Tiskanje predmetov

Ko iz tiskalnika »prileze« predmet namesto papirja, je kot v kakšnem znanstvenofantastičnem filmu. Danes je to mogoče, če se zadovoljimo s plastičnim izdelkom, ki ga na koncu z nožkom še malo obrežemo in obrusimo s finim brusnim papirjem … Kako zahtevno je in koliko stane 3D tiskalnik, če ga izdelamo doma?

Iztiskalnik (angl. extruder) plastične mase oz. polnila

Trirazsežni tiskalniki so računalniško vodene naprave za iztiskanje vroče plastične mase (polnila), ki jo lahko kupimo navito na kolute. Narejeni so iz ogrodja, na katero je vpet mehanizem za premikanje glave za izstiskanje plastične mase v treh razsežnostih in delovne površine, na katero glava v plasteh nanaša plastično maso, pri čemer nastane predmet. Debelina plasti je okoli 0,1 mm, hitrost tiskanja pa do okoli 200 mm na minuto.

V spletu najdemo veliko kompletov za sestavljanje 3D tiskalnika s podrobnimi navodili. Pri večini je nujen tudi nakup nekaterih ključnih mehanskih in električnih komponent, saj ima redko kdo na voljo laboratorija za fino elektroniko in fino mehaniko. Navodila na spletnih straneh so resda zastonj, a če jih želimo prenesti v celoti, denimo v obliki datoteke PDF, se moramo pogosto včlaniti v določene spletne skupine (npr. www.instructables.com). Letna članarina je okoli 50 dolarjev. Na videz povsem zastonjske rešitve tako svojim stvariteljem prinašajo majhen dobiček, s katerim vzdržujejo svoje projekte, tisti z več poslovne sreče pa kar dobro zaslužijo.

Zemeljska obla, izdelana z dvobarvnim 3D tiskalnikom. Plasti nanosov plastične mase so lepo vidne.

Krmilna elektronika

Zadovoljni so tudi trgovci z ljubiteljsko elektroniko; predvsem tisti, ki preprodajajo Arduinove polizdelke. Veliko samogradenj se opira prav na Arduinove elektronske komponente v obliki cenenih, gotovih, miniaturnih tiskanih vezij, s katerimi je mogoče razmeroma enostavno sestaviti krmilnike koračnih motorjev in iztiskalnikov plastike.

Na razpolago je tudi vgrajena, sredinska in odprtokodna aplikacijska programska oprema, ki omogoča dokaj lagodno tiskanje iz PC. Potrebujemo le še nekaj žičnih povezav in »elektronika za telebane« oživi, če ima zagotovljeno električno napajanje. Koračne motorje in Arduinovo instantno elektroniko lahko napajamo iz poceni napajalnika za PC, tipa ATX, pri katerem kratko sklenemo kontakt za vklop na maso in s tem dosežemo, da se napajalnik zažene ob priklopu napajanja.

Doma narejen 3D tiskalnik (iztiskalnik še ni nameščen)

Kljub temu ni ovir, da krmilne elektronike za koračne motorje in vgrajene programske opreme ne bi mogli izdelati samostojno. Vendar bomo porabili veliko več časa, pri čemer končni izdelek ne bo bistveno zmogljivejši. Tudi aplikacijska programska oprema, ki je praviloma odprtokodna in brezplačna, je že prilagojena za »standardne« Arduinove elektronske komponente za samogradnje …

Mehanizem za premikanje glave

Brez natančnih pogonov s koračnimi motorji dober trirazsežni tiskalnik težko izdelamo. Nekatere samogradnje se opirajo na pridobivanje komponent iz stare računalniške elektronike, druge temeljijo na enostavnih mehanskih rešitvah iz nekaj kovinskih letvic, vijačnih gredi in/ali plastičnih, lesenih ali kovinskih palic, povezanih s plastičnimi ali kovinskimi spojniki. Nekateri namesto tega uporabljajo celo leseno ogrodje iz vezanih plošč … Kakorkoli, poglobljeno znanje iz strojništva in izkušnje iz mehanike in lesarstva so pri sestavljanju mehanike 3D tiskalnika več kot dobrodošle, saj moramo pri nekaterih samogradnjah določene dele celo segreti na zahtevano temperaturo, da jih lahko sestavimo.

