny... 56
4.11 P ípravek na uchycení trysky pro tisk čokolády ... 57
4.12 Celková sestava vytlačovací hlavy a 3D tiskárny ... 59
5 Tisk použitých součástí na 3D tiskárně ... 60
5.1 Polohování součástí p i 3D tisku ... 61
6 Software a jeho konfigurace pro tisk čokolády ... 62
7 Vyhodnocení výsledků ... 65
8 Závěr ... 67
9 Seznam použité literatury ... 68
9 Seznam obrázků:
Obrázek Strana
Obrázek 1: Jídlo pro seniory vytisknuté na 3D tiskárně [3] 16 Obrázek 2: Jídlo pro seniory vytisknuté na 3D tiskárně [4] 17 Obrázek 3: Jídlo pro seniory vytisknuté na 3D tiskárně [5] 17 Obrázek 4: Návrh vesmírné 3D tiskárny na jídlo od firmy SMRC [6] 18 Obrázek 5: Současné ešení p ípravy jídla na ISS [6] 18 Obrázek 6: 3D tiskárna s využitím kávového extraktu firmy Ripples [7] 19 Obrázek 7: Ukázka tvorby tiskárny firmy Ripples [Ř] 20
Obrázek Ř: Ukázka tisku z kávového vlákna [10] 20
Obrázek ř: Ukázka vláken firmy 3Dom (od shora: káva, konopí, pivo) [ř] 21 Obrázek 10: Ukázka tisku těstovin ve tvaru růže [12] 22 Obrázek 11: Ukázka probíhajícího tisku těstovin na Milánské výstavě Expo
[13]
22
Obrázek 12: Ukázka tisku z hmyzí mouky [15] 23
Obrázek 13: 3D tiskárna upravená pro tisk z hmyzí mouky [15] 24
Obrázek 14: Ukázka 3D tisku z želé [16] 25
Obrázek 15: Vytištěný model na 3D tiskárně Magic Candy Factory [17] 25 Obrázek 16: Kostky cukru vytištěné na 3D tiskárně [1Ř] 26 Obrázek 17: Porovnání výrobku p ed a po úpravě vypalovací hlavy [1ř] 26
Obrázek 18: Postupný tisk cukrového etězu [1ř] 27
Obrázek 1ř: Bližší pohled na strukturu modelu vytisknutého z cukru [20] 28
Obrázek 20: Ukázka barevného tisku cukru [20] 28
Obrázek 21: Busta Kleopatry vytisknutá z cukru na 3D tiskárně [21] 28 Obrázek 22: Ukázky tisku čokolády na tiskárně Chocoprint [22] 2
Obrázek 23: 3D tiskárna na čokoládu Qiao [23] 30
Obrázek 24: Ukázka tisku tiskárny Qiao [23] 30
Obrázek 25: Ukázka p ípravy tisku na tiskárně Choc Creator [24] 31
Obrázek 26: Choc Creator V2.0 Plus [24] 31
Obrázek 27: Vytlačovací hlava ze stavebnice LEGO a ukázka tisku [25] 32
Obrázek 2Ř: Vytlačovací hlava [26] 33
Obrázek 2ř: Mechanismus utahování ozubeného emene [26] 33
Obrázek 30: RepRap Darwin [27] 35
Obrázek 31: RepRap Mendel [28] 35
Obrázek 32: RepRap Huxley [29] 35
Obrázek 33: RepRap Wallace [30] 35
Obrázek 34: Průša Mendel i3 [32] 36
Obrázek 35: Nejprodávanější 3D tiskárny ve světě [33] 37
Obrázek 36: Tiskárny Průša i3 po světě [34] 38
Obrázek 37: Krokový motor NEMA 17 [35] 39
10
Obrázek 38: Detail štítku použitého motoru 39
Obrázek 3ř: NEMA 17 bipolární zapojení 39
Obrázek 40: NEMA 17 unipolární zapojení 39
Obrázek 41: Rotor [36] 41
Obrázek 42: Stator [36] 41
Obrázek 43: Tvar dutin mezi rotorem a statorem [36] 41 Obrázek 44: Návrh vytlačovací hlavy pomocí excentrického šnekového rotoru 42 Obrázek 45: P ípravek pro mě ení pot ebné vytlačovací síly 43
Obrázek 46: Silové schéma 44
Obrázek 47: Ozubený p evod 45
Obrázek 4Ř: Rozvinutá jedna otáčka závitu MŘ x 1,25 47 Obrázek 4ř: Metrický závit se znázorněným vrcholovým úhlem α [37] 48 Obrázek 50: Silové poměry u čelního soukolí s p ímými zuby [3Ř] 49
Obrázek 51: Schéma zatížení ložisek 50
Obrázek 52: Hodnoty součinitelů X a Y pro radiální kuličková ložiska [37] 51 Obrázek 53: Vodící kluzná kolejnice (vpravo) a kluzný vozík (vlevo) 53 Obrázek 54: Součást zajišťující pohyb pístu nahoru a dolu (CAD model) 54 Obrázek 55: Píst nasazený do držáku, který je usazen na kluzném vozíku 54
Obrázek 56: Systém uchycení st íkačky 55
Obrázek 57: CAD model součástí vytisknutých na 3D tiskárně 55 Obrázek 5Ř: Uchycení motoru a uložení ozubených kol 57 Obrázek 5ř: Uchycení vytlačovací hlavy na rám 3D tiskárny 58
Obrázek 60: P ípravek na uchycení trysky 59
Obrázek 61: Deska k uchycení p ípravku 59
Obrázek 62: Celková sestava vytlačovací hlavy s 3D tiskárnou 60 Obrázek 63: 3D tiskárna Dimension SST 76Ř v laborato i katedry 61 Obrázek 64: Displej 3D tiskárny během tisku součástí 62 Obrázek 65: Ukázka vlivu orientace dílu na jeho mechanické vlastnosti 62 Obrázek 66: Úvodní obrazovka programu Repetier - host 63
Obrázek 67: Arduino mega 2560 63
Obrázek 6Ř: Umístění modelu do pracovního prostoru 64
Obrázek 6ř: Ukázka generování trasy trysky 64
Obrázek 70: Ukázka části vygenerovaného G-kódu 65
11 Seznam použitých zkratek a symbolů
Značka Jednotka Název
Fgs [N] Síla od skleničky Fgn [N] Síla od nádoby FH2O [N] Síla od vody FV [N] Vytlačovací síla ms [kg] Hmotnost skleničky
mn [kg] Hmotnost nádoby
mH2O [kg] Hmotnost vody g [m.s-2] Gravitační zrychlení
Mk1 [Nm] Jmenovitý moment na výstupní h ídeli z motoru NAMA 17 Mk2 [Nm] Krouticí moment na ozubeném kole 2
MU [Nm] Utahovací moment
i [-] P evodový poměr mezi ozubenými koly 1 a 2
Fo [N] Osová síla
f2 [-] Součinitel t ení
D [m] Roztečný průměr t ecí plochy matice/šroub
ϑ [°] T ecí úhel
α [°] Vrcholový úhel závitu
β [°] Úhel stoupání závitu
d2 [m] St ední průměr závitu
s [mm] Stoupání závitu
x [mm] Rozvinutá délka jedné otáčky závitu f‘ [-] Efektivní součinitel t ení
F [N] Obvodová síla v ozubení FR [N] Radiální síla v ozubení FN [N] Normálová síla v ozubení
a [m] Vzdálenost ozubeného kola a ložiska v místě A
L [m] Vzdálenost ložisek
Rb [N] Rekční síla v místě B Ra [N] Reakční síla v místě A
Pt [N] Dynamické ekvivalentní zatížení ložiska X [-] Koeficient pro výpočet trvanlivosti ložisek Y [-] Koeficient pro výpočet trvanlivosti ložisek Co [N] Statická únosnost ložiska
L10 [hod] Trvanlivost ložiska
C [N] Dynamická únosnost ložiska
p [-] Koeficient pro výpočet trvanlivost ložiska
12
1 Úvod
V dobách prvních počítačů se začalo uvažovat o strojích, které by dokázaly sestrojit trojrozměrný model objektu bez p ičinění člověka. První pokusy se zkoušely se stroji podobnými plotrům, ale místo kreslícího pera měly nůž, kterým vy ezávaly lepenkové pláty. Postupným vršením lepenkových plátů na sebe vznikl požadovaný 3D model ob- jektu. Toho se dalo využít p i modelaci terénu u zamýšlené stavby apod.
