Transcription

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNIFakulta pedagogickáKatedra matematiky, fyziky a technické výchovy3D tisknové možnosti ve výuce technických předmětůDiplomová práceBc. Pavel MOCUčitelství Informatiky a Technické výchovy na ZŠAkademický rok 2014 – 2015Vedoucí práce: Mgr. Jan Krotký

Prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatněs použitím uvedené literatury a zdrojů informací.Horní Bříza dne 1. dubna 2015.vlastnoruční podpis

PoděkováníRád bych na tomto místě poděkoval především vedoucímupráce panu Mgr. Janu Krotkému za ochotně věnovaný čas,technickou pomoc, mnohé připomínky a komentáře.Děkuji

Obsah1Cíl práce . 11.1Hypotéza řešení . 12Myšlenka 3D tisku . 33Historie . 543.1Historický vývoj . 53.2Shrnutí vývoje. 7Současné trendy . 84.13D tiskárny na trhu . 84.1.1Tisková plocha . 104.1.2Tloušťka tisku . 104.1.3Průměr trysky . 104.1.4Rychlost tisku . 114.1.5Přesnost tisku . 114.1.6Materiál pro tisk . 114.1.7Podporované formáty pro tisk . 124.1.8Ostatní parametry . 124.1.9Porovnání tiskáren . 134.2Využití v průmyslu . 134.3Vojenské využití . 164.3.1Náhradní díly . 164.3.2Ruční palné zbraně z 3D tiskárny . 174.3.3Technologie MIM . 204.4Využití ve školství . 224.4.1Základní škola I. stupeň . 224.4.2Základní škola II. stupeň . 234.4.3Gymnázia . 254.4.4Střední školy . 264.4.5Vysoké školy . 274.5Další využití . 284.6Modely pro 3D tisk. 294.7Právní aspekty 3D tisku . 30

5Problematika tisku 3D tiskárny CubeX . 325.1Vznik hypotézy . 345.2Vliv teploty okolí na kvalitu tisku. 345.3Řešení . 365.4Technické provedení vyhřívání . 375.4.1Výroba vyhřívání podložky . 375.4.2Nevhodná orientace vyhřívací podložky . 405.4.3Montáž vyhřívací podložky do tiskárny . 435.4.4Nové řešení vyhřívací podložky . 465.55.5.1Výroba regulace . 495.5.2Čidlo měření . 515.5.3Napájení vyhřívání . 545.66Regulace teploty . 48Finální sestavení a odzkoušení . 545.6.1Montáž regulace . 555.6.2Odzkoušení vyhřívání . 56Hypotéza optimální teploty . 606.1Vytvoření zkušebního vzorku pro tisk . 616.1.1Práce s programem 3D modelování . 616.1.2CubeX – 3D Systems . 656.2Ověřování a měření . 676.3Experiment . 686.3.1Hypotéza . 686.3.2Postup při experimentu . 696.3.3Experiment 1 – 35. 706.3.4Experiment 2 – 40. 746.3.5Experiment 3 – 45. 766.3.6Experiment 4 – 50. 786.3.7Experiment 5 – 55. 806.3.8Experiment 6 – 60. 826.3.9Experiment 7 – 65. 846.3.107Experiment 8 – 70 . 86Vyhodnocení experimentů. 877.1Vliv teploty na tisk . 87

7.1.1Vyhodnocení experimentu 1 – 35. 887.1.2Vyhodnocení experimentu 2 – 40. 887.1.3Vyhodnocení experimentu 3 – 45. 897.1.4Vyhodnocení experimentu 4 – 50. 897.1.5Vyhodnocení experimentu 5 – 55. 897.1.6Vyhodnocení experimentu 6 – 60. 907.1.7Vyhodnocení experimentu 7 – 65. 917.1.8Vyhodnocení experimentu 8 – 70. 917.2Vznik nového problému . 917.3Shrnutí . 9287.3.1Přesnost tisku . 927.3.2Zachování rozměrů vzorku . 93Stanovení vhodné teploty . 968.18.1.1Teplota . 978.1.2Fixace tisknutého vzorku. 998.1.3Zpětná vazba v tiskárně . 998.1.4Konstrukce . 1008.29Doporučení . 97Závěrečný pokus . 102Závěr .10610Resumé .10911Summary .110Použité zdroje informací .112Seznam obrázků a tabulek .114Evidenční list .117