K sreči lahko veliko pogonskih delov in druge mehanike najdemo tudi na računalniškem odpadu. Projekt EWaste 60$ 3DPrinter (www.instructables.com/id/eWaste-60-3DPrinter) je zanimiv prav zato, ker dokaj izkorišča zavržene računalniške komponente. Koračne motorje najdeno v starih disketnikih ter enotah CD in DVD. Veliko povsem uporabnih naprav vsako leto zavržemo, samo zato, ker se ne potrudimo očistiti optike. Po drugi strani pri 3D tiskalniku ne potrebujemo tako visoke natančnosti kot pri branju plošč CD in DVD. Zato bodo čisto uporabni tudi nekoliko obrabljeni mehanizmi. Vendar potrebujemo vsaj mehanizma dveh enot CD ali DVD in/ali starega disketnika, saj poteka trirazsežno tiskanje po treh oseh in ne samo po dveh, kot branje s plošč CD ali z DVD ali z disket.

Deli DVD, ki jih lahko uporabimo pri gradnji 3D tiskalnika

Za izdelavo ohišja in predvsem povezovalnih elementov 3D tiskalnika pogosto potrebujemo že oblikovane komponente, ki jih lahko izdelamo tudi z delujočim 3D tiskalnikom, računalniško vodenim rezkalnikom ali laserskim rezalnikom kovin; odvisno od tega, katero napravo imamo na razpolago.

RepRap (www.RepRap.org) je raziskovalni projekt, na podlagi katerega je nastalo veliko uspešnih 3D tiskalnikov. Bistvo je zmožnost 3D tiskalnika, da sam izdela povezovalne elemente za svoje »potomce«. Snovalci projekta so zato na spletnih straneh odložili oblikovanje vseh povezovalnih elementov in celo potrebnih zobnikov, ki jih lahko izdelamo z delujočim 3D tiskalnikom.

Tretja možnost je nabava kompleta za sestavljanje, v katerem dobimo že izdelane dele ogrodja in povezovalne elemente. To je navadno najdražja možnost. Kljub temu pa lahko z manjšimi spremembami načrtov ogrodje in večino povezovalnih elementov 3D tiskalnika izdelamo tudi iz lesa in kovine z ročnim orodjem. Res, da bomo potrebovali veliko več časa in zvrhano mero iznajdljivosti, a bo končni izdelek kljub temu deloval, pa še cenejši bo.

3D tiskalnik s kovinskim in plastičnim ogrodjem, ki ga lahko izdelamo z ročnim orodjem.

Iztiskalnik vroče plastične mase

Industrija gumijastih profilov za izstiskalnik gume že dolgo uporablja izraz »ekstrudor« (angl. extruder). Večina enostavnih trirazsežnih tiskalnikov uporablja šobo, skozi katero priteče utekočinjena plastika. Trirazsežni tiskalnik odlaga plastiko v plasteh, pri čemer odlaga plasti drugo na drugo. Iztiskalnik dobi plastiko iz koluta, jo segreje na temperaturo med 200 °C in 300 °C in iztisne skozi šobo. Za natančno tiskanje predmetov sta zelo pomembni natančnost iztiskalnika in kakovost stopljene plastične mase, ki mora omogočati čim natančnejše robove posameznih plasti. Pomembna je tudi barva mase. Ker ima večina 3D tiskalnikov le po eno iztiskalno glavo, ne more kombinirati raznobarvnih plastik, razen če proces tiskanja ustavimo in nadaljujemo s kolutom druge barve. Boljši 3D tiskalniki imajo glavo z dvema šobama. Zelo redki pa so taki s tremi ali več šobami. Pri slednjih gre večinoma za profesionalne izdelke.

Kaj pa kakovost tiskanja? Primeri, ko se avtorji 3D tiskalnikov hvalijo z izdelanimi predmeti zaobljenih oblik, zato navadno niso najboljši pokazatelj kakovosti tiskanja. Nasprotno morajo biti tiskalniki, ki lahko izdelajo dele za svoje »potomce«, vsaj tako natančni, da njihovi nasledniki dosegajo enako kakovost tiskanja.

Iztiskalnik vroče plastične mase deluje pri visokih temperaturah. Zato ne smemo pozabiti na njegovo hlajenje. Skoraj vsi 3D tiskalniki imajo tiskalno glavo z ventilatorjem, ki odvaja vroč zrak in s tem omogoča normalno delovanje krmilne elektromehanike, ki upravlja pretok vroče plastične mase.

