V této části na­še­ho se­ri­á­lu se po­dí­vej­me na op­ti­ma­li­za­ci kon­struk­ce pro 3D tisk. Po­zor­nost vě­nu­je­me tis­ko­vé tech­no­lo­gii FDM, tedy stav­bě mo­de­lu z plas­to­vé tis­ko­vé stru­ny. Ostat­ní 3D tis­ko­vé po­stu­py zatím vy­pus­tí­me i když mohou mít ob­dob­né vstup­ní pod­mín­ky pro pří­pra­vu 3D mo­de­lu. Jak jsme již uved­li v mi­nu­lém díle na­še­ho se­ri­á­lu, sou­stře­dí­me se při pří­pra­vě mo­de­lů pro 3D tisk pouze na zpra­co­vá­ní vlast­ní uži­va­tel­sky vy­tvá­ře­né ge­o­me­t­rie.

Opus­tí­me stra­te­gii tisku 3D mo­de­lu, který zís­ká­me někde ve formě 3D dat na in­ter­ne­tu a pus­tí­me se do vlast­ní kre­a­tiv­ní tvor­by. Pri­már­ní 3D data mo­de­lu pro 3D tisk mů­že­me vy­tvo­řit tech­nic­ky dvěma zá­klad­ní­mi me­to­da­mi 3D mo­de­lo­vá­ní.

Spojením technik 3D modelování a 3D tisku můžeme realizovat řadu zajímavých projektů

Polygonálně vytvořený model

První me­to­dou je tvor­ba po­ly­go­nál­ní­ho 3D mo­de­lu. Jedná se pře­váž­ně o ge­o­me­t­rii, která vzni­ká vol­ným 3D mo­de­lo­vá­ním a tva­ro­vá­ním ob­jek­tů pře­váž­ně v apli­ka­cích pro mo­de­lo­vá­ní a ani­ma­ci. Tento pří­stup se vy­u­ží­vá pri­már­ně při zpra­co­vá­ní tva­ro­vě slo­ži­těj­ších ob­jek­tů, u kte­rých je kla­den důraz pře­váž­ně na ge­o­me­t­ric­kou pes­t­rost, více než jak na vy­so­ce přes­nou a snad­no mo­di­fi­ko­va­tel­nou kon­strukč­ní ge­o­me­t­rii. Ty­pic­ky se může jed­nat na­pří­klad o mo­de­ly po­stav, vý­tvar­né pod­kla­dy, vý­stu­py z re­verz­ní­ho zpra­co­vá­ní apod.


Při přípravě 3D dat pro 3D tisk můžeme využít řadu postupů a aplikací

Po­ly­go­nál­ní 3D data mohou být také ge­ne­ro­vá­na apli­ka­ce­mi, které vy­tvá­ří 3D ge­o­me­t­rii ze sítě bodů po­ří­ze­ných 3D scan­ne­rem. Z hle­dis­ka zpra­co­vá­ní 3D mo­de­lu se jedná o me­to­dy, se kte­rý­mi v pri­már­ní tech­nic­ké kon­struk­ci pra­cu­je­me na úrov­ni vstup­ních pod­kla­dů a stu­dií. Do­mi­nant­ní ob­las­tí pro na­sa­ze­ní vý­kon­ných 3D scan­ne­rů jsou v prů­mys­lu pře­de­vším srov­ná­va­cí me­to­dy 3D me­t­ro­lo­gie a to­le­ranč­ní ana­lý­zy.