Za milník 3D tisku je považován rok 1řŘ6, kdy Charles Hull (pozdější zakladatel 3D Systems) objevil vlastnosti fotopolymerů využívaných v inkoustech tehdejších tiskáren.
P išel na to, že po vystavení tekutého fotopolymeru silnému UV zá ení polymer ztuhne a vytvo í tenkou vrstvičku. Soust eděním silného UV zá ení do každé vrstvy postupně zís- kával požadovanou podobu objektu. Tuto metodu si v roce 1986 nechal patentovat a na- zval ji Stereolitografie. Vytvo il funkční prototyp tiskárny pracující na tomto principu.
P esnost tisku byla velmi ovlivněna mnoha chybami, ale i p esto všechno dokázal tisk- nout velice komplexní modely. [1]
Postupem času se ve světě objevovaly další metody 3D tisku. Začínaje metodou FDM (postupné nanášení vrstev termoplastického materiálu), p es SLS (spékání práškového materiálu pomocí laserového paprsku), až po vytištění první miniaturní ledviny v roce 2002, která byla úspěšně transplantována nemocnému zví eti.
V roce 2005 se 3D tisk stal dostupný široké ve ejnosti díky Dr. Adrianovi Boweyerovi, který na Univerzitě v Bath založil projekt RepRap. RepRap je open-source projekt, jehož tiskárna je konstruována tak, aby se dala vyrobit většina dílů na další tis- kárnu – tiskárna se dokáže replikovat. Tím se výrazně sníží náklady na výrobu dané tis- kárny a zvýší se tak její dostupnost pro domácnosti.
Dnes je velice populární tisk jídla a potravin. Tedy 3D tisk, který by dokázal rychle a bez va ení vytvo it zajímavé objekty z různých potravin. Nejvíce se hovo í o čokoládě, která se dá působením tepla lehce p evést na plastickou hmotu a pomocí ex- truderu ji vytlačit na podložku. Takto se mohou tisknout čokoládové vizitky, pralinky ve tvaru, jaký požaduje zákazník, či portréty osob. Tiskárna se dá použít i na jiné materiály, nap íklad na různé polevy na dorty, anebo také složité konstrukce, které by nešly vytvo it jinak než 3D tiskem.
13
2 Cíl diplo ové práce
Hlavním cílem této diplomové práce je navržení vhodné technologie a provedení kon- strukčního návrhu 3D tiskárny pro využití v gastronomii. Nejprve je t eba se seznámit s technologiemi 3D tisku a za ízeními, jimiž disponuje laborato katedry a provést rešerši současného stavu využití 3D tisku v gastronomii. Na základě sesbíraných dat zvolit vhod- nou technologii realizovatelnou v laborato ích katedry, provést návrh konstrukce s mož- ností její realizace a otestování v praxi.
14
3 Součas ý stav D tiskáre v oblasti gastronomie
V současnosti zažívá 3D tisk v gastronomii obrovský rozvoj. Tiskne se jídlo nap íč celým spektrem surovin, od těst na pizzu, p es maso, těstoviny, až k cukrá ským výrob- kům jako je nap íklad čokoláda, ozdobný krém na dorty a mnoho dalšího. Firmy se p ed- hání v technologiích, které zvládnou jejich tiskárny, ať už se jedná o tiskárnu se zabudovanou pečící pecí nebo o tiskárnu na čokoládu s chlazením tak účinným, že lze z čokolády stavět 3D objekty. Bohužel jako ve všech jiných odvětvích průmyslu, tak i zde se vedou patentové války a utajování informací a technologií je naprosto běžné.
3.1 D tiskár a pro lidi s potíže i s pol ká í
Evropská unie vidí potenciál v tisku jídla pro seniory a lidi, kte í mají problémy s po- lykáním. Tito lidé mají často p edepisovanou speciální stravu, která je ale ve většině p í- padů bez jakýchkoli nutričních hodnot a je bez chuti. Využití 3D tiskáren by mohlo tento problém odstranit p ípravou speciálních potravin vytisknutých speciálně pro individuální pot eby každého seniora. Firma Nestlé také pracuje na možnosti zlepšení výživy u všech věkových skupin lidí s využitím 3D tiskáren, které by tiskly pokrmy tak, jak pot ebuje samotný jedinec. [2]
Obrázek 1: Jídlo pro seniory vytisknuté na 3D tiskárně [3]
15
Obrázek 2: Jídlo pro seniory vytisknuté na 3D tiskárně [4] Obrázek 3: Jídlo pro seniory vytisknuté na 3D tiskárně [5]
3.2 Tisk jídla ve ves íru
Posílání materiálů a surovin do vesmíru je v dnešní době velice nákladné. Dostat nyní jeden kilogram materiálu na oběžnou dráhu stojí kolem 10 000 dolarů, což je asi 200 000 Kč. To je důvod, proč NASA investuje nemalé peníze do vývoje 3D tiskárny, která by byla dovezena na vesmírnou stanici a tam by z p ipravených náplní tiskla kos- monautům jídla. Vývojem takovéto tiskárny se zabývá firma Systems & Materials Re- search Cooperation (SMRC), která vyhrála kontrakt od NASA. SMRC si také musí poradit se stavem beztíže, který jistě bude dělat nemalé problémy p i konstrukci takovéto tiskárny. NASA však vě í, že se jí tento krok vyplatí, zejména proto, že ušet í váhu do- pravovaných surovin na oběžnou dráhu a v neposlední adě také tím, že tiskem jídla ne- vzniká témě žádný odpad. [6]
Jídlo by na oběžnou dráhu mělo být dopravováno ve formě prášku ve speciálních nádobách k tomu určených. Prášek se pak v tiskové hlavě smíchá s tekutinou také k tomu určenou a tím vznikne těsto, které se vytlačí na podložku a vytiskne se tak jídlo se správ- nou nutriční hodnotou p esně dle požadavků posádky. [6]
16
Obrázek 4: Návrh vesmírné 3D tiskárny na jídlo od firmy SMRC [6]
Astronauti si již dlouho stěžují na absenci pizzy v jídelníčku, a tak bylo jasnou vol- bou, co bude tiskárna umět vytisknout. Princip tisku pizzy je poměrně jednoduchý.
Vrstvením těsta na rozžhavenou podložku dojde k vytvo ení základní placky, na kterou bude nanesena omáčka a další suroviny dle p ání astronautů. Tvůrci slibují, že chuťově se nebude pizza vytisknutá ve vesmíru nijak lišit od té pozemské. [6]
Chystaná tiskárna bude založena na open source projektu RepRap, čímž se docílí toho, že se tiskárna bude moci ve vesmíru z velké části sama replikovat a vytvo í tak další tiskárnu, čímž se urychlí p íprava jídel pro celou posádku vesmírné stanice. [6]
Obrázek 5: Současné ešení p ípravy jídla na ISS [6]
17
3.3 Kaváre ský prů sl
V současné době po celém světě vznikají kavárny, které využívají 3D tiskárny k p í- pravě netradiční kávy. Jedna z používaných technologií je 3D tiskárna se speciální vypa- lovací laserovou hlavou, která do pěny vypálí obrazec dle p ání zákazníka. Další používanou technologií je nanášení speciálního kávového extraktu na pěnu kávy.
Asi nejznámějším výrobcem používající technologii kávového extraktu je firma Ripples. Firma Ripples vyvinula 3D tiskárnu, která po vložení šálku kávy a zapnutí pro- gramu šálek zvedne do prostoru, kde je na něj nanesen speciálně vyvinutý extrakt kávy a tím se na pěně vytvo í obrazec libovolného zadání. Na této 3D tiskárně je velmi dob e propracováno ovládání p es dotykový LCD displej, jehož pomocí si zákazník zvolí poža- dovaný obrazec. K ovládacímu programu se lze také p ipojit p es mobilní telefon a zá- kazník si tak může do tiskárny poslat libovolnou fotku a tiskárna jí promění na obraz v pěně kávy.
