Úvod do 3D tisku

1 Co je 3D tisk a proč se dnes používá

3D tisk je technologie aditivní výroby, při které vzniká fyzický objekt postupným nanášením materiálu po vrstvách na základě digitálního 3D modelu. Na rozdíl od tradičních metod, jako je frézování nebo soustružení, kde se z polotovaru materiál odebírá, se u 3D tisku materiál přidává jen tam, kde je potřeba. Díky tomu lze vyrábět i tvary, které by byly klasickými metodami složité, drahé nebo prakticky nemožné (Gibson et al., 2021).

Velkou výhodou 3D tisku je schopnost rychle převést nápad do reality. V praxi se často používá iterativní postup: návrh → tisk → test → úprava → další tisk. Takový cyklus je rychlý a levný, takže umožňuje experimentovat, zlepšovat a hledat optimální řešení. Proto se 3D tisk používá v průmyslu (prototypy, přípravky, díly), ve zdravotnictví (modely, pomůcky), v architektuře (modely), ale i ve školách, kde je důležitá jeho didaktická hodnota.

Ve vzdělávání podporuje 3D tisk propojení teorie s praxí: student se učí nejen „mačkat tlačítka“, ale chápat, proč model vychází (nebo nevychází), jak ovlivňuje výsledek materiál, teplota, chlazení, tolerance, a jak navrhnout objekt tak, aby byl vyrobitelný. 3D tisk tím rozvíjí technické myšlení, kreativitu a schopnost řešit problémy (Prusa Research, 2023 (https://help.prusa3d.com)).

2 Základní princip 3D tisku (FDM)

Nejrozšířenější metodou 3D tisku je FDM (Fused Deposition Modeling), někdy také FFF (Fused Filament Fabrication). Princip je jednoduchý: plastový filament (struna) je posouván extruderem do hotendu, kde se zahřeje, změkne až roztaví a je vytlačován tryskou na tiskovou podložku v přesně definované dráze. Tisk probíhá po vrstvách, které na sebe navazují a teplem se spojují (ISO/ASTM, 2021 (https://www.iso.org/standard/74514.html)).

Aby se tisk povedl, musí spolupracovat několik faktorů:

• teplota trysky (materiál musí být dostatečně tekutý, ale ne přepálený),
• teplota podložky (zajišťuje přilnavost první vrstvy a snižuje deformace),
• rychlost a průtok (materiál musí stíhat vytékat v správném množství),
• chlazení (vrstva musí ztuhnout tak, aby unesla další),
• mechanická přesnost (tiskárna musí jezdit přesně a opakovatelně).

FDM tisk je oblíbený díky dostupnosti, jednoduchosti a relativní bezpečnosti, a proto je typickým standardem pro školy. Zároveň je to metoda, na které lze dobře vysvětlit základy výroby: tolerance, pevnost, orientaci dílu, význam první vrstvy, vliv podpěr a podobně (Prusa Research, 2023 (https://help.prusa3d.com)).

3 Od digitálního modelu k výtisku – slicer

Digitální 3D model (nejčastěji STL nebo 3MF) tiskárna sama o sobě „neumí“. Aby tiskárna věděla, kudy jet a jak tisknout, musí model projít softwarem zvaným slicer. Slicer:

1. model načte,
2. rozřeže jej na vrstvy,
3. vytvoří dráhy perimetru (stěn), výplně, podpěr a dalších struktur,
4. vygeneruje G-code – instrukce pro tiskárnu (Simplify3D, 2022 (https://www.simplify3d.com/resources/3d-printing-basics)).

Ve sliceru se upravují vlastnosti tisku, které rozhodují o kvalitě, pevnosti, rychlosti i spolehlivosti. Mezi nejdůležitější patří:

• výška vrstvy (detail × čas),
• počet stěn (perimetrů) (pevnost a vzhled),
• hustota a typ výplně (pevnost, spotřeba materiálu, doba tisku),
• rychlost a zrychlení (kvalita × čas × vibrace),
• teploty trysky/podložky,
• chlazení (ventilátor, jeho síla a strategie),
• podpěry (kde, jak husté, s jakým kontaktem),
• adhesion (skirt/brim/raft – přilnavost a stabilita první vrstvy),
• retrakce (prevence stringování).

Správné nastavení sliceru má zásadní vliv na úspěch. I dokonale navržený model může selhat, pokud je špatně zvolená výška vrstvy, slabé stěny, nedostatečné podpěry nebo nevhodné chlazení (All3DP, 2023 (https://all3dp.com)).