Parametricky vytvářená 3D data

Pro tech­nic­kou kon­struk­ci a pří­pra­vu 3D mo­de­lů jsou vy­u­ží­vá­ny pře­váž­ně me­to­dy pa­ra­me­t­ric­ké­ho mo­de­lo­vá­ní a jeho odno­že. 3D mo­de­ly jsou od po­čát­ku vy­tvá­ře­ny s cílem ná­sled­né tvor­by přes­né vý­rob­ní do­ku­men­ta­ce nebo přímé vý­ro­by na CNC stro­jích, kam lze při­ro­ze­ně za­řa­dit i me­to­dy 3D tisku. Mo­de­ly jsou zpět­ně edi­to­va­tel­né a de­fi­no­va­né po­mo­cí roz­mě­ro­vých a ge­o­me­t­ric­kých vazeb. Ať již bu­de­me kon­stru­o­vat ozu­be­né ko­leč­ko do ná­ram­ko­vých ho­di­nek, nebo celé le­ta­dlo, bude vždy model pod vy­so­kou roz­mě­ro­vou a ge­o­me­t­ric­kou kon­t­ro­lou. Tyto me­to­dy jsou pro pří­pra­vu 3D ge­o­me­t­rie skvě­lé a po jis­tém se­zná­me­ní se s pro­ble­ma­ti­kou pa­ra­me­t­ric­ké­ho na­vr­ho­vá­ní je pří­pra­va vy­so­ce přes­ných zdro­jo­vých 3D dat oprav­du ra­dos­tí. Na­o­pak tyto me­to­dy mo­de­lo­vá­ní nejsou pří­liš vhod­né na­pří­klad pro zpra­co­vá­ní ge­o­me­t­rie po­stav a pří­rod­ních ob­jek­tů.

Konstrukční přístup tvorby parametrického 3D modelu ve výuce s využitím PLM software

Po­stup při tvor­bě 3D mo­de­lů je vhod­né tedy pře­dem zvá­žit. V našem se­ri­á­lu se sou­stře­dí­me pře­de­vším na pří­pra­vu tech­nic­kých pro­jek­tů a díky tomu bu­de­me vy­u­ží­vat vý­hrad­ně metod pa­ra­me­t­ric­ké­ho mo­de­lo­vá­ní. V ně­kte­rých prů­mys­lo­vých da­tech lze pra­co­vat i s tzv. hyb­rid­ní­mi mo­de­ly, které kom­bi­nu­jí po­ly­go­nál­ní a pa­ra­me­t­ric­kou 3D ge­o­me­t­rii. Lze tak na­pří­klad spo­jit ge­o­me­t­rii 3D po­ly­go­nál­ních mo­de­lů vy­tvo­ře­ných v soft­ware pro 3D scan­ner s doplňkovou ge­o­me­t­rií zpra­co­va­nou pa­ra­me­t­ric­ky.

Parametrický 3D model oceníme především v přesné technické konstrukci s následnou výrobou

Hra­ni­ci, kdy a jakou me­to­du po­u­žít si musí uži­va­tel zvo­lit sám. Obec­ně lze nejen za­čí­na­jí­cím tis­ka­řům do­po­ru­čit jed­no­du­ché pra­vi­dlo. Pokud je možné vy­tvo­řit model přímo pa­ra­me­t­ric­ky v na­tiv­ních da­tech jedná se vždy o tu lepší cestu. Často je tento po­stup vý­raz­ně přes­něj­ší a jed­no­duš­ší než hyb­rid­ní mixy 3D dat. Sa­mo­zřej­mě tuto me­to­du ne­zvo­lí­me na­pří­klad při re­kon­struk­ci his­to­ric­ké sochy, kde se bez 3D dat ze scan­ne­ru ne­o­be­jde­me.

