Zkušený strojař, zmlsaný obráběním v tolerancích na úrovni mikrometrů, se snadno rozladí, když je konfrontován se 3D tiskem, u něhož si o takových řádech přesnosti nemůžeme nechat ani zdát. Pro aditivní výrobu hovoří jiné parametry. Každopádně i zde existují uspokojivá řešení.

Produktový list každé seriózní 3D tiskárny uvádí její tiskové rozlišení. Nepoučený uživatel pak toto může mylně vnímat jako „přesnost“, s jakou je dané zařízení schopno produkovat výrobky. Schopnost 3D tiskárny vytvořit v ploše XY vrstvu s určitou mírou detailů, ale nic nevypovídá o tom, jak bude rozměrově přesný celý výrobek a zda je tiskárna schopna dosáhnout totožných výsledků při opakovaném tisku dílů podle stejného zadání.

Co je to vlastně přesnost?

Přesný výrobek je takový, jehož rozměry a povolené odchylky ve všech směrech odpovídají zadání podle konstrukčního návrhu. To ale samo o sobě nestačí, a tak při posuzování přesnosti rozlišujeme následující:

  • rozměrová a geometrická přesnost (accuracy) – jak moc se rozměry a tvary výrobku blíží požadavkům konstrukčního návrhu (podle CAD modelu);
  • opakovatelnost (precision/repeatability) – jak moc se jednotlivé výrobky stejného typu liší jeden od druhého; konzistentní opakovatelnost rozměrů a tvarů výrobku je zásadní mj. u sériově vyráběných produktů;
  • tolerance (tolerance) – přípustná odchylka rozměrů od konstrukčního návrhu, jejíž dodržení je důležité pro správnou funkci dílu, například v rámci zbytku sestavy, do níž součást patří.

Co ovlivňuje přesnost 3D tisku?

Technologií 3D tisku je velké množství, přičemž způsob stavby výrobku se mezi nimi významně liší. Žádná 3D tiskárna není univerzální, a proto se pro různé typy výrobků hodí různé typy 3D tisku, což souvisí právě s přesností, opakovatelností, materiálovými vlastnostmi produktů, a také s ekonomikou veškerého snažení. Do toho navíc vstupuje rozdílná povrchová kvalita, drsnost povrchů, podmínky dodatečného opracování, a také deformace výrobků vlivem jejich vnitřního pnutí, v závislosti na použité technologii a materiálu.

Přesnost sama o sobě proto nemůže být jediným kritériem pro zvažování, zda daný úkol svěřit 3D tiskárně, nebo se raději spolehnout na jinou výrobní technologii, která umožní vejít se do požadovaných tolerancí a zároveň nabídne potřebné mechanické vlastnosti výrobku za přijatelnou cenu.

Které metody 3D tisku jsou nejpřesnější?

Obecně lze konstatovat, že z tradičních způsobů aditivní výroby nejlepší rozměrovou přesnost a nejmenší tolerance nabízejí fotopolymerické metody 3D tisku, jako DLP (digitální projektor) a SLA (laserový paprsek), které výrobky vytvářejí z fotocitlivých umělých pryskyřic. Jejich využití je však limitováno kvůli omezeným vlastnostem používaných materiálů, a proto se hodí jen pro specifické typy výrobků, u kterých hraje hlavní roli jemnost detailů a povrchová kvalita.

Pokud hrají prim mechanické vlastnosti výrobků a opakovatelnost, zde kralují technologie používající práškové termoplastické materiály vytvrzované laserovým paprskem (SLS). Podobné výsledky nabízí technologie binder jetting a MJF, které práškový materiál spojují působením chemických činidel a tepla. V případě tisku z kovových materiálů (SLM, DMLS apod.) je nutno počítat s větším rizikem deformací dílů kvůli vnitřnímu pnutí, které je způsobeno tavením prášku laserem za vysokých teplot.