Obrázek 6: 3D tiskárna s využitím kávového extraktu firmy Ripples [7]
18
Obrázek 7: Ukázka tvorby tiskárny firmy Ripples [Ř]
Další využití kávové sedliny umožňuje vynález firmy 3Dom, která ve spolupráci s vývojovým centrem biokompozitů c2renew vyvinula kávové vlákno, které se dá použít v běžně dostupných 3D tiskárnách. Lidé si tak mohou vytisknout témě jakýkoli tvar a kávu si tak p etvo it do ozdobné figurky nebo na cokoliv, co se zákazníkovi líbí.
Kávové vlákno je vyrobeno z kávové sedliny smíchané s PLA (biologicky odboura- telný termoplast), díky kterému je umožněn tisk. Tisk doprovází charakteristická vůně kávy. Cena jedné cívky o hmotnosti jednoho kilogramu je 49 dolarů.
Obrázek Ř: Ukázka tisku z kávového vlákna [10]
19
Firma 3Dom má na svém kontě i další dvě vlákna vyrobené stejným postupem jako vlákno z kávy. Jedná se o vlákno s aromatem piva a konopí.(obrázek ř). Všechna vlákna jsou nejedlá.
Obrázek ř: ukázka vláken firmy 3Dom (od shora: káva, konopí, pivo) [ř]
3.4 Těstovi
Další gastronomickou oblastí, která s rozvojem 3D tiskáren zažívá obrovský vývoj, je tisk těstovin. Hlavním cílem firem zabývajících se tiskem těstovin je, aby zákazník, který p ijde do obchodu, dostal těstoviny dle svého p ání. V Itálii také vznikla restaurace vybavená 3D tiskárnami. Zákazník do této restaurace chodí s USB diskem, na kterém má p ipravený 3D model. Obsluha tento model zpracuje a nechá tiskárnu vytisknout tolik kusů těstovin, kolik si zákazník objednal.
Nejvíce se v této věci angažuje italský výrobce těstovin Barilla. Ten oznámil, že na- vázal spolupráci s holandskou výzkumnou společností TNO. Spolupracují na vyvinutí 3D tiskáren, které budou schopny tisknout těstoviny různých tvarů. Tiskárna by měla být
20
určená nejen pro komerční využití v restauracích, ale také pro užití v domácnostech. Zá- jemcům by pak již stačilo stisknout tlačítko a stroj se zásobníkem speciálního těsta by vyrobil těstovinu dle jeho p ání.
Největší problém je však rychlost tisku. Firma Barilla chce docílit toho, aby tiskárna tiskla rychlostí 15 až 20 kusů těstovin za 20 minut. Této mety se zatím neda í dosáhnout, ale tvůrci vě í, že jsou na dobré cestě a tvrdí, že v roce 2014 tiskli 10x rychleji než na začátku projektu v roce 2012. [11]
Obrázek 10: Ukázka tisku těstovin ve tvaru růže [12]
Obrázek 11: Ukázka probíhajícího tisku těstovin na Milánské výstavě Expo (2015) [13]
21
3.5 Hmyz
Ve východních zemích jako je Japonsko nebo Vietnam, je pojídání hmyzu všeho druhu považováno za velký gastronomický zážitek. Hmyz je velkým zdrojem vlákniny a bílkovin, jenž jsou prospěšné celému organismu. Spousta lidí má však problém s for- mou, jakou se toto jídlo podává. Nelíbí se jim, že by měli sníst červa, brouka nebo ko- bylku. S tímto problémem se začala zabývat firma IKEA, která s týmem vědců p išla na to, jak p eměnit hmyz na speciální mouku a s pomocí 3D tiskárny jí p iměnit na jídlo ve formě luxusního a chutného zákusku. Vě í, že by toto mohlo být ešením nedostatku jídla v rozvojových zemích. [14]
Obrázek 12: Ukázka tisku z hmyzí mouky [15]
Princip tisku hmyzu (larev) spočívá v jeho úplném vysušení a rozmělnění na jemný prášek, který se smíchá s čokoládou nebo s taveným sýrem, díky kterému je umožněn tisk na 3D tiskárně.
Jeden z vedoucích projektu. Dr. Spears prohlásil, že dokáží z brouků a červů získat 40 až 50% bílkovin a z mouky, která vznikne rozmělněním, umí upéct chleba a na 3D tiskárnách tisknout cereální tyčinky. [14]
22
Obrázek 13: 3D tiskárna upravená pro tisk z hmyzí mouky [15]
3.6 Cukrářský prů sl
Největší rozvoj v oblasti 3D tisku jídla zaznamenalo cukrá ské emeslo. Tiskne se z velkého množství materiálů (čokoláda, krémy, cukrové hmoty apod.) a vznikají tak tvary, které cukrá i běžnými metodami nejsou schopni vytvo it. V dalších kapitolách bu- dou uvedeny p íklady tisku z různých cukrá ských materiálů.
3.6.1 Želé
T etí největší výrobce cukrovinek v Německu, firma Katjes, začala v jedné ze svých prodejen tisknout různé tvary (zví ata, květiny, nápisy atd.) z pasty složené s želé, p í- slušných aromat a dalších surovin, které jsou však firemním tajemstvím. Firma Katjes tvrdí, že ve vytlačovaném materiálu není použita žádná zví ecí želatina a výsledný výro- bek je tak čistě p írodní. [16]
Technologie je stejná jako p i tištění plastů. Vrstvou po vrstvě vzniká výsledný vý- robek. Vytlačování je prováděno pomocí injekční st íkačky, která dávkuje tištěný mate- riál rovnoměrně po celou dobu tisku. Firma nabízí zákazníkům možnost ově it si na webových stránkách výrobce, zda jím navrhnutý model lze vytisknout na 3D tiskárně.
23
V p ípadě, že ano, může jej do prodejny p inést na USB disku a personál se postará o to, aby vše proběhlo tak, jak má. Zákazník má na výběr ze 7 druhů a barev materiálů želé a v blízké budoucnosti se jistě dočkáme dalších. [16]
Obrázek 14: Ukázka 3D tisku z želé [16]
Tato 3D tiskárna s názvem Magic Candy Factory, zvládne 10 gramů materiálu vy- tisknout zhruba za 5 minut. St íkačka s materiálem se vkládá do vyh ívané komory, která se pak celá pohybuje v pracovním prostoru tiskárny a vytvá í tak zadané modely. [16]
Obrázek 15: Vytištěný model na 3D tiskárně Magic Candy Factory [17]
24 3.6.2 Cukr
Cukr je nepostradatelnou surovinou každého cukrá e. Cukr je opravdu na každém rohu – kavárny, restaurace, v domácnosti ho používáme témě denně a nyní nadešel jeho čas i v 3D tisku.
Stačí si p edstavit obyčejnou kostku cukru, nic zvláštního na ní nenajdete. Vzhled kostky cukru lze pomocí 3D tiskárny změnit v nep eberné množství podob a tvarů (obrá- zek 16). Pomocí 3D tiskáren je možný jakýkoliv tvar, fantazii se opravdu meze nekladou.
Obrázek 16: Kostky cukru vytištěné na 3D tiskárně [1Ř]
Existují dva postupy tisku cukru. Oba dva jsou založeny na využití tepla. Každý však v jiném rozsahu teplot. Použitá teplota také záleží na použitém druhu cukru a okolních podmínkách.
Jeden z postupů je podobný metodě SLS (Selective Laser Sintering), kdy tiskací hlava jezdí nad nádobou plnou cukru a v určitých místech vypaluje požadovaný tvar. Po vypálení se nanese nová vrstva cukru a celý proces se opakuje stále dokola (viz obrázek 17), než vznikne zákazníkem požadovaný objekt. Velikost výsledného objektu je omezen pouze velikostí pojezdů 3D tiskárny a velikostí nádoby, ve které se objekt tvo í. Můžeme tak tisknout veliké kusy.
Obrázek 17: Postupný tisk cukrového etězu [1ř]
25
P edstavitelem této metody tisku je firma Candylab, která p išla s vlastní velmi jed- noduchou konstrukcí tiskárny, která dokáže tisknout opravdu velké kusy různých tvarů.