Stránka 11 Cíl prácePři tisku na 3D tiskárně s použitím plastu PLA docházelo v některých případechk mírnému pokroucení materiálu, které se navenek projevovalo prohnutím tisknutésoučástky. Toto prohnutí bylo někdy větší a někdy menší. Příčina tohoto jevu jezpůsobena pnutím materiálu při jeho postupném ochlazování. Při tisku součástí,jejichž tvar je nízký, tedy celkový objem materiálu je menší, lze pozorovat celkovémenší pokroucení. V zásadě je při jisté teplotě možno tuto chybu odstranit ručnímdorovnáním materiálu. Nutno ale připomenout, že takové dorovnání není přené anelze jej považovat za profesionální a koncepční řešení.Způsobem řešení výše popsaného jevu se zabývá tato práce. Při hledání řešení senabízelo hned několik více či méně „zcestných“ způsobů řešení. Například celkovévyhřívání prostoru tisku nebo umístění celé tiskárny ve vyhřívaném prostoru. Bohuželvšechny tyto metody přinášejí potřebu ohřívat celou tiskárnu na teplotu v řádechdesítek stupňů. Protože vlastní tiskárna obsahuje elektronické součásti, napájecí zdrojatd., je značné riziko, že bude docházet k přehřívání vlastních součástí tiskárny ak jejímu postupnému poškození. To ani nehovořím o neekonomickém vyhřívánívelkého prostoru.1.1 Hypotéza řešeníZ předcházejícího je patrné, že cesta pro řešení se nabízí ve vyhřívání tiskárny, alenikoliv tiskárny jako celek, ale jen vlastní podložky pro tisk. Díky takovému vyhříváníby docházelo k pozvolnějšímu tuhnutí materiálu po jeho vytlačení z tisknoucí trysky.Následkem toho by docházelo k zanedbatelnému pnutí materiálu, které by se navenek neprojevilo ve změně tvaru tisknutého předmětu.Celou činnost lze rozdělit do tří základních částí, které je zapotřebí postupně vyřešit.1. Hypotéza řešení – vyhřívání podložky 3D tiskárny.2. Technické řešení vyhřívání podložky.3. Regulace teploty se snímáním teploty na podložce.

Stránka 24. Vytvoření hypotéz vhodných teplot podložky.5. Praktické ověření hypotéz.6. Shrnutí hypotéz s praktickým ověřením.7. Výsledné doporučení.

Stránka 32 Myšlenka 3D tiskuPřed mnoha lety neznalo lidstvo ani počítač, natož 3D tiskárnu. Přesto se více či ménědařilo vyrobit mnohé součásti a předměty, které bylo třeba při běžné lidské činnosti.Jak se postupně vyvíjely technologie zpracování materiálů, docházelo k objevovánínových a stále více sofistikovaných způsobů zpracování materiálů. Začaly se objevovatnejen nové technologie opracování materiálů, ale i způsoby jejich vlastní výroby.Přesto lze tvrdit, že lidstvu pořád něco chybí? Všechny známé technologie jsou vázányna výrobní prostory výrobních podniků. Povětšinou se jedná o výrobní stroje většíchrozměrů, které jen obtížně použijeme někde doma či ve škole.Myšlenka dokázat si v domácích podmínkách vyrobit potřebnou součástku se značněsložitým tvarem, se již objevovala v myšlenkách lidí dlouho. Teprve vývoj v několikaposledních letech dává naději k reálnému ztvárnění takových myšlenek.3D tisk je záležitost se kterou si lidstvo pohrává delší dobu, ale k jejímu zvládnutí jezapotřebí překonat mnoho technologických překážek. Otázek při řešení bylo mnoho,ale jako nejschůdnější cesta se jevilo pro vlastní tisk použít plastů.Při pohledu do historie lze snad spatřit s každým vynálezem, který se dal využítdoslova v každé domácnosti, jak se z myšlenky stala realita všedního dne. Jistě by sedalo poukázat na cokoliv, například automobil. Zprvu výkřik techniky, který využívalsamotný vynálezce a následně jen velmi omezená skupina lidí a dnes? Automobil mátakřka každý. Stejně lze poukázat na vývoj počítačů a případně tiskáren. V realitědnešní doby naprosto samozřejmá záležitost. Ne jinak tomu bude i u 3D tisku. Dnesřešíme základní technické nedostatky, do jisté míry je vývoj 3D tisku spojens nadšením jednotlivců, popřípadě menších skupin. Některé jsou financoványz vlastních financí, jiné mají podporu větších firem. Již dnes je mnoho firem, jež siuvědomují budoucí potenciál 3D tisku. Začíná se stále více prosazovat vývoj aobjevování 3D tisku i na úrovni celosvětového bádání. Již dnes je vidět, že se jedná onezadržitelný trend a nejen v oblasti tisku plastů, ale stále více se objevují řešení,nikoliv jen myšlenky, s tiskem kovů. Šlo by tak prakticky vyrábět vše potřebné na

