3D tisk modelů z běžného kancelářského papíru A4

Tags: 3D tisk | Matrix | Mcor Technologies

Technologie 3D tisku, používající papír jako stavební materiál, není nijak nová. Už v počátku vývoje nových aditivních technologií byla snaha najít vstupní materiál pro tvorbu 3D objektů, který by byl běžně dostupný, a tím i levný. Samotný princip aditivních technologií, kdy je 3D objekt tvořen jednotlivými vrstvami stejné tloušťky, pomohl tvůrcům využít tloušťku papíru jako přirozený základ pro definování jedné vrstvy. Na tomto principu vznikla i technologie LOM (Laminated Object Manufacturing), která byla vyvinuta americkou firmou Helisys již v roce 1988. Stavebním materiálem byl speciální papír, napuštěný zpevňující hmotou.

Materiál byl navinutý na rolích, ze kterých se postupně odvíjel a v prostoru pracovní plochy se CO2 laserem vrstvu po vrstvě vyřízl obrys jednotlivých vrstev modelu. Přebytečný materiál se rozřezal na čtverečky pro pozdější snadné odstranění tohoto zbytkového materiálu.

Každá vrstva byla slepena k předcházející vrstvě za působení tlaku odvalujícího se vyhřívaného válce. Takto vytvořený model měl podobné vlastnosti jako model dřevěný. Technologie LOM našla uplatnění ve slévárenství nebo například v sochařství pro tvorbu velmi rozměrných modelů. Nevýhodou této technologie je vyšší cena speciálního papíru a velké množství odpadního, zbytkového materiálu v závislosti na velikosti modelu (čím menší model, tím větší odpad).

Vzkříšení staré myšlenky

V roce 2005 se vrátili k původní myšlence bratři MacCormackové z Irska. Znovu se rozhodli využít papír pro 3D tisk, zjednodušit celý proces, ale hlavně snížit cenu vstupního stavebního materiálu. Tak vznikla irská společnost Mcor Technologies, která se zaměřila na vývoj 3D tiskárny, která by umožňovala tisknout levně 3D objekty z papíru.

V roce 2011 bylo představeno zařízení Matrix 300, které využívalo pro 3D tisk zcela běžný kancelářský papír A4. Převratným řešením bylo použití běžného kancelářského papíru pro 3D tisk v gramáži 80 g/m2 nebo 160 g/m². Dosáhlo se tak podstatného snížení vstupních nákladů na 3D tisk.

V této technologii 3D tisku se jednotlivé kontury vrstev vyřezávají velmi kvalitním nožem na bázi karbidu wolframu. Nůž dokáže vyřezat i velmi jemné kontury v rozlišení až 0,05 mm. Tvarová přesnost vytvářeného modelu je také dána vrstvením, a tedy tloušťkou jednotlivých vrstev, 0,1 mm pro papír 80 g/m² nebo 0,2 mm pro papír 160 g/m². Volba vrstvení pro stavbu modelu je vždy rozhodnutím mezi požadavkem na tvarovou přesnost nebo rychlost stavby modelu. Pro mnoho aplikací je efektivní volba klasického papíru s gramáží 80 g/m², který je v běžném tisku v kanceláři nejpoužívanější a také nejlevnější. Pro dvojnásobné zrychlení 3D tisku lze využít gramáže papíru 160 g/m².

Barevné provedení modelů

Barevnosti modelů lze dosáhnou velmi jednoduše, prostým použitím různobarevných papírů nebo jejich kombinací. Unikátním řešením je ale možnost tisku plně barevných modelů s vysokou věrností dosažení barev (>1 milión barev, CMYK) a rozlišení tisku až 5760 dpi. S touto možností se samozřejmě otevírají další možnosti aplikací, kde je rychlost 3D tisku a barevnost vytištěných modelů výhodou nebo nezbytností.

Data pro tisk

Celý proces zpracování dat pro 3D tisk je obdobný procesu používanému u všech aditivních technologií. Základním zdrojem je 3D počítačový CAD model v jeho digitální podobě ve formátu STL, OBJ nebo VRML. Pro barevný 3D tisk je nutné, aby i zdrojová data obsahovala informaci o barevnosti modelu. Tato data se zpracovávají dále v softwaru SliceIT, který je příslušenstvím 3D tiskárny. Model se rozdělí vertikálně na jednotlivé vrstvy, tloušťka vrstev odpovídá rozměrově vrstvě použitého papíru. V jednotlivých vrstvách se vygenerují kontury, které reprezentují dráhu pohybu nože. Mimo tyto kontury se vygenerují řezné dráhy, které nařežou zbytkový materiál mimo oblast modelu na malé čtverečky. Tento zbytkový materiál slouží během procesu stavby jako přirozená podpora pro oblasti modelu, kde jsou jednotlivé kontury v převisu a které je nutné během stavby podepřít. Zbytkový materiál v podobě malých čtverečků je pak snadné z vytištěného odstranit a vyjmout hotový 3D model. Jednotlivé vrstvy jsou vzájemně slepeny lepidlem, které se během stavby velmi rychle nanáší tryskou na každou vrstvu papíru a po mechanickém přitlačení ve vertikálním směru k předcházející vrstvě dochází k dokonalému slepení.

Tiskárny v nabídce

V současné době jsou nabízeny dva typy 3D tiskáren. MATRIX 300+ je určen pro 3D tisk papírových modelů z běžného bílého nebo barevného kancelářského papíru. Pro tisk plně barevných modelů je určeno druhé z nabízených zařízení Mcor IRIS. Toto zařízení je vybaveno speciální inkoustovou tiskárnou s vysokým rozlišením tisku. Během přípravy dat pro 3D tisk se vygenerují oblasti, které je nutné potisknout. Celý proces 3D tisku začíná barevným potiskem všech vrstev budoucího modelu a pokračuje už standardním procesem jako u 3D tiskárny MATRIX 300+.

Možnosti použití

Zařízení najdou využití v mnoha aplikacích, kde je možné využít vlastností papíru pro stavbu modelů nebo kde je to i předností. Možnost vytvářet plně barevné modely rozšiřuje tyto aplikace do oblastí 3D tisku architektonických modelů, barevných 3D map, výtvarných návrhů, designu. Papírové modely naleznou možné uplatnění v medicíně, dentální praxi nebo při 3D tisku slévárenských modelů pro pískové nebo přesné lití, kde bude výhodou pevnost modelu srovnatelná s dřevěným modelem, nebo pro přesné lití spalitelného modelu. Velký význam mají tato zařízení pro využití v oblasti vzdělávání, kde velmi nízká cena modelovacího materiálu je podstatným parametrem pro širší využití.