Možnosti použití FFF/FDM 3D tiskáren zrakově postiženými (1. část)

Petr Dušek

Začátkem listopadu 2017 jsem si vyzkoušel první Agoru s workshopem pod názvem Možnosti FFF/FDM 3D tiskáren zrakově postiženými. Abych pravdu řekl, tak značný zájem, tak veliký zápal účastníků mě velmi příjemně překvapil.

Celkem se workshopu zúčastnilo 25 lidí, kteří si mohli na základě získaných poznatků vytvořit závěry o možnostech použití FFF/FDM 3D tiskáren zrakově postiženými. Takové závěry jsou cenné, z části více či méně očekávané a zpětnou vazbou mimo jiné sdělující také to, co by sami uvítali především:

• Využití ve vzdělávání: Se značným ohlasem se setkaly některé modely astronomických či geometrických objektů, které jsem pro ukázku připravil. Nemalé nadšení vzbudil model Sluneční soustavy (Thingverse, Emanuel Wegh (3dmaan)), měsíční krátery (NASA3D, NASA), geometrická tělesa (YouMagine, Whosawhatsis).
• Pomůcky pro zrakově postižené: Někteří si vyzkoušeli jednoduchý stojánek pro „mobilní lupu“ (SilencePlease, Petr Dušek). Náklady na tisk takového stojánku jsou kolem 15 až 30 Kč podle použitého materiálu – zdá se, že je to levnější, než kdybychom stojánek pořídili nějakou tradičnější cestou.
• Informační zdroj s ověřenými podklady pro 3D tisk: Na veřejných úložištích totiž je značné množství 3D modelů rozličné kvality.
• Návrhy 3D modelů: V současnosti existuje nemálo softwarových nástrojů pro tvorbu 3D modelů. Avšak takové programy předpokládají zrakové vnímání – zpravidla se v nich pracuje v režimu WYSIWYG (akronym k „What you see is what you get.“, česky „Co vidíš, to dostaneš.“), kdy uživatel přímo v projekci myší manipuluje s objekty. Jistou nadějí je programování objektů – např. s pomocí nástroje OpenSCAD (v tomto případě by platila věta „Co programuješ, to dostaneš.“). Takové programování přitom není nic vyloženě náročného – lze vytvářet základní objekty a ty například navzájem sčítat nebo odečítat. Jsem přesvědčen, že takový jazyk lze ještě zjednodušit do té úrovně, aby byl rychle použitelný také neprogramátory.
• Možnost vytisknout si nějaký model: Přestože 3D tiskárny jsou pro mnohé cenově dostupné, ne každý to tak vnímá a navíc ne každý si na 3D tisk troufá.
• Lepší zpřístupnění 3D tiskáren: Někteří slabozrací lidé by si na 3D tisk troufli, avšak při používání 3D tiskáren zcela prakticky nevidícími se objevuje množství různých bariér, zejména v ovládání a v zajištění dostatečně kvalitního 3D modelu pro následný tisk.

Všechny uvedené body jsou zajímavými podněty k dalším snahám v oblasti 3D tisku pro zrakově postižené. Osobně pevně věřím v to, že něco z uvedeného se mi do další Agory podaří posunout dopředu.

Workshopy probíhaly v hodinových blocích. O 3D tisku se přitom dá vykládat několik dní. V dalším textu si proto dovolím téma více rozvinout.

3D tisk

3D tiskem realizujeme v uvozovkách „tisk“ trojdimenzionálních (trojrozměrných) objektů ve smyslu rozměrů kartézské soustavy souřadnic. Přitom pojem „tisk“ není přesný – měli bychom hovořit spíše o postupu syntetizace (slučování, uměle vyráběné). Přesnější by bylo hovořit například o 3D aditivní robotizaci, ale „3D tisk“ se mezi lidmi svým přirozeným způsobem vžilo, proto se tomu nevyhýbejme, přestože význam v případě mnoha dalších technik nemusí být správný.

Existují různé technologie 3D tisku. Například FFF (Fused Filament Fabrication) / FDM (Fusing Deposition Modeling), SLA (Stereolitogrpahy apparatus; vytvrzování polymerů pomocí UV), SLS (Selective Laser Sintering), PolyJet, laminování atd. Ceny tiskáren se pohybují od jednotek tisíců po desítky milionů Kč. My se ale nyní soustřeďme pouze na 3D tiskárny, které svou cenovou dostupností se čím dál tím více stávají běžnou součástí domácností – na FFF/FDM 3D tiskárny.

