Tiskajmo v 3D!

Tridimenzionalno tiskanje se zdi nova čudežna tehnologija, ki bo osvojila in spremenila svet. Vsaj tako pravijo futuristi, ki so že uspešno napovedali leteče avtomobile, holografske zaslone in naravnost v možgane vdelane pametne telefone.

V uredništvu Monitorju imamo radi nemogoče izzive (no, pravzaprav jih ima rad urednik, ki jih uspešno preloži na novopečene člane uredništva), zato smo si ogledali enega cenejših 3D tiskalnikov, ki so trenutno na voljo v Sloveniji. To je model z zvenečim imenom K8200 belgijske znamke Velleman. Pravzaprav za slabih 700 evrov še ne dobimo tiskalnika, temveč »le« sestavljivo opremo (to je primeren izziv za novinca). Sestavljena je iz približno 700 delov in četudi se ne zdi veliko v primerjavi s sestavljankami ali večjimi kompleti lego, je primerno opozoriti tiste, ki jim povzroča težave že sestavljanje manjše omare in potem jadikujejo po spletu, da sestavljanje tiskalnika ni ravno mačji kašelj. A prav uspeh spet malo povrne vero, da smo sami svoje sreče kovač. To je še posebej res, ko med sestavljanjem poklapano ugotovimo, da smo kakih deset korakov nazaj kaj pozabili.

Kako deluje tiskalnik

Tiskalnik K8200 deluje tako, da nalaga tanke plasti materiala drugo na drugo. Plasti izdela tako, da stali »vlakno« iz plastike PLA (polimlečna kislina) oziroma ABS (akrilonitril-butadien-stiren). Naš model uporablja vlakno, debelo 3 mm. S staljenim materialom po vnaprej pripravljenemu programu oblikuje plast, podobno kot slaščičarji delajo umetelne glazure na torti. Vodenje v treh prostorskih oseh je izvedeno s tremi servo motorji, četrti motor pa skrbi za dovajanje vlakna v tiskalno šobo. K8200 je prilagojen za uporabo plastike PLA, za tiskanje z ABS pa so potrebne nekoliko višje temperature tako tiskalne šobe kot tudi delovne mize, zato je bolje poseči po tiskalniku z ogrevano komoro, ki preprečuje sesedanje pri neenakomernem oziroma nenadzorovanem hlajenju.

Temperature šobe in delovne mize v programu Repetier.

Ločljivost tiskalnika K8200 v vodoravni smeri je do 0,5 mm (pri natančnosti premika 0,015 mm), ločljivost v navpični smeri pa je do 0,20–0,25 mm (z natančnostjo pomika 0,0008 mm). Največja velikost predmeta je 20 × 20 × 20 cm, če hočemo tiskati večje, pa je treba končni predmet izdelati iz več delov in spojiti naknadno. Hitrost tiskanja je do 300 mm/s, običajna hitrost pa je 120 mm/s. Natančno vodoravno vodenje mize je izvedeno s krogličnimi vodili, navpični pomik pa z vijačnim gonilom. Tiskano vezje je narejeno na podlagi platforme Sanguino, ki je razširjena inačica platforme Arduino z več priključki in dodatnim pomnilnikom.

Sestavljanje

Navodila za sestavljanje so le v elektronski obliki in obsegajo kar 619 strani formata A4 in so razmeroma podrobna, čeprav se je vanje sem ter tja pretihotapila tudi kakšna napaka. A na srečo je mogoče zaradi obilja slik razbrati morebitne pomote in jih ustrezno popraviti. Sam tiskalnik ni ravno majhen, zato je za sestavljanje pomembna velika delovna površina, še posebej, ker ob tiskalniku in orodju potrebujete tudi prostor za računalnik ali tablico, kjer spremljate elektronska navodila.

