14 - GRAFI ČAR 3D-tisk Simona PEROVŠEK, Andrej ISKRA, Helena GABRIJEL ČI Č TOMC Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta Namen članka je predstavitev postopka izdelave izdelka, od na črtovanja, postopka priprave prek 3D-modeliranja, op ti miza- cije do 3D- ti ska in primerjave rezultatov ve čfunkcionalnega unikatnega objekta, na ti snjenega z dvema tehnologijama. Na- črtovali in oblikovali smo vazo, ki ima poleg osnovne funkcije dodatno možnost upora- be dišav v obliki diše čih kroglic za prostor. Vaza je bila na ti snjena s tehnologijama 3DP (kaplji čno-prašno ciljno nalaganje) in FDM (termoplasi čna ekstruzija). Priprava za 3D- ti sk in 3D-modeliranje Priprava za 3D- ti sk je vklju čevala pro- storo čni izris skice modela ve čfunkcional- ne vaze in 3D-modeliranje. Ra čunalniško podprto 3D-modeliranje je proces, pri ka- terem uporabnik z grafi čnim vmesnikom zmodelira predmet v treh dimenzijah, re- zultat pa so geometri čna telesa v prosto- ru, ki so obi čajno prikazana na ploskem mediju. Ra čunalnik izra čuna geometri čne prostorske modele s pomo čjo kompleksnih ZPrinter 450 BFB – RapMan 3.1 3DP – kaplji čno-prašno nalaganje Tehnologija FDM – termoplas ti čna ekstruzija 30.000 Cena (EUR) 1.000 Visokokakovostni prah, materiali za neposredno litje, materiali za litje, elastomerni materiali Materiali ABS, PP , PLA, HDPE, UPVC 0,089 - 0,203 Debelina plas ti (mm) 0,125 - 0,5 300 × 450 Resolucija ti skanja (dpi) 200 × 200 Ne potrebuje Podporni material da 203 × 254 × 203 mm Delovna površina (mm) 190 × 205 × 200 mm Hitrost, natan čnost, visoka lo čljivost, barvni 3D- ti skalnik, ni odpadkov + Cena, prilagodljivost, širok izbor materialov Cena - Manjše dimenzije, po časnost, slabša natan čnost Nova platforma Fiery za digitalne tiskarske sisteme Proizvajalec sodobne programske in strojne grafi čne opreme EFI je predstavil novo platformo Fiery za upra- vljanje sistemov digitalnega tiska s pole. Uporabniški vmesnik FS150 Pro DFE omogo ča integracijo v MIS- in ERP-sisteme. S štiriprocesno osnovo aktualna razli čica rastrsko proce- snega modula Fiery Hyper RIP obdeluje podatke znatno hitreje. Nova tehnološka osnova upravljalnika delovnih nalogov FS150 Pro pa sistemu Fiery-DFE zagotavlja učinkovitejšo produkcijo na splošno. Vmesnik Fiery FS150 Pro DFE uporabnikom omogo ča uporabo razli čnih funkcij obdelave, kot smo jih vajeni iz prejšnjih razli čic. Dodane pa so nekatere nove, kot je funkcija Greyscale Composite Overprint, ki zagotavlja ko- rektno upodobitev senc, prosojnih in prekrivajo čih slojev predlog za črno-beli tisk. Fiery Image Viewer, orodje za upravljanje barvnih iz- vle čkov, omogo ča barvno upravljanje barvnih tonov v zadnjem hipu pred tiskom. Vmesnik Fiery FS 150 Pro DFE je možno integrirati v sistem Fiery Command Work Station, kar uporabnikom prinaša dodatne funkcije samodejnega nadzora in upra- vljanja nalogov. Delovni procesi so tako strežniško sa- modejno vodeni, upravlja pa jih lahko poljubno število administratorjev. Ve č informacij na www.efi .com. Nova razli čica platforme Fiery za upravljanje digitalnih tiskarskih sistemov rezanega papirja. 3D-tehnologije so danes v izjemnem vzponu, njihova uporaba pa se iz zapr ti h inženir- skih krogov širi na vsa podro čja človekovega udejstvovanja. Prisotne so na veliko po- dročjih človekovega delovanja, ustvarjanja in komuniciranja ter nas iz dneva v dan presene čajo in boga ti jo s svojimi neomejenimi možnostmi. Delimo jih na programsko (3D-mo- delirniki in drugi 3D-grafi čni programi) in strojno opremo (3D-skenerji in 3D- ti skalniki). Njihov na- men je izboljša ti komunikacijo med subjek ti in vizualno predstavo o kakem procesu ali objektu (1) . Preglednica 1: Specifi kacije 3D- ti skalnikov ZPrinter 450 in RapMan 3.1. GRAFIČAR - 15 TEHNOLOGIJA Slika 2: Razprava udeležencev. prostorskih operacij, upodobljevalni pogon pa na podlagi osvetljevalnih sistemov, te- kstur, materialov, algoritmov za sen čenje in nastavitev virtualne kamere upodobi oz. izriše kon čno podobo 3D-objekta (2) . Na splošno lahko