Ony dvě zkratky – FFF (Fused Filament Fabrication) / FDM (Fusing Deposition Modeling) – prakticky znamenají totéž. S tím rozdílem, že FDM je registrovaná ochranná značka firmy Stratasys. Nadále klidně používejme pouze zkratku FFF.

Princip těchto tiskáren spočívá v nanášení roztaveného materiálu po vrstvách o tloušťce zpravidla od několika setin do několika desetin milimetrů.
Výrobců FFF 3D tiskáren je mnoho – jejich přehled lze získat například v ezinu Make.

Seznámení s 3D tiskárnou

Jen jeden účastník workshopu se fyzicky setkal s 3D tiskárnou. Všichni ostatní o něčem takovém pouze slyšeli anebo četli. A proto jsme 3D tiskárny ukázali bez nějakých složitostí, pěkně od základu.

Svou první tiskárnu jsem si roku 2015 pořídil plně zkompletovanou za 25 990 Kč. Druhou ve stavebnicové podobě letos (2017) za 17 091 Kč. V současnosti se soustředím na českého výrobce Prusa Research, jehož 3D tiskárny jsou ve své kategorii celosvětově hodnoceny velmi kladně, navíc se mi zamlouvá česká podpora i pokroky ve vývoji (a musím říci, že též ve smyslu přístupnosti a uživatelské přívětivosti). Až na maličkosti, nemohu příliš vytknout – někdy příliš dlouhá dodací doba, párkrát zmatenější reakce, sporadicky problémy s e-shopem, citlivější zákazník pozná, že Prusa Research je pod tlakem značného množství objednávek (na druhou stranu, nedošlo k případu, kdy by nebylo možné se nějak domluvit).

Základní informace o představovaných 3D tiskárnách:

• model: Original Prusa i3 MK2S (již je dostupný novější model Original Prusa i3 MK3),
• výrobce: Prusa Research, s. r. o.,
• vnější rozměry: 42 × 42 × 38 cm (bez kotouče s materiálem),
• váha: 6,5 kg (bez kotouče s materiálem),
• pracovní prostor: 25 × 21 × 20 cm,
• výška vrstvy: od 0,05 mm,
• průměr trysky: 0,4 mm,
• průměr tiskové struny: 1,75 mm,
• spotřeba (uváděná průměrná; záleží zejména na nastavených teplotách): 70 W (pro PLA), 110 W (pro ABS),
• uváděné podporované materiály: ABS, PLA, PET, HIPS, Ninjaflex, Flex PP, Laywood, Laybrick, Nylon, Bamboofill,
• přednosti:
  • otevřený design,
  • integrovaný LCD,
  • možný tisk z SD karty i z počítače,
  • vyhřívaná podložka s kompenzací chladnějších rohů pro rovnoměrnější chladnutí během tisku,
  • podložka méně náročná na přípravu – beze skla, není nutné používat lepidlo či ABS juice,
  • automatická kalibrace tiskové plochy,
  • automatická kompenzace nepřesně složených tiskových os,
  • možné zapnutí tichého režimu.

FFF 3D tiskárny se v závislosti na výrobci více či méně liší jak technickými vlastnostmi, tak vzhledem. Mnoho účastníků workshopu si původně myslelo, že tiskárna má podobu nějaké skříňky. Neříkám, že některé tiskárny nemají skříňovitý tvar, netýká se to však těch, které jsme si ukazovali.

Nad samotnou 3D tiskárnou je k nosnému rámu uchycena cívka materiálu. Materiál v podobě drátu či vlákna (neboli filamentu) o průměru 1,75 mm se z cívky postupně odmotává s tím, jak si ho pomalu podává tisková hlava.

Do tiskové hlavy tedy vstupuje materiál, který je taven tryskou zpravidla rozžhavenou na 190–250 °C. Tisková hlava se pohybuje v osách X, Z a tavený materiál na podložku nanáší vrstvu za vrstvou. Každá vrstva má výšku podle nastavení, zpravidla od 0,05–0,35 mm.

V ose Y se pohybující podložka je vyhřívanou plochou, na níž se tiskne cílový objekt. Podložka je vyhřívaná, aby na ní objekt byl pevně uchycený, neposouval či nedeformoval se. Teplota podložky se zpravidla nastavuje na 40–100 °C.