Dela je res kar nekaj, a če ste kdaj sestavili kak računalnik in zalotali kak upor, potem vam bo z nekaj potrpežljivosti uspelo sestaviti tudi K8200. Pred sestavljanjem je v škatli nekaj aluminijastih profilov za ogrodje, nekaj plastičnih delov, vijakov in žic ter tiskano vezje. Sestavljanje tiskalnika poteka po korakih, pri čemer je v pomoč, da so sestavni deli za posamezne korake zapakirani v ločene vrečke. Pri sestavljanju je pomembna mirna roka, saj ni prav veliko rezervnih delov. To je še posebej nadležno, če se vam kak vijak odkotali v najtemnejši in najteže dostopen kot.

Površine in mreža 3D modela traktorja.

Proces sestavljanja ni ravno optimiran, to je za maloserijsko proizvodnjo razumljivo. Tako vrstni red sestavljanja dostikrat preskakuje z enega dela tiskalnika na drugega, pri čemer je treba po zraku premetavati ogrodje, ki se z drsečo delovno mizo izkaže za sijajno past za prste. Tudi spajkanje žic precej spominja na sestavljanje računalnikov nekje konec 70. oziroma v začetku 80. let, ko sta bili zvezdi sestavljivih računalnikov v kitu Apple I in pogojno »naša« Galaksija. Na žalost pa so časi pionirstva v tehniki že nekoliko daleč in smo dandanes precej razvajeni s prijetno uporabniško izkušnjo, kar pa spajkanje in vijačenje ni ravno. A tak sestavljiv kit poleg ugodnejše cene omogoča tudi nostalgijo po dobrih starih časih, sestavljavec pa dobi precej podroben vpogled v to, kako sta se s prvimi modeli spopadala Jobs in Wozniak (no, skoraj). Po drugi strani tak sistem kaže na to, da smo s trirazsežnim tiskanjem nekje na začetku poti, kot pri računalnikih v časih sestavljivih kitov. Če bo napredek pri 3D tiskalnikih potekal v približno takem ritmu kot pri računalnikih, lahko nekako čez četrt stoletja pričakujemo zelo udobne modele.

Po sestavljanju in spajkanju je treba opraviti preprosto kalibracijo z določitvijo izhodišča. Pri tem je treba biti pozoren na pravilno nastavitev preklopa mikrostikal, ki omejujejo vodoravno gibanje delovne mize in navpični pomik roke ter odmik šobe od delovne mize. Prav tu se najbolj poznajo pomanjkljivosti sestavljivih rešitev v primerjavi z industrijsko izdelavo, saj so omejevalniki gibanja kar običajni dolgi vijaki, ki pa jih je razmeroma težko zasukati v pravo smer in ustrezno pritrditi. Poleg tega imajo grdo navado, da jih tresljaji pri tiskanju razrahljajo in odvijejo. Za odpravljanje nezaželene zakrivljenost delovne mize pa navodila predvidevajo kar ročno krivljenje v drugo smer. Z nekaj improvizacije je mogoče najti uporabno rešitev, čeprav ostane nekaj grenkega priokusa.

Kako je potekalo sestavljanje

Petek popoldne: prevzem tiskalnika v uredništvu. Za tako razvpito napravo je v precej majhni škatli.

Petek zvečer: urejanje delovnega okolja in brskanje po spletu za navodili. Začetek sestavljanja. Iskanje manjkajočega orodja. Še malo sestavljanja. Spet iskanje orodja. Ugotavljanje, da nimam primernega orodja.

Sobota zjutraj: iskanje orodja v kleti in na drugih skritih in temnih mestih. Nadlegovanje urednika, ali imamo denar za orodje. Nimamo! Poklapan odhod v trgovino po klešče za vzmetne objemke (da, so tudi takšne stvari).

Sobota popoldne: nadaljevanje sestavljanja. Urednik me bodri (seveda, ker orodje plačujem iz svojega žepa).

Dokončan mehanski del, sedaj pa lotanje.