Od nápadu k 3D modelu, výkresové dokumentaci a výrobě je díky 3D tisku krůček

Složité součásti nebo sestavy

Dal­ším kro­kem ve tvor­bě tech­nic­ké­ho pro­jek­tu re­a­li­zo­va­né­ho s vy­u­ži­tím 3D tisku je op­ti­mál­ní roz­lo­že­ní kon­struk­ce vý­rob­ku. Dů­le­ži­tou fází při kon­struk­ci vý­rob­ku je jeho roz­dě­le­ní na sou­čás­ti, pod­se­sta­vy a se­sta­vy. Velmi pří­jem­nou vlast­nos­tí 3D tisku, FDM me­to­du ne­vy­jí­ma­je, je vy­so­ká přes­nost vý­rob­ku. Při kon­struk­ci jed­not­li­vých sou­čás­tí mů­že­me běžně po­čí­tat s přes­nos­tí v de­se­ti­nách mi­li­me­t­rů. Pokud jsou FDM vý­rob­ky do sebe pa­so­vá­ny kon­strukč­ně „nula na nulu“, jsou mo­de­ly do sebe za­sou­vá­ny s mi­ni­mál­ní vůlí, čas­tě­ji ovšem s malým pře­sa­hem způ­so­be­ným leh­kým pře­sa­ze­ním jed­not­li­vých tis­ko­vých vrs­tev. Při kon­struk­ci mo­de­ly tedy ne­pra­cu­je­me s vý­raz­ný­mi pře­sa­hy, nebo vů­le­mi, pokud to není ne­zbyt­ně nutné.

Základem práce na projektech pro 3D tisk je parametrické konstrukční řešení v sestavách

Z výše uve­de­né­ho dů­vo­du je vhod­něj­ší volit stra­te­gii pří­pra­vy sou­čás­tí slo­že­ných z více seg­men­tů. Od­mě­nou za tento pří­stup je vyšší sta­bi­li­ta a přes­nost mo­de­lu pří vý­ro­bě, snad­něj­ší vý­mě­na po­ško­ze­ných částí mo­de­lu a menší ztrá­ty v pří­pa­dě, že „tisk ne­do­pad­ne“ jak bychom si před­sta­vo­va­li. Roz­dě­le­ním mo­de­lu na více částí zís­ká­me i mož­nost vý­ro­by na tis­kár­ně s men­ším tis­ko­vým ob­je­mem, nebo mož­nost ba­rev­ných kom­bi­na­cí mo­de­lu, niž­ších tva­ro­vých de­for­ma­cí apod. Z vlast­ní zku­še­nos­ti, je seg­men­ta­ce mo­de­lu skvě­lou mož­nos­tí rych­lých a méně ná­roč­ných oprav.

Ideálním konstrukčním řešením pro 3D tisk jsou vhodně navržené součásti a podsestavy

Jak modely spojovat?

Zde je pra­vi­dlo jed­no­du­ché. I když se jedná o kon­strukč­ně prac­něj­ší ře­še­ní, je vždy lepší volit ro­ze­bí­ra­tel­né spoje. V na­šich pro­jek­tech jsme si ob­lí­bi­li asi nej­víc kla­sic­ké me­t­ric­ké šrou­by s vál­co­vou hla­vou (tzv. im­bu­sá­ky). Jsou na trhu do­stup­né za re­la­tiv­ně ro­zum­nou cenu v růz­ných ma­te­ri­á­lo­vých va­ri­an­tách od roz­mě­ru M1 a výše. Me­t­ric­ké šrou­by lze do ně­kte­rých plas­tů např. PET-G šrou­bo­vat přímo, ale vždy po­ma­lý­mi otáč­ka­mi s pře­stáv­kou na vy­chlad­nu­tí šrou­bu.

Tech­nic­ky to ovšem není moc ide­ál­ní ře­še­ní, lepší je po­u­žít na­pří­klad slot s ma­ti­cí. Takto vy­tvo­ře­ný spoj je oprav­du vůči vlast­ní­mu mo­de­lu „ne­smr­tel­ný“. Li­so­va­cí ma­ti­ce a vlož­ky nejsou do 3D tiš­tě­ných sou­čás­tí pří­liš vhod­né. Mu­sí­me si uvě­do­mit, že se u 3D FDM tisku ne­jed­ná vět­ši­nou o ho­mo­gen­ní kon­struk­ci, ale o sko­ře­pi­nu s tva­ro­vou vý­ztu­ží, která se ja­kým­ko­liv de­for­mač­ním li­so­vá­ním zbor­tí a vrst­vy se roz­tr­ha­jí. Stej­ně tak není vhod­né vy­u­ží­vat do­da­teč­né­ho ře­zá­ní zá­vi­tu zá­vit­ní­kem.