Iztiskalnik je edini del 3D tiskalnika, ki ga moramo kupiti ali večinoma sestaviti iz novih delov. Nekatere dele lahko sicer izdelamo z že delujočim 3D tiskalnikom, dele, kot je kovinska šoba za iztiskanje plastike, pa moramo kupiti.

Univerzalna aplikacijska programska oprema

Naloga 3D tiskalnika je natisniti z vektorskim modelom opisani predmet tako, da ga razbije na veliko plasti. Debelina vsake plasti je odvisna od lastnosti plastične mase, ki prihaja iz izstiskalnika. Med najbolj priljubljenimi zastonjskimi odprtokodnimi aplikacijam je tudi Slic3r (www.slic3r.org). Programsko orodje je prilagojeno različnim 3D tiskalnikom, ki jih lahko sestavimo sami. Kljub temu je dovolj, da 32-bitno ali 64-bitno različico orodja iz datoteke *.zip zgolj razširimo v poljuben datotečni imenik in že jo lahko uporabljamo. Med nastavitvami te univerzalne programske opreme za 3D tiskalnike najdemo tudi druge bistvene parametre, kot so: oblika in velikost površine za tiskanje predmetov, največja višina predmeta, premer šobe iztistkalnika, temperatura, pri kateri poteka iztiskanje plastike, število nivojev, debelina posameznega nivoja, hitrost iztiskanja ob robovih in na sredini površin, gostota polnjenih delov …

Programsko orodje Slic3r model razreže na potrebno število rezin, ki jih lahko shranimo v več različnih formatih, kot so: *.SVG, *.GCODE, *.G in drugi. Tako pripravljene podatke lahko neposredno pretvorimo v gibanje mehanizma iztiskalnika, čeprav morda 3D tiskalnik ni neposredno podprt. Bistveno je, da ga znamo umeriti in zagotoviti njegovo natančno delovanje.

Slic3r je sicer zgolj orodje za tiskanje trirazsežnih predmetov. Za njihovo modeliranje potrebujemo orodja za grafično oblikovanje, ki znajo izdelati datoteke *.STL, *.OBJ, *.AMF, … z informacijami za tiskanje s 3D tiskalnikom, ki so večinoma plačljiva ali pa so brezplačne zgolj okrnjene in demonstracijske različice.

Bojazen, da naš operacijski sistem ne bi bil podprt, je odveč. Orodja, kot je Slic3r, temeljijo na odprtokodnih prevajalnikih za C++, ki so na voljo za vse pomembnejše operacijske sisteme, kot so: Windows, Linux Ubuntu in Mac OS X. Bolj in manj profesionalnih alternativ orodju Slic3r je veliko: Cura, Repetier, Netfabb Studio, ReplicatorG, KISSlicer, SuperSkein … Večina je odprtokodnih, nekatere, kot je Netfabb Studio, pa so plačljive, ali pa je zastonj zgolj »oskubljena« različica; denimo pri Repetierju. A ne smemo pozabiti tudi na podprto strojno opremo. Na primer, odprtokodna Cura neposredno podpira povsem druge 3D tiskalnike kot odprtokodni Slic3r ...

3D tiskalnik tipa RepRap z dvema iztiskalnikoma, ki omogoča tiskanje predmetov v dveh različnih barvah.

»Natisnjena« prihodnost?

»Poplava« enobarvnih 3D tiskalnikov za samogradnjo kaže na to, da trenutno na trgu računalniških izdelkov ni velikega povpraševanja po teh izdelkih. Tiskalniki so priljubljeni pri omejenem krogu domačih uporabnikov in raziskovalcev. Za material bomo plačali okoli 100 evrov, vložiti pa bomo morali tudi nekaj dni natančnega dela.

Da bi bili natisnjeni trirazsežni izdelki zares uporabni, bo treba izboljšati natančnost in omogočiti mešanje barv. Trenutno iztiskalniki omogočajo zgolj hkratno rabo kolutov s polnili različnih barv, poljubnega mešanja osnovnih barv pa ne. Zato moramo natisnjene izdelke, če to želimo, ročno pobarvati. Motijo tudi s strani zelo opazne plasti nanosov plastičnega polnila …