Mnoho zájemců o 3D tisk při hledání odpovídající technologie, která by byla vhodná pro řešení jejich potřeb výroby prototypů, narazí na neznámé zkratky FFF, FDM, SLA a SLS. Za těmito zkratkami se skrývají různé technologie aditivní výroby a každá z nich má svoje silné i slabé stránky. V tomto článku se podíváme na tři v současnosti nejrozšířenější: výrobu taveným vláknem (FFF), Stereolitografii (SLA) a na selektivní spékání laserem (SLS).
Nejprve se ale pojďme podívat na obecný princip aditivní výroby. Na rozdíl od obrábění, kde je na začátku kus materiálu, který je postupně obráběn (nástrojem je z něj odebírán nežádoucí materiál), je u aditivní výroby na začátku prázdná tisková podložka, na kterou je materiál postupně nanášen v jednotlivých vrstvách a tím vzniká konečný výrobek. V dnešním článku popisované technologie se liší právě v materiálu, ze kterého se tiskne.
- FFF – Fused Filament Fabrication nebo FDM – Fused Deposition Modeling
Dvě zkratky pro dva různé názvy, ale jenom jedna technologie. Může za to registrovaná obchodní značka technologie Fused Deposition Modeling vlastněná společností Stratasys (patent pro používání této technologie, taktéž vlastněný spol. Stratasys, naštěstí vypršel již roku 2009).
Objekt je při použití této technologie tvořen postupným nanášením vrstev roztaveným vláknem termoplastu, které je v rámci jedné vrstvy tavící tryskou (extruderem) přesně dávkováno a zároveň distribuováno polohovacím systémem. Po vytvoření celé vrstvy se tento proces opakuje pro další vrstvu tak dlouho, dokud není vytvořen celý objekt. Pro většinu jednoduchých objektů je při tisku spotřebován pouze materiál na stavbu dané součástky, což je rozdíl od strojního obrábění, kde je potřeba vždy více materiálu, než je ho ve výsledném výrobku. Výjimku tvoří objekty, které mají stoupání a spojení, která musí být podepřena podpůrnými konstrukcemi.
Výrobek je připravený po vytisknutí okamžitě (maximálně v řádu minut, je-li třeba čekat na vychladnutí tiskové podložky) a po následném vylámání případných podpor je možné jej ihned používat bez nutnosti dalších úprav.
Přesnost technologie FFF / FDM je dána přesností polohovacích motorů, rozměrem dávkovací trysky a rychlostí tisku a běžně se pohybuje kolem 0,5 mm, u kvalitnějších tiskáren (jako je třeba KRYAL Cube) lze při dobrém seřízení dosáhnout rozlišení až 0,2 mm.
Mezi zajímavé výhody technologie FFF patří možnost snadno definovat hustotu a strukturu výplně dílů, což ovlivňuje nejen cenu výsledného prototypu, ale i čas potřebný k jeho vytištění. V praxi tak lze snadno rychle vytisknout prototypy s malou výplní nebo dokonce duté a po jejich ověření a odsouhlasení vytisknout výsledný kus s odpovídající výplní. Stejně tak lze s úspěchem využívat různých druhů výplně pro dosažení různých mechanických vlastností.
- SLA – Stereolitografie
Jedná se o jednu z nejstarších technologií aditivní výroby, jelikož patentována byla již v roce 1986 Charlesem Hullem. I tato technologie tvoří objekt vrstvu po vrstvě, ale jako stavební materiál je zde použita tekutá plastická pryskyřice (fotopolymer), která v místech, kde byla vystavena UV záření, ztvrdne (zpolymerizuje). Proces tvorby objektu se opět odehrává po vrstvách, kdy se přes nanesenou fotopolymerovou pryskyřici pohybuje hlava, která ji v daných místech ozáří a tím jí vytvrdí. I zde platí, že pro složitější tvary, které obsahují stoupání nebo přemostění, se musí při tisku vytvářet pomocné struktury.
Po dokončení tisku se nepoužitá tekutina odstraní a hotový výrobek se vyjme z tiskové nádoby. Poté následuje očištění od zbytků fotopolymeru ve speciálním, k tomu určeném, roztoku a následně se vylámou případné pomocné struktury. Tím je výrobek připravený k použití.
Přesnost technologie SLA je zhruba 0,1 mm, což je mnohem lepší výsledek než u FFF a to zejména díky nižším vrstvám (typicky 0,05 – 0,15 mm) a tomu, že paprsek, který osvětluje bod k vytvrzení, je výrazně menší, než FFF tryska.
Hlavní výhodou SLA je vysoká přesnost a hodí se tak na malé a detailní objekty jako jsou šperky, zubní implantáty a pod. Nevýhodou je finančně náročnější provoz kvůli tomu, že fotopolymery jsou zatím stále vyráběny v menších množstvích, a omezená barevnost dostupných polymerů.
- SLS – Selective Laser Sintering
Technologie SLS je velmi podobná technologii SLA v tom, že i zde je nádoba naplněná stavebním materiálem a ten je paprskem vytvrzován do konečné podoby. V tomto případě se ale používá sypký materiál (tím může být plast, kov, keramika) a laserový paprsek není UV, ale jedná se o vysoce výkonný laser, který zajistí roztavení stavební hmoty. Budování objektu probíhá opět po vrstvách, kdy je nejprve na pracovní plochu rovnoměrně rozprostřen prášek, který je následně laserem taven. V případě této technologie odpadá nutnost budování podpěrných konstrukcí, protože tištěné části jsou zespodu podpírány nevytvrzeným materiálem. Další výhodou je možnost barevné pigmentace práškového materiálu pro stavbu tištěného objektu čímž lze vytvářet plnobarevné objekty.
Výrobek je připraven k použití ihned po dokončení tisku bez nutnosti dalších úprav a nespotřebovaný prášek se opět použije na další tisk, čímž se šetří provozní náklady.
I u technologie SLS je přesnost 0,1 mm, která je navíc doplněna vysokou pevností takto vytvořených dílů a lze je srovnat s výrobky, které byly vytvořeny běžnými postupy jako je odlévání nebo obrábění – na rozdíl od konvenčních postupů lze technologií SLS vytvářet velmi složité struktury.
Nevýhodou jsou, na rozdíl od předchozích dvou technologií, vysoké náklady na pořízení 3D tiskárny s technologií SLS, proto je tato technologie určena zejména do sféry řešení profesionálních prototypů, kde je vyžadována vysoká pevnost a přesnost (např. automobilový nebo letecký průmysl).