Zpočátku bylo nutné vy ešit problémy s nevyrovnaností povrchů vytištěného objektu, ale po úpravě vypalovací hlavy došlo ke z etelnému zlepšení (porovnání výrobku p ed a po úpravě vypalovací hlavy - obrázek 18) [19]
Obrázek 1Ř: Porovnání výrobku p ed a po úpravě vypalovací hlavy [1ř]
Druhou technologií 3D tisku cukru je jeho postupné vrstvení z vytlačovací hlavy tak, jako je tomu u technologie FDM (Fused Depositing Modeling). Cukr se ve vytlačovací hlavě nah eje na takovou teplotu, která je dostačující k jeho vytlačení a také k jeho for- mování na desce tiskárny. Podle druhu cukru se do tisknuté směsi p idává speciální teku- tina, jejíž složení je firemním tajemstvím. Zlepšuje však vytlačování cukru a jeho rovnoměrné dávkování po celou dobu tisku.
Nejznámější tiskárna využívající tuto metodu je 3DChef. Jedná se o tiskárnu vyvinu- tou v Nizozemsku. Využívá principu nanášení lepidla na cukrový prášek a vytiskne se tak objekt z cukru dle 3D CAD modelu p ipraveného v počítači. Vznikají tak různorodé tvary a s p idáním potravinových barviv také velice barevné a zajímavé objekty. Jejich využití už záleží čistě jen na zákazníkovi. Může si takto tisknout kostky nebo zcela jiné tvary, které se dají využít též jako dekorace (ukázky tohoto tisku si můžete prohlédnout na ob- rázcích 1ř, 20 a 21).
26
Obrázek 1ř a 20: Bližší pohled na strukturu modelu vytisknutého z cukru, ukázka barevného tisku [20]
Fantazii se v p ípadě tisku cukru opravdu meze nekladou, a tak se může stát, že čím dál častěji budeme potkávat na firemních večírcích nap íklad busty pana majitele, vytisk- nutou na 3D tiskárně z cukru v životní velikosti. (obrázek 21)
Obrázek 21: Busta Kleopatry vytisknutá z cukru na 3D tiskárně [21]
3.6.3 Čokoláda
Čokoláda se jako jeden z mála materiálů osvědčila pro použití s technologií FDM.
Čokoláda se totiž dá velice dob e působením tepla p evést do pastovitého stavu a tím se chová podobně jako plastické hmoty běžně používané v 3D tisku v technologii FDM.
Základem úspěšného tisknutí čokolády je správné namíchání čokoládového hmoty.
Jde o její barvu, chuť, ale p edevším o její konzistenci. P íliš hustá čokoláda by měla za
27
následek to, že by ji nešlo protlačit skrz trysku. P íliš ídká čokoláda by zase nezachová- vala požadovaný tvar, a proto již míchání samotné směsi je velice důležité. P i použití správné směsi a kvalitního chlazení lze dosáhnout tisku trojrozměrných objektů z čoko- lády.
Tento způsob tisku čokolády se stává velice populárním mezi cukrá i i mezi domá- cími uživateli běžných RepRap tiskáren. Jednoduše, rychle, ale hlavně levně si tak uživa- tel může vytvo it čokoládové vizitky, pralinky různých tvarů nebo portrét obdarované osoby z čokolády.
Chocoprint
Chocoprint je první komerční 3D tiskárna na čokoládu v České Republice. Jejím vý- robcem je firma Imanica s.r.o., která se specializuje na prodej za ízení a p íslušenství v oblasti 3D tisku. Tiskárna dokáže tisknout ve vrstvách, avšak nemá dostatečné chlazení a tak nezvládne vyšší objekty. Ukázky tisku této tiskárny je možno si prohlédnout na obrázku 22.
Obrázek 22: Ukázky tisku čokolády na tiskárně Chocoprint [22]
Qiao
Qiao je 3D tiskárna Čínské firmy Becoda a stala se jednou z prvních p edstavených tiskáren, která umí tisknout trojrozměrné objekty z čokolády. Pracovní prostor tiskárny má rozměry 170 x 130 x 150 mm. Tělo tiskárny je vyrobeno z hliníku (viz obrázek 23).
Pracovní prostor je uzav ený v komo e, ve které je udržována optimální teplota, díky které čokoláda po nanesení ztuhne a lze na ni klást další vrstvu. Nah ívání samotné čoko- lády probíhá samostatně ve vytlačovací hlavě. Výsledkem tisku jsou trojrozměrné objekty různorodých tvarů (obrázek 24)
28
Obrázek 23: 3D tiskárna na čokoládu Qiao [23]
Obrázek 24: ukázka tisku tiskárny Qiao [23]
The Choc Creator
Další z ady 3D tiskáren na čokoládu je tiskárna The Choc Creaotr. Tato tiskárna je součásti projektu Choc Edge na univerzitě v Britském městě Exeter. První verze tiskárny s označením V1 spat ila světlo světa v roce 2012 a stala se tak celosvětově první ko- merčně dostupnou 3D tiskárnou na čokoládu. Po velikém úspěchu verze V1 následovaly v brzké době verze V2 a V2.0 Plus (viz obrázek 26). [24]
Výrobce dbal hlavně na to, aby používání jejich tiskárny bylo uživatelský p íjemné a co možná nejsnazší. To umožňuje LCD ovládací panel, automatická kontrola teploty a snadno naplnitelný zásobník na čokoládu. V p ípadě této tiskárny se jedná o speciální st íkačku. [24]
Tiskárna pracuje s principem vrstvení jednotlivých vrstev čokolády na sebe. Do spe- ciálního programu tiskárny je nahrán CAD model požadovaného objektu a v závislosti na
29
jeho tvarech je určena dráha vytlačovací hlavy tak, aby mohl postupně vznikat čokolá- dový model (obrázek 25). [24]
Obrázek 25: Ukázka p ípravy tisku na tiskárně Choc Creator [24]
Obrázek 26: Choc Creator V2.0 Plus [24]
Uživatelské tiskárny na čokoládu
3D tisk je obrovský fenomén v jakékoliv podobě a spousta lidí by chtěla mít svoji vlastní 3D tiskárnu doma. Této jim umožňuje projekt RepRap Zákazník si pak na této tiskárně může vytisknout i vlastní vytlačovací hlavu a použít ji právě t eba k tisku čoko- lády. Dále jsou uvedeny zajímavé p íklady domácích ešení tisku čokoládové hmoty.
30
Jedním z p íkladů je konstrukce vytlačovací hlavy z dětské stavebnice LEGO (viz obrázky 27). Princip fungování takovéto hlavy je jednoduchý. Do vytvo ené dutiny ve vytlačovací hlavě se vloží injekční st íkačka naplněná čokoládovou směsí a za uši st í- kačky se op e o konstrukci hlavy. Vedle této dutiny jsou vyvedeny dva šrouby spojené s motory NEMA 17, na nichž je upevněna část konstrukce pro stlačování injekční st í- kačky. Po uvedení motorků do chodu začnou šrouby otáčet a tím uvedou do chodu část, která stlačí píst st íkačky a čokoláda začne být nanášena na pracovní desku. Otáčky mo- torků se musí nastavit tak, aby čokoláda byla vytlačována plynule a rovnoměrně. Důležitý je také současný start obou motorků. Chlazení je prováděno pomocí klasického PC vě- tráčku.
Obrázek 27: Vytlačovací hlava ze stavebnice LEGO a ukázka tisku [25]
Další domácí konstrukcí 3D tiskárny se může pochlubit uživatel jménem RichRap, který na server http://www.thingiverse.com umístil svojí verzi vytlačovací hlavy (obrázek 28) za účelem tisku čokolády. Princip je stejný jako u vytlačovací hlavy z lega. Píst st í- kačky naplněné čokoládovou hmotou je stlačován a čokoláda je vytlačována na pracovní desku.
31
Obrázek 2Ř: Vytlačovací hlava [26]
Celá vytlačovací hlava je poháněná jediným motorem NEMA 17 a pomocí ozube- ných p evodů jsou do pohybu uváděny i další části vytlačovací hlavy. Stlačování pístu probíhá tak, že je p es něj navlečen ozubený emen, který je na jednom konci pevně uchy- cen ke konstrukci hlavy a na druhé straně prochází ozubeným kolečkem, které ho po- stupně utahuje a tím dochází ke stlačování pístu (obrázek 2Ř).