Stránka 4místě určení? Asi ano? Představme si například autoservis, kde potřebujeme velkéskladové prostory na skladování obrovského množství náhradních dílů. Ani snadnemusím nikomu připomínat, jak jednoduché by bylo potřebný díl prostě vytisknout anásledně namontovat. Stejným způsobem by bylo možné postihnout mnohé oblastilidské činnosti od profesionálního využití až po doslova každou domácnost.Skutečné možnosti 3D tisku se nám teprve otevírají a je na lidstvu, jak je uchopí avyužije.

Stránka 53 HistoriePohled do historie 3D tisku není nikterak dávný. Jistě je to historie, ale historie, kteráse vyvíjí několik posledních let. Myšlenka a první spíše nezdařené pokusy je možnénalézt již dříve. Pojďme se podívat na časový pohled vlastního vývoje.Od vynálezu stereolitografie vynálezcem Charlesem Hullem v roce 1984 už siceuplynulo mnoho let, ale lze ji považovat za jeden z prvních pokusů prostorovéhotisku. V samé podstatě se jednalo o inkoustový tisk, který se postupným vrstvenímměnil v prostorový tisk. Z dnešního pohledu je patrné, že toto byl jeden z prvníchpokusů, které však v dnešní době nelze uplatnit. Přesto ukázal směr a předevšímzdůraznil, že myšlenku 3D tisku lze skutečně ztvárnit a nebude se tak pravděpodobnějednat o slepou vývojovou uličku.Dnešní požadavky jsou značně různorodé a lidstvo postupně klade další a dalšípožadavky co by od 3D tisku očekávalo. K tomu si musíme připomenout, že vlastnívývoj 3D tisku je stále na počátku. Ačkoli se to někomu může zdát, že už je všepodstatné vynalezeno, není tomu tak. Jsme teprve na prahu naprosto novýchtechnologií, které teprve budou hledat to správné uplatnění.3.1 Historický vývoj1Rok 1984 – Charles Hull zkoumá v inkoustových tiskárnách fotopolymery, podaří semu objevit určité fyzikální vlastnosti, které dokážou zajistit tuhnutí materiálu připůsobení UV. Tato metoda by se dala přirovnat k dnešní metodě vyplňování zubů uzubařů a jejich následné vytvrzení UV zářením.Rok 1986 – Je to opět Charles Hull, který získává patent na uvedenou metodutuhnoucího inkoustu vystavenému UV zářením. Svoji metodu pojmenováváStereolitografie.1CHLEBO, Martin. Budoucnost materiálů pro 3D tisk [online]. [cit. 2015-03-09]. Dostupné rie-3d-tisku/