Nedelja: Sestavljanje in lotanje miniaturnega termistorja na delovno ploščo. Večina časa zapravljenega za iskanje miniaturnega termistorja.

Ponedeljek – petek: Priložnostno povezovanje in lotanje kablov. Ugotavljanje, da moji prsti niso za to. Spraševanje o smislu življenja. Bentenje nad ljudmi, ki se pritožujejo nad slabimi navodili za sestavljanje manjše omarice. Poslušanje Lou Reeda in spraševanje, ali je slednje pametno, saj njegove pesmi govorijo o tematiki SM, jaz pa imam v roki spajkalnik.

Mali termistor ob šobi. Seveda ne dela, ker je počil lot.

Sobota dopoldne: ukvarjanje z drugim termistorjem. Sprva gre dobro, saj ga lepo prilotam (hehe, kaj sem se sploh sekiral), nato je treba žički s termistorjem privijačiti na grelni blok. Najprej se odlomi prvi lot, popravim, odlomi se drugi, popravim (OK, bo treba malo potrpeti). Nato moram vrh termistorja poriniti v odprtino. Narejeno, le da lota ne držita več (mamu-ji …). Popravim. Privijem vijak, ki spet zlomi spoj (jeb****). Preverim spajkalnik in ga očistim. Koncentracija. Globok vdih. Privijem. Vse drži (juhuhu, svet je lep). Preveriti je treba upornost. Ni je, kratek stik (zdaj sem Samuel L. Jackson v Šundu: »Pot pravičnega …«). Preverjanje žic, čiščenje lotov. Novo lotanje in vijačenje. Po treh urah termistor pritrjen in delujoč.

Sobota zvečer: prvi priklop tiskalnika na računalnik. Nič. Pretikanje kablov in iskanje idealnega položaja. Še vedno nič. Preverjanje postopka v navodilih. Uporaba drugega računalnika. Nobenih znakov življenja. Raje grem spat.

Nedelja zjutraj: računalnik in tiskalnik se povežeta brez težav. Spet spraševanje o smislu življenja. Program in gonilnik dela kot ur'ca (švicarska). Opravim »kalibracijo.« V narekovajih zato, ker je miza kriva, navodila pa pravijo, da se jo lahko malo po potrebi ukrivi v nasprotni smeri.

Prvi tisk – na koncu celo vse celo deluje.

Nedelja popoldne: tiskalnik deluje. Pošljem veselo novico uredniku. Zdi se neverjetno – vsi loti delujejo. Počutim se kot pravi moški (in to ne v Murkovi izvedbi). Gledam svoje roke in zdi se, da lahko naredim čisto vse na tem svetu.

Programska oprema

Velleman K8200 je združljiv s programsko in strojno-programsko opremo RepRap. Izdelovalec za krmiljenje priporoča prostodostopnI program Repetier (repetier.com). Podobno kot sam tiskalnik tudi program ni ravno vrhunec na področju uporabniške izkušnje, a povsem zadostuje za uporabo. Z njim lahko določamo velikost in lego predmetov, razrežemo model za uporabo v tiskalniku ali neposredno krmilimo motorje in grelnike tiskalne šobe in delovne mize. Razrez trirazsežnega modela po plasteh dopove tiskalniku oziroma njegovemu krmilniku, po kateri poti naj vodi šobo, da bo na koncu izdelana prava oblika našega predmeta. Pri tem mora upoštevati debelino zunanjih sten, kako naj prepleta vlakna in notranjo zgradbo (tiskalnik na primer zna »goljufati« in v notranjosti predmeta v osnovni nastavitvi naredi satovje, s čimer prihrani pri času in materialu).