Obrázek 2ř: Mechanismus utahování ozubeného emene [26]
Naprostou většinu dílů na tuto vytlačovací hlavu lze vytisknout na domácí 3D tis- kárně a autor nechává jejich modely volně ke stažení pro jakéhokoliv uživatele.
Na internetu se dá najít spousta podobných ešeních vytlačování čokolády a jejich seznam by jistě vydal na pěkných pár stránek, ale jako ukázka domácích prací nadšených uživatelů domácích 3D tiskáren toto zcela dostačuje.
32
4 Prakti ká část
Konstrukce 3D tiskárny se skládá ze t í kroků. Prvním je konstrukce rámu, který musí být natolik pevný, aby snesl namáhání od pohybujících se částí. Současně musí být nato- lik stabilní, aby nedocházelo k jeho vychylování z rovnovážné polohy. Dalším krokem je konstrukce vytlačovací hlavy, která se upevní na pohyblivé části rámu a pomocí níž je vytvá en žádaný objekt. Neodmyslitelnou částí každé tiskárny jsou její ovládací prvky, které jsou ovládány prost ednictvím počítače. Do počítače lze nahrát různý software pro ovládání 3D tiskárny.
4.1 Konstrukce rá u
S p íchodem open – source projektu RepRap, který je zamě en právě na rámy a po- hyblivé části 3D tiskáren se poda ilo sjednotit jejich konstrukci. Díky možnosti tisku vět- šiny dílů tiskárny na již existující 3D tiskárně došlo k značnému snížení nákladů spojených s po ízením nové 3D tiskárny. Komunita lidí okolo projektu RepRap se roz- růstá každým dnem o nové a nové členy, mezi nimiž se vedou dlouhé diskuze, který Re- pRap systém je nejlepší.
4.1.1 RepRap konstrukce
V současnosti existují čty i „oficiální“ verze RepRapu s dostupným úplným návodem a se seznamem všech použitých dílů. Existuje také nep eberná ada dalších RepRap pro- jektů, které si auto i upravují dle svých p edstav a prezentují se s nimi na internetových fórech. Jména jsou konstrukcím dávána po slavných biolozích, kte í p išli s myšlenkou evoluční teorie.
Nejstarší 3D tiskárna projektu RepRap nese jméno Darwin (obrázek 30). Je pojme- novaný po biologovi a autorovi evoluční teorie Charlesovi Darwinovi a byl p edstavený v roce 2007. Jedná se o konstrukci vážící 14 kilogramů s pracovním prostorem o rozmě- rech 230 x 230 x 100 milimetrů. P esnost polohování je 0,1 milimetrů. [31]
Dalším typem konstrukce je Mendel (obrázek 31). Jedná se o nejoblíbenější kon- strukci ve světě RepRapu a existuje na ní mnoho modifikací. Poznáme je tak, že v názvu mají Mendel. Originální konstrukce se proto nazývá Original Mendel. Konstrukce váží okolo sedmi kilogramů a její hmotnost je o polovinu menší než p edchozí konstrukce
33
Darwin. Pracovní prostor má rozměry 200 x 200 x 140 milimetrů a rychlost tisku je až 1ř cm3 za hodinu. Polohovatelnost je s p esností na 0,1 milimetrů. [31]
T etí verze konstrukce RepRap má název Huxley (obrázek 32). Jedná se o zmenše- ninu varianty Mendel. Huxley je složený z méně součástek, je tak lehčí a snadněji p eno- sitelný. Pracovní prostor má velikost 200 x 140 x 140 milimetrů a k pohonům v osách používá motor NEMA 14, což je starší verze nyní používaného motoru NEMA 17. Je to druhá nejpoužívanější konstrukce po modelu Průša Mendel. [31]
Poslední konstrukcí, o které se zmiňuje Wikipedie RepRapu je konstrukce s názvem Wallace (obrázek 33). Jedná se o tiskárnu s pracovním prostorem o rozměrech 200 x 200 x 140 milimetrů. Obsahuje 26 dílů, které se dají reprodukovat na jiných 3D tiskárnách.
Konstrukce je velice jednoduchá a lehká. [31]
Obrázek 30: RepRap Darwin [27] Obrázek 31: RepRap Mendel [28]
Obrázek 32: RepRap Huxley [29] Obrázek 33: RepRap Wallace [30]
34
Pro účely této diplomové práce bylo po konzultacích s odborníky a uživatelů projektu RepRap rozhodnuto o použití konstrukce Průša Mendel i3, kterou má univerzita k dispo- zici v laborato ích 3D tisku.
Obrázek 34: Průša Mendel i3 [32]
Tato tiskárna pat í firmě Prusa Research s.r.o, jejímž majitelem je čech Josef Průša, který produkuje tuto tiskárnu a osobně se velmi angažuje v jejím vývoji. Vyučuje na Kar- lově univerzitě a na Vysoké škole umělecko-průmyslové v Praze působil jako oponent mnoha studentům p i jejich závěrečných pracích
Průša Mendel i3 (obrázek 34) je dle serveru 3dhubs.com nejprodávanější nekomerční 3D tiskárnou na světě. [33] P ehled nejprodávanějších 3D tiskáren je znázorněn na ob- rázku 35. Tiskárna Průša Mendel i3 byla zkonstruována v roce 2012 a na obrázku 36 lze nahlédnout, kam všude po světě je tato 3D tiskárna expedována. Existují dvě možnosti jejího po ízení. Je možné si zakoupit balíček se stavebnicí a tu si doma dle kompletního, p iloženého návodu sestavit a nakonfigurovat podle sebe. Druhou variantou je možnost nechat si tiskárnu sestavit specialistou, který jí zároveň nakalibruje a uživatele zaškolí.
V ceně je i doživotní poradenství.
35
Tiskárna se skládá z hliníkového rámu a tloušťce 6mm. Je vyroben z jednoho kusu hliníku, do kterého byl vodním paprskem vy ezán jeho výsledný tvar. Déle tiskárna ob- sahuje 26 dílů, které se dají vytisknout na jiné 3D tiskárně a ke kterým je dodávána plná dokumentace i s 3D CAD modely daných součástí. Zbytek tiskárny (337 dílů) je dodán spolu s ostatními díly. Tyto díly lze zakoupit i někde jinde než u firmy Prusa Research s.r.o. Mezi dodávané díly pat í i vyh ívaný stůl, který se zapojuje do svého zvláštního výstupu v ízení tiskárny. Vyh ívaný stůl je pot eba p i tisku, kvůli tomu, aby nedošlo ke zkroucení tisknutého plastu, který dosedne na studenou plochu, což by mělo negativní vliv na kvalitu tisku. V této diplomové práci nebude tohoto stolu t eba. Pohony v osách zajišťují krokové motory NEMA 17, jejichž základní parametry je možno shlédnout v ta- bulce č. 1 nebo celou jejich specifikaci v p íloze č. 1.
Obrázek 35: Nejprodávanější 3D tiskárny ve světě [33]
36
Tiskárna disponuje pracovním prostorem o rozměrech 200 x 200 x 200 milimetrů a hlavně díky rozměru 200 milimetrů v ose Z pat í tato tiskárna k nejoblíbenějším po celém světě. Dalším důvodem oblíbenosti je její nízká cena. Stavebnicová verze vyjde na cca 620 euro, což je asi 17 000 Kč. Sestavená a zkalibrovaná verze vyjde na 970 euro, což je v p epočtu asi 26 000 Kč. Rychlostí a p esností tisku spolu s nízkou cenou p evyšuje ostatní 3D tiskárny v této kategorii.
Obrázek 36: Tiskárny Průša i3 po světě [34]
4.2 Krokový otor NEMA 7
Motor NEMA 17 je nejpoužívanějším motorem k pohonu os a p ípadně i vytlačovací hlavy u 3D tiskáren projektu RepRap (obrázek 37). Vyniká p edevším svými kompakt- ními rozměry, nízkou hmotností a jemným krokem. Všechny tyto hodnoty lze nalézt v ta- bulce č. 1 a jeho další specifikace v p íloze 1.