Stránka 6Rok 1988 - 3D Systems (firma založená Charlesem Hullem) přináší veřejnosti prvníverzi 3D tiskárny s označením SLA 250. Současně jsou představeny světu dalšítechnologie založené na podobném principu jako stereolitografie, například spékáníkovového prášku pomocí laseru.Rok 1992 – 3D tisk poprvé použit při tisku náhradních dílů v automobilovém aleteckém průmyslu. Ačkoliv nelze z technologického pohledu tento tisk považovat zadostačující, přesto se jedná o značný vývojový mezník.Rok 1999 – Vytvoření části orgánu, jež jsou potažené pacientovými vlastnímibuňkami, způsobuje doslova převrat v medicínském průmyslu a otevírá novémožnosti při transplantaci orgánů.Rok 2002 – Opět v medicíně, ale tentokrát jde o vytištění první funkční ledviny, kteráje následně úspěšně použita při transplantaci pro zvíře.Rok 2005 – Tento rok lze považovat za jistý mezník od kdy lze tvrdit, že nastala 3Drevoluce. Dr. Adrian Bowyer na Univerzitě v Bath zakládá RepRap, open – sourceiniciativu vyrobit 3D tiskárnu, která je schopna replikovat většinu svých součástek atím umožní snížit náklady na výrobu a případnou distribuci. Díky tomuto kroku lzevlastní 3D tiskárnu relativně snadno a rychle postavit kdekoliv na světě.Rok 2008 – Vychází první verze z projektu RepRap, samoreplikační tiskárna Darwin,která je schopná vytisknout většinu vlastních komponentů, vyjma elektronických částía elektrických pohonů. Lidé, kteří vlastní takovou tiskárnu, jsou následně schopnivytisknout další a dále tak šířit 3D tisk. 3D tisk následně proniká do protetiky.„Vytištění“ komplexní protézy nohy skládající se z několika částí nebo části lebky jsoupříklady, jež se stávají realitou. Dále je představen revoluční Connex500 rapidprototyping systém – první systém, který umožňuje výrobu 3D dílů pomocí různýchdruhů materiálů současně!Rok 2009 – Pomocí 3D biotiskárny se společnosti Organovo podaří vytisknoutorganické cévy použitelné při transplantaci pro lidského pacienta. MakerBot,

Stránka 7OpenSource je společnost, která začíná vyrábět DIY díly, ze kterých si domácíuživatelé mohou sami poskládat 3D tiskárnu.Rok 2010 – Společnost Stratasys zavádí novou službu RedEye on Demand, sloužící natisk větších 3D objektů. Stratasys prezentuje první prototyp automobilu Urbee vživotní velikosti. Jeho celá karoserie a všechny externí díly jsou vytištěny.Rok 2011 – Vědci na Cornell University oznámí světu počátek vývoje 3D tiskárny navýrobu jídla. Univerzita Brunel ve spolupráci s Univerzitou Exeter vyrábějí první 3Dtiskárnu na čokoládu. Technici z Univerzity v Southamptonu sestrojili pomocí 3D tiskuprvní bezpilotní letadlo – drona. Výroba trvala 7 dní. Díky této technologii se podařiloznačně snížit celkové náklady na výrobu takového letadla. Vídeňská TechnickáUniverzita prezentuje nejmenší 3D tiskárnu vážící 1,5 kg.Rok 2012 – Lékaři v Nizozemsku si od společnosti LayerWise nechají vytvořit novouspodní čelist pro pacientku, které tuto protetiku následně úspěšně implantují.3.2 Shrnutí vývojePo roce 2003 dochází k objevení nové technologie Polyjet, která pracujes fotopolymerem, který je v tenkých vrstvách nanášen na podložku. Tisknoucí hlavicetaví plast, který je dodáván ze zásobníku. Postupně je plast nanášen ve dvourozměrech a následně po nanesení na celou potřebnou plochu se podložka pohybujev třetím rozměru, kdy se postupně nanese opět další vrstva. Používané materiály protisk se využívají akrylonitrilbutadienstyren (ABS), polylaktid (PLA) či polyethylen(HDPE).Technologie tisku roztaveným plastem je snadno zvládnutelná lze ji snadno aplikovatna malé tiskárny, které najdou uplatnění jak v domácnostech, tak i ve školách.Příkladem takové domácí tiskárny je RepRap, který je vyvíjen mezinárodní DIY/ Makerkomunitou a jeho kompletní návrh je volně k dispozici jako otevřený hardware, kterýtak může použít kdokoliv.