Razrez se izdela s priloženim programom Slic3r. Načeloma je mogoče tiskati tudi »razrezano« datoteko v formatu gcode z opisom poti šobe, a mora ta biti prilagojena tistemu tiskalniku in materialu. Program Repetier omogočata celo vrsto nastavitev tiskanja, podajanja vlakna ipd., vendar je na spletnih straneh izdelovalca mogoče najti splošne nastavitve, ki zadostujejo za prvo rabo, kasneje pa lahko nastavitve prilagodite svojim potrebam. Časi tiskanja predmetov, še posebej večjih, gredo v ure, zato program hvalevredno izpisuje potreben čas za izpis. Na žalost pa je pri tem precej optimističen.

Podobno kot pri klasičnih tiskalnikih je tudi pri njihovih 3D bratrancih pomembna vsebina. Manj izbirčni lahko hitro posežejo po modelih v spletu. Ena primernejših strani je Thingiverse repository (thingiverse.com), kjer najdemo veliko zanimivih in zastonjskih modelov 3D. Na drugi strani pa lahko 3D modele izdelamo sami s katerim od risalnih programov, kot so na primer zastonjski SketchUp (sketchup.com) in Blender (blender.org), ki sta bolj za umetniške duše, ter OpenSCAD (openscad.org), ki je bolj za inženirsko podkovane. Tretji način za izdelavo modela pa je uporaba spletnih orodij, ki te ustvarijo iz kopice fotografij predmeta (več o tem v okvirju). Ker pa Repetier razume le datoteke v formatu STL, je za pretvorbo 3D modelov med različnimi formati koristno uporabiti prosti MeshLab (meshlab.sourceforge.net). Za drobne korekcije modelov pa je zelo primeren tudi Autodeskov Meshmixer (meshmixer.com).

Velleman K8200

3D tiskalnik za plastiko, v kitu.

Kje: www.conrad.si.

Cena: 699 EUR.

✓    Cena, tiskanje PLA in ABS.

✗    Potrebno sestavljanje, ni preveč zanesljiv.

Praktični preskus

V nasprotju z nekaterimi drugimi 3D tiskarji se mi nismo odločili za tiskanje orožja, temveč smo poskusili nekaj vsakdanjih predmetov iz plastike PLA. Že v navodilih sta omenjena pokrov krmilnika tiskalnika in šoba ventilatorja, kar naj bi skrilo številne kable in naredilo hlajenje tiskalne šobe učinkovitejše, tiskalniku pa dalo bolj profesionalen videz. Nato smo izdelali še nekaj manjših delov, od kipca do kock lego – slednje z namenom preizkusiti, ali je domača tiskarna boljša možnost kot odhod v trgovino.

Zgornja ploskev pokrova (pravzaprav spodnja, saj se je pokrov zaradi nezmožnosti tiskanja močno previsnih delov moral tiskati obrnjen) je bila zaradi stika s podlago razmeroma gladka, stranske površine pa so bile grobe, z vidnimi posameznimi plastmi. Na stranicah je tudi nekaj ostankov vlaken PLA, saj šoba dovoda materiala ne more v hipu popolnoma ustaviti. Pohvaliti pa je treba, da tiskalnik tiska nekoliko naključno in se s tem izogiba deformaciji zaradi enostranskega toplotnega pregrevanja.

Drug izdelek – kipec glave – je bil videti precej bolj dodelan, morda, ker ni imel velikih ravnih površin in vidne plasti niso prišle do izraza. Izdelali smo tudi epruvete za natezni preskus, pri čemer smo uporabili nastavitve za posebej gosto tiskanje. Pri tisku epruvet in kock lego se je pokazala še ena pomanjkljivost – tiskovina se zaradi temperaturnih razlik zvija kar med tiskom, to pa lahko povzroča težave. Prav tako tudi končen izdelek ni povsem raven, kar je še posebej opazno pri podolgovatih izdelkih. S preizkušenim tiskalnikom doma narejene kocke lego tako niso primerne za nadomestilo tistih pravih.