Tabulka 1: Základní vlastnosti krokového motoru NEMA 17
Krouticí moment [Nm] 0,4707
1 krok [°] 1,8
Hmotnost [kg] 0,34
Doporučené vstupní napětí [V] 12
37
Obrázek 37: Krokový motor NEMA 17 [35] Obrázek 3Ř: Detail štítku použitého motoru
Existují dva druhy motorů NEMA 17 a to bipolární (obrázek 3Ř) a unipolární (obrá- zek 39). Rozdíl mezi těmito motory spočívá v jejich krouticím momentu a ve spot ebě elektrické energie.
Obrázek 3ř: NEMA 17 bipolární zapojení Obrázek 40: NEMA 17 unipolární zapojení
Pro účely této diplomové práce byl zvolen motor NEMA 17 bipolární. Tyto motory jsou použity pro pohon všech os na stávající konstrukci 3D tiskárny. Z tohoto důvodu byl pro pohon vytlačovací hlavy zvolen motor stejného typu.
38
4.3 Volba ateriálu a metody tisku
Po konzultaci s vedoucím této diplomové práce bylo rozhodnuto, že jako medium bude použita čokoláda. Čokoláda je vhodná pro 3D tisk, protože jí lze snadno uvést do plastického stavu, kdy je umožněn tisk jejím vytlačováním z trysky a následném nanášení na pracovní plochu. Princip použití je velmi podobný jako u klasické technologie FDM.
P íprava čokolády je jednoduchou záležitostí smícháním a roztavením několika málo su- rovin. Je však pot eba dbát na správné dávkování surovin dle p edepsaného receptu. Udr- žování čokolády na teplotě vhodné k tisku a její p esné složení bude popsáno v dalších kapitolách této diplomové práce.
Existuje mnoho způsobů jak vytlačovat čokoládu. Jsou složité, ale i jednoduché me- tody, jak docílit rovnoměrného vytlačování media na pracovní podložku.
4.3.1 V tlačová í čokolád po o í š eku
Tato metoda je velice podobná metodě vytlačování plastů. Do násypky nad rotujícím šnekem se nasype čokoládový granulát. Šnek, který se otáčí, tento granulát dopraví do komory, která je z vnější strany oh ívaná topnými tělesy, které čokoládu roztaví na plas- tickou hmotu. Na konci komory je tryska (extruder), skrze kterou je čokoláda vytlačena na pracovní podložku.
4.3.2 V tlačová í čokolád po o í vřete ového čerpadla
Vytlačování čokolády pomocí v etenového čerpadla, konkrétně v provedení s excen- trickým šnekovým rotorem, je již konstrukčně složitější. Zejména z pohledu p esnosti výroby. Princip této metody spočívá v dopravě čokolády k trysce otáčením rotoru v pruž- ném statoru.
Rotor (obrázek 41) je nejčastěji vyroben z kovu a tvo í jej oblý závit s velkým stou- páním a malou výškou závitu. Stator (obrázek 42) je obvykle pružný tj. elastomer a p e- neseně p edstavuje matici s dvojitým chodem. Díky pružnému statoru a lícování součástí s p esahem vzniknou v meziprostoru velmi dob e utěsněné komůrky – prostory pro čer- panou kapalinu (obrázek 43).
39
P i otáčení rotoru vzniká excentricita, kterou je nutno kompenzovat, aby poháněná h ídel nepoškozovala uložení ložisek.
Obrázek 41: Rotor [36]
Obrázek 42: Stator [36]
Obrázek 43: Tvar dutin mezi rotorem a statorem [36]
V rámci této diplomové práce byl jako jedna z variant proveden návrh vytlačovací hlavy na principu v etenového čerpadla v provedení s excentrickým šnekovým rotorem (obrázek 44).
Stator (1) je z pružného materiálu (elastomer) a je s rotorem (2) sesazen s p esahem.
Tím mezi nimi vznikají komůrky, skrze které se čerpá čokoláda. Čokoláda je do za ízení p iváděna v granulované podobě násypkou (6), ze které padá do vyh ívané komory (3), kde taje a poté je odebírána rotorem. Pohon rotoru zajištuje krokový motor NEMA 17.
Excentricita rotoru je kompenzovaná kloubovým mechanizmem (4).
40
Obrázek 44: Návrh vytlačovací hlavy pomocí excentrického šnekového rotoru
4.3.3 V tlačová í čokolád po o í i jekč í stříkačk
Nejběžnějším způsobem vytlačování čokolády u 3D tisku je vytlačování media pís- tem. V mnohých p ípadech je použita injekční st íkačka. Jedná se o nejdostupnější a nej- jednodušší metodu vytlačování čokolády. Tato metoda byla zvolena i pro tuto diplomovou práci a v následujících kapitolách bude popsáno, jak postupně vznikala vy- tlačovací hlava na tisk čokolády.
41
4.4 E peri e tál í zjiště í v tlačova í síl
Čokoláda má větší hustotu než voda a tak klade i větší odpor p i jejím vytlačování z injekční st íkačky. Pro zjištění síly pot ebné pro kontinuální vytlačování čokolády byl sestaven jednoduchý model (obrázek 45). Model se skládal z injekční st íkačky o objemu 60 ml (4), skleničky (2) na zvětšení plochy pístu (3), na kterou působí vytlačovací síla a nádoba o objemu 4l (1), do které byla postupně vlévána voda, dokud nedošlo ke kontinu- álnímu vytlačování čokolády. Po dosažení požadovaného vytlačování byla zjištěna hmot- nost jednotlivých komponentů použitých p i tomto experimentu. Vynásobením zjištěných hodnot gravitačním zrychlením vyšla minimální síla pot ebná pro vytlačování.
Obrázek 45: P ípravek pro mě ení pot ebné vytlačovací síly
Na obrázku 46 je zobrazeno silové schéma provedeného experimentu se znázorně- nými silami, které vytlačují čokoládu. T ení mezi pístem a stěnou nebylo počítáno, pro- tože bylo p ekonáno hmotností celé soustavy a tudíž není pot eba k výpočtům pot ebné síly pro vytlačování.
42
Obrázek 46: Silové schéma
Výpočet síly pot ebné pro vytlačování je uveden ve vzorcích (1) až (5). Nejd íve se vypočítaly síly od jednotlivých částí použitých v experimentu. Jejich hmotnost byla vy- násobena gravitačním zrychlením a tím byla zjištěna síla od dané části.
� = �� + �� + �� (1)
�� = � ∙ = , ∙ , = , (2)
�� = � ∙ = , ∙ , = , (3)
�� = �� ∙ = , ∙ , = , (4)
43
� = �� + �� + �� = , + , + , + , =
= ,
(5)
Ve vztahu (5) je g konstanta gravitačního zrychlení [ř,Ř1 ms-2], ms hmotnost skle- ničky [kg], mn hmotnost objemové nádoby [kg], mH2Ohmotnost vody nalité do objemové nádoby [kg], Fgssíla od hmotnosti skleničky [N], Fgnsíla od hmotnosti objemové nádoby [N], FH2Osíla od nalité vody [N], FVcelková vytlačovací síla [N]
4.5 Výpočet a i ál í síl od otoru NEMA 7
Z výpočtu je z ejmé, že pro vytlačování čokolády je pot ebná síla 3ř,2 N. Této síly je pot eba dosáhnout motorem NEMA 17 a použitým ozubeným p evodem (obrázek 47).
Po konzultaci s odborníky na 3D tisk bylo rozhodnuto o použití p evodového poměru u ozubeného soukolí v poměru 1 : 4,3. Pro toto soukolí byl zvolen modul 3 a osová vzdá- lenost a = 74,5mm. Menší ozubené kolo (obrázek 47, pozice 1) má 10 zubů a je nasazeno na h ídeli z motoru NEMA 17. Větší ozubené kolo (obrázek 47, pozice 2) má 43 zubů a je uloženo na dvou ložiscích ČSN 024640. Ozubená kola mají ší ku řmm.
Obrázek 47: Ozubený p evod
4.5.1 Výpočet krouti ího o e tu a ozu e é kole
44
V ozubeném kole 2 je uložena matice tak, aby se nemohla otáčet. Skrz ozubené kolo je vedena závitová tyč. P i otáčení ozubeného kola a tím i matice dochází ke svislému pohybu závitové tyče nahoru a dolů.
� = � ∙ � = , ∙ , = , � (6)
Ve vzorci (6) je Mk1jmenovitý moment na výstupní h ídeli z motoru NEMA 17 [Nm], i p evodový poměr mezi ozubenými koly [-], Mk2 krouticí moment na ozubeném kole 2 [Nm].