Stránka 84 Současné trendyZa posledních několik let jsme svědky obrovského boomu 3D tiskáren. Jak je jižuvedeno dříve, vše mělo svůj historický vývoj, ale teprve několik posledních letznamenalo doslova revoluci. Využití 3D tisku se nejen rozvíjí technicky, ale hledají serůzné způsoby provedení, velikosti a druhu materiálu použitého pro tisk.Ptáme se jaké použití je vhodné pro 3D tisk? Na tuto otázku lze jistě dle znalostidnešních technologií relativně snadno odpovědět, ale tím hledáme věci známé.Skutečnost je trochu jiná. Jistě na počátku byla myšlenka o vytisknutí si jakéhokolivnáhradního dílu, popřípadě celého zařízení.V tomto ohledu lze jít v zásadě dvěma směry. Jeden je celkem logický, vyrobímepříslušné díly a následně je sestavíme. To je to klasické, co napadne mnohé.Druhý způsob je pro většinu lidí nemyslitelný a zní tak trochu jako z románu JuleseVerna. Jedná o možnost tisku celého zařízení najednou. Veškeré díly jsou tak tištěnyspolečně v jednom systému a po vyjmutí z tiskárny jsou funkční. Máte pocit, že tonejde? Jde, viz následující kapitola.4.1 3D tiskárny na trhuJeště před několika lety nebyl problém se v nabídce tiskáren lehce zorientovat. Zaposledních několik let došlo ke značnému nárůstu této komodity a výrobci sepředhánějí, kdo nabídne tiskárnu s lepšími parametry za výhodnější cenu. Situace nadnešním trhu se tak stává značně nepřehlednou, protože je stále více nabídek.Konstrukce a provedení 3D tiskáren se značně liší, stejně tak se liší jejich schopnosti avýsledná cena. Jedním drobným příkladem je malá domácí tiskárna, která zvládnevytisknout drobnější náhradní díly pro domácnost. Velikost celého zařízení je cca jakostolní PC, který svým designem do jisté míry připomíná. V roce 2014 byla cena tétosestavy něco málo přes 25 000,-Kč.

Stránka 9Obrázek 1 3D tiskárna PP3DPV souvislosti s rozmachem tiskáren na trhu je třeba při jejich výběru vážit mnohoparametrů. Jedná se především o několik základních, které je třeba vážit.V neposledním případě rozhoduje i cena.Parametry: Tisková plocha. Tloušťka tisku. Průměr trysky. Rychlost tisku. Přesnost tisku. Materiál pro tisk. Podporované formáty pro vlastní tisk. Ostatní parametry.

S t r á n k a 104.1.1 Tisková plochaJe velikost, na kterou je schopna tiskárna tisknout. Zpravidla se udává jako plochav mm x mm a výška v mm. Vzhledem k tomu, že se jedná o 3D tisk, je třeba siuvědomit, že tyto rozměry jsou ve třech rozměrech. Některé tiskárny pracují relativněs malou plochou tisku, a to kolem 100mm ve všech směrech, ale jsou i takové, kterédokážou pracovat s rozměry 400 x 400mm a na výšku ještě o něco více okolo 500mm.Z pohledu uživatele se jedná o jednu ze základních informací při výběru. Zpravidla čímvětší prostor pro tisk, tím i vyšší cena. Musíme si dobře rozmyslet, jak velké předmětybudeme tisknout.4.1.2 Tloušťka tiskuJedná se o rozměr v mm. Čím je tato hodnota nižší, tím je výsledný tvar přesnější.Jestliže bude mít tvar tisknutého předmětu značné jemné výstupky, bude jejich tiskpřesnější. Jako příklad lze použít příměr, kdy je zapotřebí vytisknout slabou šupinu.Její síla bude minimálně tak slabá, jak je schopna být nejslabší jedna vrstva tisku.Na vlastní přesnost tisku má vliv ještě jedena záležitost a to přesnost pohonů akonstrukce. Pokud pomineme nekvalitní konstrukci, zbývají pohony. V podstatěkrokový motor má jeden krok odpovídající určité výseči z 360 a tomuto krokuodpovídá délka pohybu dle stoupání závitové tyče. V praxi to znamená, že jeden krommotoru odpovídá přesně konkrétní vzdálenosti. Tuto hodnotu pak musíme považovatjako maximální přesnost.V praxi se nejedná o až tak zásadní údaj, zpravidla tiskneme celé díly, kde jejichdetaily zpravidla nejsou menší, jak nejmenší síla tisku.4.1.3 Průměr tryskyPohybuje se zpravidla od několika desetin mm až po něco málo přesahující rozměr1mm. Opět se jedná o poměrně zásadní údaj. Čím je tryska menšího průměru, tímdokáže tiskárna pracovat přesněji, i když v přesnosti samozřejmě záleží ještě naněkolika dalších důležitých aspektech. Přesto bude-li síla trysky například 1mm, nelze