Ko tehnika odpove. Tiskanje lego kock ni najbolje uspelo…

Dobljeni izdelki iz PLA so solidno trdni. Epruvete smo preverili z nateznim strojem. Trdnost predelanega materiala (50 MPa) je le nekaj manjša kot trdnost nepretaljenega, kar pomeni, da tisk ne vpliva pomembno na mehanske lastnosti. Zanimivo, da se PLA ne obnaša nič kaj plastično, saj so se epruvete pretrgale že ob razmeroma majhnih raztezkih. Preverili smo tudi dimenzijsko ustreznost izdelkov – vodoravno je tiskan izdelek prevelik za 0,2 mm na vsakem robu, navpično pa je premajhen za 0,1 mm. To je sicer več kot, naj bi bila natančnost tiskalnika, a je verjetno posledica sesedanja materiala in bi se dalo popraviti z ustreznejšimi nastavitvami.

Med daljšim preizkusom se je pokazalo, da tiskalnik potrebuje veliko pozornosti, saj je pametno preventivno pritrjevati obremenjene vijake. Prav tako je priporočljivo redno preverjati oddaljenost šobe od delovne mize, saj se ta zaradi segrevanja precej zvija tudi med samim tiskom. V nekaterih primerih pa se PLA ni hotel prijemati na podlago. To je povzročilo, da prve plasti niso bile prave oblike, obenem pa je tudi plastika začela drseti po podlagi in to je seveda uničilo izdelek. Na srečo ima tiskalnik Velleman K8200 dobro podporo, saj je na spletni strani izdelovalca mogoče najti vso dokumentacijo, na voljo je uporabniški forum in celo trgovina z nadomestnimi deli. Hitro smo našli dokaj solidno rešitev, za zahtevnejše pa je na voljo cel kup različnih prilagoditev, ki lahko napravo tudi izboljšajo. Nekoliko smo bili razočarani, ker so izboljšave omejene le na 3D tisk, manj pa na morebitno uporabo ogrodja in krmiljenje za izdelavo domače CNC naprave: z zamenjavo tiskalne šobe za manjši vrtalnik z nastavki za vrtanje ali brušenje (po domače: dremlom) hitro dobimo frezo za vrezovanje v les, zanimiv pa bi bil tudi računalniško voden nož za rezanje kartona. Za takšne naprave so že na voljo programi, ki 3D modele spremenijo v navodila za razrez kartona.

Med tiskanjem se v smereh X in Y resnici premika miza in ne glava.

Kako do 3D modela

Za izdelavo modela že obstoječega predmeta ali človeka je v preteklosti veljala le klasična konstrukcijska metoda – v eno roko kljunasto merilo, v drugo svinčnik ali, kasneje, miško in predmet ročno izrisati. Težave pa nastopijo, ko zapletena geometrija predmeta presega naše zmogljivosti ali čas. Zato so v profesionalni rabi že dlje časa ustrezni 3D bralniki, ki z laserskimi žarki premerijo površino predmeta. Vendar so take naprave veliko predrage za ljubiteljsko rabo.

Zato je nekaj izdelovalcev ponudilo svoje programe, ki so z uporabo fotogrametrije sposobni iz nekaj deset fotografij predmeta izdelati ustrezen 3D model. Pri tem se je še posebej izkazal Autodeskov 123D Catch. Njegova raba sicer ni popolnoma preprosta, a solidna mera potrpežljivosti in predvsem vnaprejšnja priprava omogočata zanimive Izdelke. Postopek je razmeroma enostaven – predmet je treba fotografirati iz vseh smeri, priporočeno je, da so fotografije precej pogoste – na 5 do 10 stopinj v eni ali še raje v več ravninah. Sami smo tako izdelali nekaj modelov.

Najprej smo se spopadli s traktorčkom na pedala, ki ima to prednost, da miruje. Nalašč smo uporabili manjši in nekoliko starejši fotoaparat, da bi preskusili, kako zahteven je postopek glede kakovosti fotografij. Te smo naložili v Autodeskov strežnik, predelal jih je in nam vrnil model. Slednjega smo nato izvozili, oziroma nadalje obdelovali v računalniku. Tako dobljen rezultat je bil soliden. Ugotovili smo, da lepljenju slik povzročajo težave temni predeli – slike je pred uporabo pametno obdelati, prav tako zna nagajati nebo.