4 Základní části 3D tiskárny

FDM tiskárna je soustava mechanických, elektronických a tepelných částí. Úspěšný tisk není jen o „tavení plastu“, ale o přesné koordinaci pohybu, teplot a dávkování materiálu.

Přehled základních částí tiskárny

Mechanická přesnost (pevný rám, správné napnutí řemenů, hladký chod os) ovlivňuje rozměry, kvalitu stěn i opakovatelnost. Tepelná stabilita (správné měření a regulace teplot) ovlivňuje vzhled, pevnost a riziko problémů jako je stringování či ucpání.

5 Typy konstrukcí 3D tiskáren

Konstrukce tiskárny zásadně ovlivňuje stabilitu, rychlost, hlučnost i kvalitu tisku (Gibson et al., 2021). Nejčastěji se setkáme s dvěma přístupy:

Přehled konstrukčních typů

Bed-slinger je často školní standard: je jednoduchý, dobře vysvětlitelný a levnější. Při vyšších rychlostech ale pohybující se podložka rozkmitá model a může zhoršit kvalitu. CoreXY má výhodu v tom, že podložka se obvykle nehýbe dopředu/dozadu, takže je stabilnější pro rychlejší tisk.

6 Otevřené a uzavřené tiskárny

Otevřené tiskárny jsou běžné a vhodné hlavně pro PLA. Jejich nevýhodou je, že tiskový prostor je ovlivněn okolím: průvan, kolísání teploty, chladná místnost. To může způsobit deformace, odlepování rohů nebo praskání vrstev u citlivějších materiálů (All3DP, 2023 (https://all3dp.com)).

Uzavřené tiskárny (nebo tiskárny v enclosure) udržují stabilnější prostředí. To je důležité hlavně u materiálů jako ASA/ABS/PC, které citlivě reagují na teplotní šok a průvan.

Srovnání otevřených a uzavřených tiskáren

7 Multimateriálový tisk a systémy AMS

Multimateriálový tisk znamená, že v průběhu jednoho tisku tiskárna používá více filamentů. Může jít o:

• více barev (např. nápisy, detaily),
• více materiálů (např. kombinace pevného a pružného),
• podpěry z jiného materiálu (např. rozpustné podpěry).

Systémy typu AMS (Automatic Material System) obvykle pracují tak, že:

1. v jednotce je více cívek,
2. systém vybere filament, který má být aktuálně použit,
3. filament je podáván do extruderu tiskárny,
4. při změně materiálu se předchozí filament stáhne, nový se zavede,
5. tiskárna provede pročištění trysky (purge), aby se odstranily zbytky předchozí barvy/materiálu.

Purging je nutný, protože v hotendu zůstává malé množství roztaveného materiálu. Kdyby se nepročistilo, barvy by se míchaly a přechody by byly špinavé. Důsledkem je však odpadní materiál – často ve formě tzv. purge tower nebo „odpadních výplachů“ mimo model (All3DP, 2023 (https://all3dp.com)).

Multimateriálový tisk je velmi atraktivní, ale přináší i nároky:

• delší čas tisku,
• vyšší spotřeba filamentu,
• větší citlivost na správné vedení filamentu a jeho suchost,
• větší význam kvalitního profilu v sliceru.

8 Materiály pro 3D tisk a jejich vlastnosti

Materiál rozhoduje o tom, zda bude výtisk jen „model na ukázku“, nebo funkční díl. U FDM se nejčastěji pracuje s termoplasty, které mají různou pevnost, houževnatost, teplotní odolnost, pružnost i citlivost na prostředí.

Přehled materiálů

Materiál je potřeba volit podle účelu: pro výuku a rychlé prototypy je ideální PLA, pro funkční díly často PETG, pro venkovní použití ASA, pro pružné díly TPU (All3DP, 2023 (https://all3dp.com)).

9 Bezpečnost a hlučnost

3D tiskárny kombinují vysoké teploty, pohybující se mechaniku a u některých materiálů také výpary a ultrajemné částice. Bezpečnost proto stojí na několika jasných pravidlech.

9.1 Základní bezpečnostní pravidla

• Tiskárna musí stát na stabilním podkladu, ideálně nehořlavém.
• Okolí musí být bez hořlavin (papír, spreje, rozpouštědla).
• Během tisku se nesahá na hotend a podložku.
• Důležitý je dohled – minimálně kontrola první vrstvy a pravidelné kontroly tisku.
• Ve školním prostředí je vhodné vymezit odpovědnost: kdo spouští tisk, kdo jej smí zastavit, kdo řeší závady.