S t r á n k a 11dosáhnout vyšší přesnosti jak 1mm i při sebedokonalejší konstrukci a přesnostipohonů.Na stranu druhou čím bude menší průměr trysky, tím bude tiskárna tisknoutpomaleji, protože potřebné množství plastu bude protékat pomaleji, tedy menšímprůměrem. Opět záleží, co chceme a s jakou přesností tisknout. Níže je popsán příkladtisku planetové převodovky, v takovém případě potřebujeme sílu trysky v řáduněkolika desetin mm.4.1.4 Rychlost tiskuAspekt, který může být pro někoho zásadní více a pro jiného méně. Záleží především,co vše budeme chtít tisknout a především v jakém množství. Je třeba mít na paměti,že potřebný čas na tisk roste s třetí mocninou. Tiskneme-li objekt, který má třirozměry, tak pokud jej zvětšíme, zvětšují se všechny rozměry. Neplatí, že pokud jejzvětšíme jednou tolik, bude tisknout dvakrát takový čas.Dále na rychlost tisku má vliv přesnost tisku. Obecně platí, že čím větší přesnost, tímtiskneme pomaleji. Je to podobné, jako při tisku fotografie na papír.4.1.5 Přesnost tiskuV zásadě tato problematika již byla zmíněna, v souvislosti s průměrem trysky. Čímvětší přesnost požadujeme, tím bude zapotřebí mít menší průměr trysky a zároveňbudeme tisknout pomaleji.4.1.6 Materiál pro tiskMateriálů pro tisk je celá řada. Předmětem této práce jsou především tiskárnytisknoucí plastem. Nelze opomíjet i možnosti tisku kovu, ale to je ještě máloprobádaná kapitola technologií 3D tisku, především proto, že nejsme schopni zajistittiskem přesnou strukturu materiálu. Složení není problém, ale struktura materiálu sedosahuje vhodným technologickým zpracováním, ale v tiskárně je problém samotnétechnologie tisku kovu a možnost volby tepelného průběhu zpracování nenív současné době možná.

S t r á n k a 12V porovnání s kovy je použití plastů mnohem dále. Různé plasty mají samozřejměrůzné finální vlastnosti. Opět záleží, co od výrobku očekáváme. Asi nejznámějším jePLA A ABS plast, který se snadno taví a v tuhém stavu je značně pružný a pevný.Z těchto důvodů je hojné využití v automobilovém průmyslu, kde se z něho vyrábějínárazníky, nebo například izraelská firma Fobus je používá na výrobu pistolovýchpouzder.Dnešním trendem v materiálech je plast PLA, takzvaně plastové dřevo. Jedná se omateriál vyrobený z kukuřičného škrobu. Díky tomu je ekologický a pokud jejzahrabeme do země, bude cca během několika měsíců rozložen. Pokud jej použijemenapříklad na hrneček, lze jej bez potíží používat na teplé i studené nápoje.4.1.7 Podporované formáty pro tiskPoužívané formáty zpravidla nepředstavují zásadní problém. Především je zapotřebí,aby program, který budeme používat pro vytváření 3D modelů, byl kompatibilní s našítiskárnou. Na druhou stranu to není zásadní podmínka. Je možné vzniklý 3D objektvzít a překonvertovat jej do potřebného formátu.4.1.8 Ostatní

Dále je představen revoluční Connex500 rapid prototyping systém – první systém, který umožňuje výrobu 3D dílů pomocí různých druhů materiálů současně! . Rok 2010 – Společnost Stratasys zavádí novou službu RedEye on Demand, sloužící na tisk vě