4.5.2 Výpočet osové síl
Výpočet vychází ze vzorce pro stanovení celkového utahovacího momentu (7), ze kterého je vyjád ena osová síla (12). Závitová tyč je opat ena závitem MŘ x 1,25.
Tabulka 2: Vybrané rozměry závitu MŘ x 1,25
Roztečný průměr D [mm]
St ední průměr d2 [mm]
Stoupání závitu s [mm]
Vrcholový úhel α [°]
7,3 7,1 1,25 60
= � [ ∙ + � + ∙ ] (7)
45
Obrázek 4Ř: Rozvinutá jedna otáčka závitu M8 x 1,25
Výpočet úhlu stoupání závitu
� = ∙ � ∙ = ∙ � ∙ ,
= , �� (8)
= � � = � ,
, = , ° (9)
kde D je průměr závitu [7,3mm], s stoupání závitu [1,25mm], x rozvinutá délka jedné otáčky závitu [mm], β úhel stoupání závitu [°].
′=
� = ,
cos = , (10)
� = � ′= � , = , ° (11)
Výpočet maximální osové síly
� =[ ∙ + � + ]= ,
, ∙ , ∙ − ∙ , + , ∙ , ∙ − =
= �
(12)
��> �� => Je dosaženo pot ebné vytlačovací síly (13)
46
kde MUje celkový utahovací moment a je roven krouticímu momentu Mk2 na ozube- ném kole 2 [2,025 Nm], D roztečný průměr t ecí plochy matice/šroub [7,3.10-3 m], ϑ t ecí úhel [°], α vrcholový úhel závitu [60°] (Obrázek 4ř), f2součinitel smykového t ení oceli na ocel. Tento součinitel značně závisí na provozních podmínkách. Jeho hodnoty se po- hybují od 0,2 u suchého provozu po 0,1 pro povrchy mazané. V tomto p ípadě je zvolen následující kompromis: hodnota součinitele t ení f2 = 0,15, d2 st ední průměr závitu [7,1.10-3m], f’ efektivní součinitel t ení [-], β úhel stoupání závitu [3,12°].
Ze znalosti pot ebné minimální osové síly pro stlačování pístu lze vypočítat pot ebný krouticí moment na kole 2.
Výpočet pot ebného krouticího momentu
= � [ ∙ + � + ∙ ] =
= , ∙ [ , ∙ , ∙ −
∙ , + , ∙ , ∙ −
] =
= , ∙ − �
(14)
Kde FV je experimentem zjištěná vytlačovací síla [39,2N].
Obrázek 4ř: Metrický závit se znázorněným vrcholovým úhlem α [37]
Z výsledků je patrné, že osová síla značně p evyšuje sílu pot ebnou pro vytlačování (13). Nebude tedy zapot ebí využívat plného výkonu motoru NEMA 17, ale zároveň je tento způsob vytlačování p ipraven na materiály, které budou vyžadovat větší vytlačovací sílu než čokoláda.
47
4.6 Výpočet trva livosti ložisek
Trvanlivost valivých ložisek je definována jako počet otáček nebo počet provozních hodin p i dané rychlosti otáčení, které ložisko vykoná, než se projeví první známky únavy materiálu (trhlinky, odlupování materiálu).
V této práci jsou použita ložiska firmy SKF s označením 61Ř04-2RZ. Jedná se o jed- no adé kuličkové ložisko s krytováním na obou stranách. Rozměry ložiska jsou uvedeny v tabulce 3. I p esto, že je p edpokládáno p evažující axiální zatížení, bylo zvoleno lo- žisko radiální. Axiální zatěžování ložiska bude malé a ložisko ho zcela jistě vydrží bez jakýchkoli komplikací.
Tabulka 3: Rozměry ložiska SKF 61Ř04-2RZ
Vnit ní průměr d [mm]
Vnější průměr D [mm]
Ší ka B [mm]
20 32 7
48
4.6.1 Sta ove í radiál í a a iál í síl půso í í h a ložisko
Nejprve je t eba určit síly v ozubeném p evodu a následně je p epočítat na reakce v místech uložení ložisek.
Obrázek 50: Silové poměry u čelního soukolí s p ímými zuby [3Ř]
Obvodová síla:
� = ∙ �
= ∙ , ∙ −
, = , ∙ − (15)
Radiální síla:
�� = � ∙ tan = , ∙ − ∙ tan =
= , ∙ −
(16)
Normálová síla
� = �
cos =
, ∙ −
cos = , ∙ − (17)
kde Mk je pot ebný krouticí moment na ozubeném kole 2 [2,025Nm = MU]. D průměr ozubeného kola 2 [0,12řm], α velikost úhlu záběru [20°]
U čelních kol s p ímými zuby uvažujeme pro výpočet reakcí v ložiskách zatížení h í- dele normálovou silou. Na obrázku 51 je znázorněno schéma zatížení ložisek reakčními silami.
49
Obrázek 51: Schéma zatížení ložisek
Momentová rovnice k místu působení reakce Ra:
� ∙ � − � ∙ = (18)
Momentová rovnice k místu působení reakce Rb:
� ∙ − � ∙ − � = (19)
Vyjád ení reakcí z rovnic (17) a (18)
� =� ∙ �
= , ∙ − ∙ ,
, = , ∙ − (20)
� =� − �
= , ∙ − ∙ , − ,
, =
= , ∙ −
(21)
50
Větší síla vyšla v místě působení reakce Rb, a tudíž výpočet ložiska bude prováděn pro toto místo s tím, že pokud bude vyhovovat zde, bude vyhovovat i pro místo působení reakce Ra.
4.6.2 Sta ove í d a i kého ekvivale t ího zatíže í ložiska
� = ∙ � + ∙ � (22)
Hodnoty koeficientů X a Y jsou uvedeny v obrázku 52. Hodnoty odpovídající vypoč- tenému zatížení jsou barevně zvýrazněny.
Obrázek 52: Hodnoty součinitelů X a Y pro radiální kuličková ložiska [37]
Poměr axiální a radiální sily:
�
� =
,
, ∙ − = > � (23)
Relativní axiální zatížení
� = ,
= , (24)
kde Fa je axiální síla působící na ložiska [3ř,2N], Rb radiální síla (volena větší síla z obou ložisek) [1,49.10-4 N], Codynamická únosnost ložiska [2300N].
V tabulce na obrázku 52 tato hodnota není a tak byla zvolena hodnota nejbližší.
V tomto p ípadě se jedná o hodnotu 0,014. Vzhledem k tomu, že poměr axiální a radiální
51
sily vyšel větší, než hodnota čísla e, jsou koeficienty X a Y určeny hodnotou X = 0,56 a Y = 2,30. Nyní lze vypočítat dynamické ekvivalentní zatížení.
� = ∙ � + ∙ � = , ∙ , ∙ − + , ∙ , =
= ,
(25)
4.6.3 Výpočet základ í trva livosti ložiska
= (� ) = ( , ) = ℎ� (26)
kde C je dynamická únosnost ložiska [4000N], Pt ekvivalentní dynamické zatížení [99,1N], p exponent (pro kuličková ložiska = 3).
Jak je patrné z výsledků výpočtů, axiální namáhání radiálního ložiska není tak veliké, aby ovlivňovalo samotnou životnost ložiska. I v p ípadě, kdyby síly Rb a Fa byly dvojná- sobné, trvanlivost ložiska by se snížila na cca Ř000 hodin, což je v tomto p ípadě stále více než dostačující.
52
4.7 Posuv ve svislé ose
P i konstrukci vytlačovací hlavy bylo pot eba zajistit, aby se závitová tyč nijak nevy- chylovala od své osy rotace a byl tak zaručen co nejlepší posuv ve svislé ose. ešením je použití vodící kluzné kolejnice, zakoupené u firmy Igus s označením NS-01-27 (obrá- zek 53), ve které se pohybuje kluzný vozík také od firmy Igus s označením NW-02-27 (Obrázek 53).