Těsně pod úrovní tiskové plochy, v přední části 3D tiskárny, se nalézá ovládací terminál (s LCD a ovládacím tlačítkem), který umožňuje ovládání tiskárny a tisk bez připojeného počítače.
Ovládací terminál je připojen k ovládací jednotce (k níž lze připojit také počítač), která se nalézá na zadní straně nosného rámu.

Na zadní straně nosného rámu, avšak z druhé strany, je umístěn také zdroj (vstupní napětí 90–132 V/ 180–264 V AC dle nastavení přepínače, výkon do 240 W, výstupní napětí 12 V DC (20 A)).

Různé materiály

Existuje značné množství materiálů pro 3D tiskárny, mezi nimiž si můžete vybrat. Mezi rozhodující faktory patří průměr tiskové struny (v případě mé 3D tiskárny nyní používám průměr 1,75 mm, dříve 3 mm), vlastnosti (materiály různě pevné, pružné, tvrdé, barevné, lesklé či matné, pryžové, biokompatibilní atd.) a přirozeně také pořizovací cena. V praxi si člověk zvykne na několik základních a s nimi pracuje. Já nejčastěji pracuji s PLA (Polylactic acid), ABS (Acrylonitrile butadiene styrene), PET (Polyethylene terephthalate), sporadicky XT či Flexfill 98A a výjimečně experimentuji s dalšími materiály. Použití různých materiálů klade různé nároky na teplotu trysky a podložky, rychlost tisku či přípravu podložky. Je nutné zvažovat účel použití – pro potravinářské účely nemohu použít jakýkoliv materiál, v případě hraček bych měl také hledět na míru toxicity, nesmím se divit, když se mi v horkých letních dnech v uzavřeném autě deformuje výtisk z PLA (v uzavřeném autě teplota dosahuje i kolem 70 °C a PLA své mechanické vlastnosti ztrácí již při přibližně 60 °C) atp.

Stručné informace k několika materiálům (s nimiž mám osobní zkušenost):

• PLA (Polylactic acid). Biologicky odbouratelný, velice pevný materiál. Vhodný pro tisk velkých výtisků (díky nízké tepelné roztažnosti), avšak jen do 60 °C. Bez chemického odéru během tisku. Přibližná cena 549 Kč / 1 kg. Tisková teplota 190–250 °C, teplota podložky (pro velké tisky) 40–60 °C.
• ABS (Acrylonitrile butadiene styrene). Pevný a houževnatý materiál s dobrou teplotní stálostí. Velmi dobrý pro tisk mechanických součástek. Výtisky lze vyhladit chemicky. Jsou z něho vyráběny například i LEGO hračky. Mechanické vlastnosti se drží do 80 °C. Přibližná cena 599 Kč / 1 kg. Tisková teplota 220–240 °C, teplota podložky 80–100 °C.
• PET (Polyethylene terephthalate). Velmi pevný a houževnatý materiál s dobrou teplotní stálostí. Během tisku se málo kroutí, proto je skvělý pro tisk také větších objektů. Přibližná cena 599 Kč / 1 kg. Tisková teplota 220–240 °C, teplota podložky 70–100 °C.
• ColorFabb XT. Vyrobeno z Amphora™ 3D Polymeru od Eastman Chemical Company, na bázi copolyesteru. Velmi pevný a houževnatý materiál s dobrou teplotní stálostí. Není příliš náchylný ke kroucení během tisku. Kvalitnější a rychlejší tisk. Přibližná cena 990 Kč / 0,75 kg. Tisková teplota 240–260 °C, teplota podložky 50–70 °C.
• Flexfill 98A. Flexibilní a houževnatý materiál. Vytisknuté objekty se chovají podobně gumě. Během tisku nedochází ke kroucení. Přibližná cena 890 Kč / 0,5 kg. Tisková teplota 200–220 °C, teplota podložky 40–60 °C.
• Corckfill. PLA s příměsí korkového dřeva. Pro efektně vypadající povrch s vizuálním maskováním vrstvení. Během tisku nedochází ke kroucení. Přibližná cena 990 Kč s DPH / 0,6 kg. Tisková teplota 190–210 °C, teplota podložky 50–70 °C.

Možnosti použití FFF/FDM 3D tiskáren zrakově postiženými (2. část)