Podprti s pozitivnimi izkušnjami, smo za naslednji izziv izbrali izdelavo modela glave osebe. Naredili smo približno 40 fotografij in strežnik jih je obdelal. Model glave je za uporabnost zahteval še nekaj ročne dodelave, skrbi so mu povzročali predvsem lasje, kar je zaradi njihove teksture razumljivo. Sledilo je še nekaj dodelave v programih za 3D modeliranje, končni izdelek pa smo natisnili. Res ni ravno Michelangelo, a je bilo precej hitreje in manj naporno.

Autodesk 123D Catch

Program za izdelavo 3D modela iz fotografij.

Kje: 123dapp.com/catch

Cena: Zastonj.

✓    Učinkovitost, enostavnost uporabe.

✗    Tu in tam noče prepoznati starih modelov.

Prihodnost

3D tiskalniki stopajo po klasični tehnološki poti – od zelo razvpite zamisli, ki naj bi malone rešila svet, prek prvih aplikacij – najprej v podjetjih, nato tudi pri zanesenjakih, do široke rabe. Zdaj smo nekje na pol poti, trirazsežne tiskalnike si lahko omislimo tudi doma za ceno, ki jo dosegajo boljši telefoni in računalniki, a njihova raba ni ravno prijazna do uporabnikov. Kljub temu se je treba zavedati, da smo preizkušali sestavljiv kit, ki je bolj kot rednim uporabnikom namenjen zanesenjakom, ki bi radi preizkušali nove tehnologije in pridobivali nove zamisli, še preden pridejo v roke tehnološkim velikanom.

Trirazsežnemu tisku veliko tehnoloških mnenjskih voditeljev napoveduje lepo prihodnost. Čeprav se prihodnost zdi svetla, saj bo izdelava maloserijskih izdelkov mogoča na delovni mizi, pa se pravzaprav zgodovina ponavlja. 3D tiskalniki so podoben tehnološki skok kot šivalni stroji sredi 19. stoletja in običajni tiskalniki v novejši zgodovini. Oboji so omogočili, da s sorazmerno malo znanja (vsaj v primerjavi s šiviljami in tiskarji) lahko pridemo do zadovoljivega končnega izdelka – bodisi obleke bodisi knjige. Čeprav se zdi, da pokrivajo bolj tržne niše, saj obleke večinoma še vedno kupujemo v trgovinah, tisk pa povečini zaupamo tiskarnam, vendarle upamo, da bo razmah 3D tiskalnikov sprožil številne nove zamisli in prinesel vetra v jadra novih podjetij.

»Ločljivost« bi lahko bila boljša, natančnost pa višja, vendar kot igrača zadostuje.

Tiskalnik Welleman K8200 omogoča zelo konkretno spoznavanje z novo tehnologijo. S preizkusom nekaterih modelov uporabnik hitro pride na okus in zamisli se kar vrstijo. Na žalost se mu krepko pozna, da je izdelovalec lovil predvsem nizko ceno in je bil manj osredotočen na zanesljivo in natančno delovanje. Tiskalnik je sila zanimiv za umetniške eksperimente, manj pa za tiskanje nadomestnih delov za kocke lego ali vaš avto. Kljub temu stopicanju v svet 3D tiska pa bo zanimivo videti, ali se bo tehnologiji in tudi cenovni dostopnosti uspelo iz sedanje tehnološke zanimivosti razrasti v široko uporabno tehnologijo. 

3D tiskanje v živo

Kako se tiska s tiskalnikom Velleman, si lahko ogledate v video prispevku, ki smo ga zapekli tudi v novi MonitorTV: www.monitor.sI/3D_tiskalnik