Obrázek 53: Vodící kluzná kolejnice (vpravo) a kluzný vozík (vlevo)
Vodící kluzná kolejnice byla dodána v délce 400 mm. Pro použití na této vytlačovací hlavě byla zkrácena na 300 mm. Současně slouží k uchycení dalších částí extruderu. Na kluzný vozík, který se pohybuje ve vodící kolejnici, je p ipevněn speciální držák (obrá- zek 54), do kterého se vsune vršek pístu st íkačky. Z jeho druhé strany je opat en maticí M8, do které je našroubována závitová tyč a tím je zajištěn posuv ve svislé ose. Tato součást je navržena tak, aby dokázala píst st íkačky stlačit směrem dolů, ale také p i změně otáček ho dokázala vysunout směrem nahoru a tím zajistila p erušení vytlačování.
53
Obrázek 54: Součást zajišťující pohyb pístu nahoru a dolu CAD model
Tato součást byla vyrobena v laborato ích katedry na 3D tiskárně metodou FDM.
Obrázek 55: Píst nasazený do držáku, který je usazen na kluzném vozíku
4.8 U h e í stříkačk a vodí í kolej i i
Uchycení st íkačky na vodící kolejnici je zajištěno pomocí komory (obrázek 56, po- zice 3), do které je st íkačka vsunuta. Hliníkový válec (komora) je uchycen na kolejnici speciálně navrhnutými a na 3D tiskárně vytištěnými součástkami (obrázek 56 pozice 1, 2 a 6). Válec je v dolní části opat en víčkem (obrázek 56, pozice 5), které zajistí polohu st íkačky po jejím opětovném naplnění a vrácení zpět do komory. Válec je s víčkem pro- vrtán a zajištěn šroubem, aby se p i výměně st íkačky mohl pouze odklopit. V této poloze se vymění st íkačka a válec se opět vrátí do původní polohy.
54
Obrázek 56: Systém uchycení st íkačky
Díly na pozicích 6, 2 a 1 byly vytištěny na 3D tiskárně v laborato i katedry. Tisk byl proveden metodou FDM za použití plastu ABS. Tyto díly jsou nasunuty do vodící kolej- nice, ke které jsou upevněny šrouby. Díl na pozici 2 je opat en postranními rameny, které zasahují p es polovinu válce. P i vrácení komory do její pracovní polohy se díky těmto ramenům komora „zacvakne“ do její správné pozice a zůstane zafixována.
Obrázek 57: Součásti vytisknuté na 3D tiskárně (obrázek 56, pozice 1, 2 a 6)
55
4.9 U h e í otoru NEMA 7 a ulože í ozu e ý h kol
Původním záměrem byla výroba součásti na držení motoru a uložení ložisek (obrá- zek 58, pozice 7) z hliníkového plátu. Tato metoda však byla výrobně a technologicky náročná a proto byla zvolena varianta vytisknutí držáku na 3D tiskárně. Vytiskl se jedno- litý kus, na který je p ipevněn motor NEMA 17 (obrázek 5Ř, pozice 1). P ipevnění je provedeno čty mi šrouby s vnit ním šestihranem s velikostí závitu M3. Na h ídel vystu- pující z motoru NEMA 17 je nasunuto malé ozubené kolo (obrázek 5Ř, pozice 2), které je ustaveno v dané pozici stavěcím šroubem o velikosti M4 x 16 (obrázek 5Ř, pozice Ř).
Držák také slouží k uložení ložisek, ve kterých se otáčí velké ozubené kolo (obrázek 5Ř, pozice 3). Jedná se o ložiska od firmy SKF s označením 61Ř04-2RZ dle normy ČSN 02 4640 (obrázek 5Ř, pozice 4). Jedná se o radiální ložiska, v tomto p ípadě zatížená p edevším axiální silou, ale jak ukazuje výpočet v kapitole 4.6, na životnost ložisek to nemá p íliš velký vliv (síly jsou tak malé, že neovlivní životnost ložisek natolik, aby se musela použit ložiska axiální). Zajištění proti vysunutí většího kola směrem vzhůru ob- starává součást na pozici 6. Ta je p ipevněna dvěma šrouby s vnit ním šestihranem o ve- likosti M6 x 45 k držáku. Skrze tyto součásti prochází závitová tyč (obrázek 5Ř, pozice 5) o velikosti MŘ x 200, která zajištuje posouvání pístu nahoru a dolů a tím vlastní vytla- čování čokolády. Pohyb závitové tyče zajišťuje matice MŘ uložená v ozubeném kole (ob- rázek 5Ř, pozice 3). Jejím otáčením dochází k plynulému posouvání závitové tyče a tím k samotnému stlačování pístu st íkačky. Samotný držák je p ipevněn ke kluznému vedení pomocí šroubu o velikosti M6 x 22 a z druhé strany opat ený podložkou a dotažený maticí M6.
Velice důležité p i tisku této součásti bylo její správné napolohování pro tisk tak, aby měla co možná největší únosnost. Toto bude vysvětleno v kapitole 5.1.
56
Obrázek 5Ř: Uchycení motoru a uložení ozubených kol
4.10 U h e í v tlačova í hlav a rá D tiskár
Vzhledem ke vzrůstající hmotnosti vytlačovací hlavy bylo rozhodnuto o jejím umís- tění na rám 3D tiskárny. Hmotnost extruderu by ohrožovala p esnost polohování a hrozila by ztráta kroku motoru. To by mělo za následek vznik nežádoucích nep esností během samotného tisku. Úchyt (obrázek 5ř) je p ipevněn jedním šroubem spolu s držákem ko- mory ke kluzné kolejnici a následně je nasunut na rám 3D tiskárny do libovolné polohy.
Úchyt je vyrobený 3D tiskem a je dostatečně robustní, aby snesl zatížení od vytlačování.
Uchycením vytlačovací hlavy na rám stroje nastal problém, jak dopravit čokoládu k tisku. Toto je vy ešeno hadičkou, která se na jednom konci uchytí ke šroubení injekční st íkačky a na druhém konci k trysce vyrobené z hliníku a zasazené do p ípravku. Tento p ípravek je vyroben 3D tiskem a je popsán v kapitole 4.11.
57
Obrázek 5ř: Uchycení vytlačovací hlavy na rám 3D tiskárny
4.11 Přípravek a u h e í tr sk pro tisk čokolád
Jak již bylo zmíněno v kapitole 4.10, p ípravek slouží k vložení a uchycení hliníkové trysky (obrázek 60, pozice 1), která je koncovým bodem celého vytlačování. P ípravek slouží také k p esnému ustavení trysky a není tak pot eba po každé výměně injekční st í- kačky kalibrovat polohu špičky trysky. Část trysky je opat ena vroubky, na které se na- sune hadička a utáhne se páskou tak, aby nemohla sklouznout z trysky dolů.
Tento p ípravek se skládá za dvou části. Tělo (obrázek 60, pozice 2) slouží pro vlo- žení trysky a také k jeho p išroubování k desce, která je upevněna k ložiskům na posuv- ných tyčích pomocí elektriká ských pásků. Druhá část p ípravku je víko (obrázek 60, pozice 3), které slouží k zajištění trysky v těle p ípravku. Víko je k tělu p ipevněno dvěma šrouby se šestihrannou hlavou.
58
P ípravek je uchycen dvěma šrouby k desce (obrázek 61), která je p ipevněna na lo- žiscích pomocí elektriká ských pásků. Ložiska se pohybují po posuvných tyčích a zajiš- tují tak pohyb ve vodorovném směru. V zadní části desky jsou upevněny konce emínku, který pohybuje celou sestavou. Upevnění je provedeno pomocí podložek. Mezi podložku a desku je vložen emínek a šroubem je stažen tak, aby nedošlo k jeho uvolnění během pohybu. Další část desky je upravena způsobem zajišťujícím volný pohyb horní větve
emínku.
Obrázek 60: P ípravek na uchycení trysky
Obrázek 61: Deska k uchycení p ípravku
59
4.12 Celková sestava v tlačova í hlav a D tiskár
Na obrázku 62 je zobrazena celková sestava 3D tiskárny Průša Mendel i3 s vytlačo- vací hlavou, která byla navržena v rámci této diplomové práce.
Model 3D tiskárny je zjednodušený pro lepší manipulaci v programu Autodesk In- ventor 2016, ve kterém byl model vytvo en.
Obrázek 62: Celková sestava vytlačovací hlavy s 3D tiskárnou