9.2 Výpary a větrání při tisku

Při tisku se mohou uvolňovat:

• VOC (těkavé organické látky),
• UFP (ultrajemné částice),
• pachové složky.

Míra emisí závisí na materiálu, teplotě tisku, kvalitě filamentu a ventilaci (ISO/ASTM, 2021 (https://www.iso.org/standard/74514.html); Prusa Research, 2023 (https://help.prusa3d.com)).

Orientační přehled z hlediska větrání

9.3 Hlučnost a ergonomie provozu

Hlučnost ovlivňuje konstrukce, rychlost tisku a ventilátory. Při vyšších rychlostech roste vibrace, a tím i hluk. V učebně může hluk rušit, proto je dobré tiskárnu umístit mimo klíčový prostor nebo volit rozumné rychlosti.

10 Údržba a servis

Údržba je zásadní pro stabilní tisk i bezpečnost. Většina poruch a problémů v praxi vzniká z drobností: špinavá podložka, uvolněný řemen, prach v extruderu, zanesený ventilátor. Pravidelná údržba zkracuje čas řešení problémů a snižuje počet zkažených tisků (Prusa Research, 2023 (https://help.prusa3d.com)).

10.1 Co se běžně servisuje

Podložka a první vrstva

• čištění (isopropyl, dle typu povrchu),
• kontrola rovinnosti a levelingu,
• stav povrchu (PEI, sklo, fólie).

Mechanika

• napnutí řemenů (posuny vrstev vs. přepnutí motorů),
• dotažení šroubů rámu,
• vůle v ložiscích a kolečkách,
• mazání vedení (podle konstrukce).

Extruze a hotend

• čištění trysky (od zbytků a karbonizace),
• kontrola opotřebení trysky (abrazivní filamenty),
• čištění podávacího kolečka extruderu (prach z filamentu),
• kontrola PTFE/heatbreaku (pokud je relevantní).

Chlazení

• ventilátory (prach, hlučnost, snížený průtok),
• airflow duct (zda není prasklý nebo uvolněný).

Elektronika a kabeláž

• kontrola kabelů v ohybech (lámání),
• konektory (uvolnění),
• senzory (spolehlivost měření).

10.2 Orientační intervaly (školní provoz)

11 Postproces a role 3D tisku ve výrobě

Postproces jsou všechny úpravy po tisku. U FDM je běžné, že výtisk není hotový výrobek „tak jak vyjede“, ale je potřeba jej mechanicky upravit, dopasovat, spojit, nebo esteticky dokončit. Postproces zlepšuje vzhled, přesnost, funkčnost i bezpečnost (Gibson et al., 2021).

11.1 Základní typy postprocesu

A) Mechanický postproces

• odstranění podpěr (kleštičky, štípačky),
• začištění hran (skalpel, odjehlovač),
• broušení (hrubší → jemnější),
• vrtání a dolícování otvorů,
• závitování (nebo vložky),
• lepení a montáž.

Ukázka: Držák na stěnu se vytiskne s podpěrami pod převisem. Po tisku se podpěry odstraní, hrany se začistí, montážní otvory se převrtají na přesný průměr a díl je připraven k použití.

B) Tepelný postproces

• tepelné vložky (heat-set inserts) pro pevný závit,
• opatrné tepelné doladění drobných chloupků,
• tvarování teplem u vybraných aplikací.

Ukázka: V krytu elektroniky se vloží mosazné závitové vložky. Kryt pak lze opakovaně šroubovat bez stržení závitu v plastu.

C) Povrchové úpravy (estetika)

• primer/tmel + broušení,
• lakování, barvení,
• patinování, metalické efekty,
• polepy a popisy.

Ukázka: Výukový model (např. anatomie nebo historický artefakt) se po tisku jemně přebrousí, nastříká primerem, dohladí a nabarví – výsledek je výrazně čitelnější a působí profesionálně.

D) Chemické metody (spíš pokročilé)

• lepení specifickými prostředky,
• vyhlazování u vybraných materiálů (vyžaduje jasná bezpečnostní pravidla).

11.2 Role 3D tisku ve výrobě

3D tisk se často používá jako:

• prototypování (ověření tvaru a funkce),
• přípravky a držáky (zrychlení výroby),
• malosériová výroba (když se nevyplatí forma),
• výukové modely.

Na základě vytištěných modelů lze vyrábět formy (např. silikonové), testovat ergonomii, ověřovat montážní prostor nebo vedení kabeláže (ISO/ASTM, 2021 (https://www.iso.org/standard/74514.html)).