Spojení 3D tisku s PLM návrhovými aplikacemi vytváří ideální kreativní nástroj a rychlou cestu k prototypu, případně menším sériím výrobků

Le­pe­ní sou­čás­tí vy­ro­be­ných s vy­u­ži­tím 3D tisku je ka­pi­to­lou samu pro sebe, která sebou při­ná­ší ty­pic­ké i méně ty­pic­ké pro­blémy le­pe­ní plas­tů. Jed­no­du­ché do­po­ru­če­ní je, této ope­ra­ci se ma­xi­mál­ně v kon­strukč­ních pro­jek­tech vy­hnout, pokud to je možné. Pokud to možné není je jis­tým nej­do­stup­něj­ším ře­še­ní pro ně­kte­ré plas­ty pře­váž­ně střed­ně husté až husté mo­de­lář­ské sekun­do­vé le­pi­dlo v kom­bi­na­ci s ak­ti­vá­to­ry. Ale mu­sí­me po­čí­tat s tím, že je spoj pevný pouze za ur­či­tých pod­mí­nek a vhod­ný pouze pro ně­kte­ré ma­te­ri­á­ly.

Jaké materiály pro projekty použít?

V této ob­las­ti se sou­stře­dí­me pouze na do­po­ru­če­ní. Každý 3D tis­kař má své fa­vo­ri­ty. O vhod­ných ma­te­ri­á­lech pro 3D tisk mů­že­me dis­ku­to­vat do ne­ko­neč­na. Vy­jdě­me proto pouze z na­šich zku­še­nos­tí s de­sít­ka­mi pro­jek­tů s běž­ný­mi po­ža­dav­ky. Pro kon­struk­ci máme nej­rad­ši PET-G pro vět­ši­nu sou­čás­tí mo­de­lů. Tento ma­te­ri­ál je velmi dobře tisk­nu­tel­ný, dobře drží na pod­lož­ce i když občas strin­gu­je. Obec­ně je ale jeho vý­ho­dou po­měr­ně sluš­ná te­pel­ná odol­nost pro běžné po­u­ži­tí a dobrá hou­žev­na­tost. Při hrub­ším za­chá­ze­ní hned ne­prask­ne a snese i re­la­tiv­ně vy­so­ké za­tí­že­ní.

Typické spojení materiálů v našich 3D projektech, PET-G na součásti sestavy, TPU na deformační zóny, tlumiče rázů, pneumatiky a nylon na ozubená kolečka převodovky

Pokud po­tře­bu­je­me ně­ja­ké pruž­né a fle­xi­bil­ní díly, na­pří­klad de­for­mač­ní seg­men­ty, pne­u­ma­ti­ky na mo­de­ly apod., je ide­ál­ním ma­te­ri­á­lem TPU o tvr­dos­ti od 85 SH. Tento ma­te­ri­ál sice lehce na hlad­kém po­vrchu klou­že, ale z hle­dis­ka ži­vot­nos­ti a otě­ruvzdor­nos­ti se jedná v ob­las­ti 3D tisku oprav­du o „držák“. Ne­vý­ho­dou flexu je jeho silné při­chy­ce­ní k pod­lož­ce, do­po­ru­ču­je­me apli­ko­vat 3D lak a po­ma­lý tisk.

Po­sled­ní do­po­ru­če­ní je pro vy­so­ce na­má­ha­né sou­čás­ti otě­rem jako jsou ozu­be­ná kola a kluzná lo­žis­ka. Tady v této ob­las­ti exis­tu­ji spe­ci­ál­ní i když po­měr­ně ná­klad­né ma­te­ri­á­ly také pro FDM tisk. Dobré zku­še­nos­ti a vý­sled­ky máme v této méně za­tí­že­ním ex­po­no­va­né ob­las­ti pře­de­vším s ma­te­ri­á­ly na bázi ny­lo­nu. Vy­ža­du­je při tisku ale po­měr­ně spe­ci­fic­ký pří­stup a sušit, sušit, sušit.
Na další za­jí­ma­vé pro­jek­ty s 3D tis­kem se mů­že­te po­dí­vat na www.spszr.cz.