Nejvíce rozšířené 3D tiskárny typu FFF/FDM, které výrobek tvoří z termoplastických filamentů, dokážou při pečlivém seřízení a zvládnutí tiskového procesu nabídnout slušnou rozměrovou přesnost, ale horší opakovatelnost – napříč jednotlivými tiskovými úlohami i samotnými 3D tiskárnami. Takto vyráběné díly jsou také náchylné na kroucení, problematický je obzvlášť 3D tisk bez vyhřívané komory.

Specifickou kategorií jsou mladé technologie 3D tisku z práškových kovů (vč. filamentů s přídavkem kovového prášku), které pro finalizaci výrobku vyžadují dodatečné slinutí materiálu v sintrovací peci. Výtisky v této kategorii ihned po vytištění vykazují přirozeně velké odchylky od konečných požadovaných rozměrů, neboť kvůli sintrovacímu procesu dochází ke značnému smrštění. Výrobci těchto technologií proto přicházejí s velmi sofistikovanými systémy, které řídí dodatečné smrštění, aby nabídli požadované rozměry a dokonce i vysokou opakovatelnost.

V jakých tolerancích je možné tisknout?

Žádná metoda 3D tisku nedokáže nabídnout takové tolerance, jako přesné CNC obrábění, u kterého je běžně možné pohybovat se v řádech ± 0,01 až ± 0,001 mm. Tuto „nevýhodu“ 3D tisk bohatě kompenzuje mnoha jinými benefity, jen zkrátka nenabízí výrobky zaměnitelné s CNC obráběním.

V případě plastových a zejména kovových výtisků lze kombinovat výhody obou metod – tedy velkou tvarovou svobodu 3D tisku a přesnost CNC obrábění tím, když výrobek zpracujeme hybridně. Tedy vytiskneme požadovaný polotovar s potřebnými přídavky materiálu a ten pak v místech, u nichž záleží na přesných tolerancích, doobrobíme frézováním, vrtáním nebo broušením.

Současné technologie 3D tisku umožňují dosahovat rozměrových tolerancí od ± 0,01 mm (průmyslové SLA stroje), což je hodnota srovnatelná s konvenčním obráběním. Nejpoužívanější metody aditivní výroby pro mechanicky zatěžované díly jsou na tom o něco hůře – SLM ± 0,1 mm, SLS ± 0,3 mm, FDM ± 0,2 až ± 0,5 mm.

U tištěných dílů se můžete setkat také s uváděním tolerancí v procentech, která značí maximální obvyklou odchylku od souvisejícího rozměru objektu. U práškových metod činí tyto odchylky kolem 0,3 % délky, u FDM/FFF může jít o 0,5 % na jednu či druhou stranu. Tento faktor se logicky projevuje tím víc, čím rozměrnější díl je 3D tiskem vyráběn.

Pro dosažení co nejlepších výsledků je potřeba 3D tiskárnu vždy individuálně kalibrovat pro danou tiskovou úlohu, zvlášť u technologií, které nepracují s řízeným prostředím stavební komory. Hodně záleží na celkových rozměrech dílů i na jejich tvarech (například velké rovné plochy s tenkými stěnami budou u 3D tisku kvůli kroucení problematické, ale zrovna to je třeba oblast, ve které může být aditivní výroba zbytečný luxus).

Chopíme-li se 3D tisku jako výrobní metody s vědomím všech výhod i omezení, jež se s aditivními technologiemi pojí, bude užitečným pomocníkem, který dokáže zprostředkovat dříve nemyslitelné inovace. Vhodná kombinace 3D tiskáren a dalších technologií v rámci post-procesingu může nabídnout unikátní vlastnosti výrobků a zároveň se vejít do velmi těsných tolerancí, požadovaných v nejnáročnějších aplikacích.

Lidé z branže se navíc shodují na tom, že při konfrontaci s reálnými možnostmi 3D tisku zákazníci zjišťují, že je jimi původně požadovaná velmi vysoká přesnost dílů často zbytečná a ve skutečnosti si vystačí s mnohem hrubšími tolerancemi nebo drsností povrchu, než jaké původně plánovali.