12 Skladování filamentu a vliv vlhkosti

Mnoho filamentů je hygroskopických – nasávají vlhkost ze vzduchu. Vlhkost v materiálu se při tisku mění na páru, což vede k: praskání/pukaní v hotendu, bublinám a pórovitosti, drsnému nebo matnému povrchu, horšímu spojení vrstev, kolísání extruze a vyššímu stringování (Simplify3D, 2022 (https://www.simplify3d.com/resources/3d-printing-basics); Prusa Research, 2023 (https://help.prusa3d.com)).

12.1 Jak se projevuje vlhký filament

Typické příznaky:

• „prská“ v trysce,
• povrch je hrubý, s bublinkami,
• model je křehčí,
• přibývá nitkování (stringů),
• extruze je nepravidelná.

12.2 Náchylnost materiálů na vlhkost

12.3 Správné skladování (praktický postup)

• Filament po tisku vrátit do uzavíratelného sáčku/boxu.
• Přidat silikagel (ideálně regenerovatelný).
• Skladovat mimo slunce, při stabilní teplotě.
• V učebně mít „centrální úložiště“ a pravidlo, že cívka nezůstává volně na tiskárně.

Praktické varianty:

1. ZIP sáček + silikagel,
2. plastový box s těsněním + silikagel,
3. drybox pro tisk přímo z boxu,
4. aktivní sušička.

12.4 Sušení filamentu (orientačně)

Sušení obnoví tiskové vlastnosti. Důležité je držet bezpečnou teplotu a čas.

Orientačně (vždy preferovat doporučení výrobce):

• PLA: cca 40–45 °C několik hodin,
• PETG: cca 50–55 °C několik hodin,
• TPU: často 45–50 °C déle,
• Nylon: vyšší nároky a častěji.

13 Komunita, sdílení znalostí a inovace v 3D tisku

Přestože existují komerční řešení a výrobci poskytují kvalitní návody, 3D tisk je obor, kde mnoho praktických řešení vzniká v komunitě. Komunita doplňuje dokumentaci o konkrétní zkušenosti, testy a „triky“, které pomáhají řešit reálné problémy (Gibson et al., 2021; Prusa Research, 2023 (https://help.prusa3d.com)).

13.1 Co komunita typicky přináší

Řešení problémů a diagnostika

• proč se odlepuje první vrstva,
• proč vzniká stringování,
• jak poznat vlhký filament,
• jak ladit podpěry, bridging a převisy.

Modelování a konstrukční nápady

• print-in-place (pohyblivé modely bez montáže),
• toleranční spoje a západky,
• chytré konstrukce pro minimalizaci podpěr.

Technická řešení

• úpravy chlazení,
• kryty a enclosure,
• držáky cívek, vedení filamentu,
• kalibrační modely.

Zajímavé trendy

• modulární systémy, organizéry,
• STEM projekty (mechanika + elektronika),
• experimenty s pružnými strukturami (mesh) a hybridními přístupy.

13.2 Konkrétní příklady (pro inspiraci)

• Print-in-place: klouby, panty, převody – ukázka tolerance a přesnosti.
• Funkční přípravky: montážní šablony, držáky, dorazy – ukázka využití 3D tisku ve výrobě.
• Vzdělávací modely: anatomie, fyzika, chemie – lepší vizualizace výuky.
• Elektronika: krabičky, držáky senzorů, kanály pro kabeláž – propojení s programováním a robotikou.

13.3 Doporučené komunitní zdroje (celé odkazy v závorkách)

• Printables (https://www.printables.com)
• Thingiverse (https://www.thingiverse.com)
• MyMiniFactory (https://www.myminifactory.com)
• MakerWorld (https://makerworld.com)
• Prusa Knowledge Base (https://help.prusa3d.com)
• Reddit r/3Dprinting (https://www.reddit.com/r/3Dprinting)
• CNC Kitchen (https://www.cnckitchen.com)
• Teaching Tech (https://teachingtechyt.github.io)
• All3DP – návody a průvodci (https://all3dp.com)

Použitá literatura (APA)

All3DP. (2023). 3D printing guides and materials. (https://all3dp.com)

Gibson, I., Rosen, D. W., & Stucker, B. (2021). Additive manufacturing technologies (3rd ed.). Springer. (https://doi.org/10.1007/978-3-030-56127-7)

ISO/ASTM. (2021). ISO/ASTM 52900: Additive manufacturing — General principles — Terminology. (https://www.iso.org/standard/74514.html)

Prusa Research. (2023). Prusa knowledge base & handbook. (https://help.prusa3d.com)

Simplify3D. (2022). 3D printing basics and post-processing / troubleshooting. (https://www.simplify3d.com/resources/3d-printing-basics)