tehnike 3D-modeliranja površin (angl. surface modeling) delimo na poligonsko modeliranje ali modeliranje s krivuljami (angl. spline, patches, NURBS). Model smo v našem primeru pripravili v programu Rhinoceros (h tt p://www.rhi- no3d.com/). To je samostojni programski paket, ki je bil prvotno razvit za oblikova- nje plovil, torej predvsem amorfnih oblik. V sodobnem ra čunalniško podprtem na- črtovanju se uporablja za industrijsko obli- kovanje, arhitekturo, oblikovanje nakita, avtomobilov, za izdelovanje proto ti pov in za številne druge rešitve. Specializiran je za risanje z orodji NURBS, ki omogo čajo pro- sto, neuniformirano modeliranje. Modeliranje s krivuljami NURBS (angl. Non Uniform Ra ti onal Basis Spline) so matema ti čni modeli, ki se v ra ču- nalniški grafi ki uporabljajo za generiranje in predstavitev krivulj in površin. Matema- ti čno defi nirane krivulje so sestavljene iz krivulje in kontrolnih to čk. Med NURBS-kri- vuljami model sestavljajo t. i. NURBS-povr- šine (angl. NURBS patches). Glavna razlika od poligonov in poligonskega modeliranja, ki sta v ra čunalniški grafi ki najbolj zastopa- ni tehniki 3D-modeliranja, je v tem, da so matema ti čno defi nirane, kar pomeni, da je njihova kakovost linearna (s približeva- njem ne izgubimo kakovos ti ). S kontrolnimi to čkami imamo pri delu z NURBS-krivulja- mi ve čji nadzor v primerjavi z drugimi ti pi krivulj. Posledi čno ta vrsta krivulj omogo ča veliko prilagodljivost in natan čnost pri sa- mem modeliranju (3, 4) . Format izvožene datoteke 3D-ti skalniki sprejemajo le nekatere vr- ste datotek, nekateri podpirajo ve č razli č- nih formatov, npr. STL, VRML, 3DZ in PLY, nekateri pa samo enega. Najpogosteje se uporablja format STL (angl. StereoLitho- graphy, Standard Tessella ti on Language) ameriškega podjetja 3D-Systems. STL je poseben zapis, ki trirazsežen objekt pona- zarja z množico trikotnih povezanih ploskev. Natan čnost STL-zapisa lahko pri izvozu na- stavimo, zatakne pa se lahko pri usmeritvi normal trikotnikov. Obrnjene normale po navadi pomenijo neuporaben izdelek, česar pa pri izvozu ne opazimo. Zato je potrebna posebna pozornost, da je položaj objekta v absolutnem koordinatnem sistemu pro- gramske opreme CAD. Pred izvozom v STL- zapis mora bi ti objekt v celo ti v pozi ti vnem oktantu koordinatnega sistem. Op ti mizacija modela Izbor vaze, predvidene za ti sk, je teme- ljil na primernos ti konstrukcije modela glede na izbrani tehnologiji in na na činu združevanja obeh funkcij uporabe. Pri op- ti mizaciji za prvi ti sk s tehnologijo 3DP (ka- plji čno-prašnim ciljnim nalaganjem, 3DP) je šlo predvsem za pove čanje debelin sten in detajlov ter zagotavljanje nosilnos ti in potrebne opore. Cilj op ti mizacije v dru- gem primeru, termoplas ti čne ekstruzije FDM, je bil izdela ti op ti malen izdelek in kar najbolje izkoris ti ti potencial 3D- ti skal- nika. Zunanja podoba vaze v grobem osta- ja enaka, glavna sprememba je bila v viši- ni. Vzorec v zgornjem delu je bil v procesu op ti mizacije precej poenostavljen, izbrisa- nih je bilo veliko detajlov, nosilne stene pa so dobile ve čji premer (slika 1). Proto ti piranje in hitra izdelava Hitra izdelava proto ti pov (angl. Rapid pro- totyping - RP) izhaja iz časov nastajanja pr- vih tehnologij, ko mehanske lastnos ti upo- rabljanih materialov niso ustrezale ni čemur drugemu kot ogledovanju in ti panju izdel- kov. Razvoj na podro čju tehnologij, pred- vsem materialov, je privedel do stanja, ko izraz proto ti p pogosto ni ve č ustrezen, saj s temi tehnologijami namesto proto ti pov ve- likokrat izdelujemo kar kon čne izdelke. V ta- kih primerih govorimo o hitri izdelavi (angl. Rapid Manufacturing - RM), ki je v primer- javi s klasi čno proizvodnjo za velike serije primerna le za majhne serije in ekskluzivne izdelke. Posplošeno lahko trdimo, da je hitra izdelava vsak izdelovalni postopek, pri kate- rem pridemo od CAD-datoteke do fi zi čnega izdelka s čim manj človeškega posredovanja. 3D-ti sk se uvrš ča med postopke hitre izde- lave in tudi med dodajalne 3D-tehnologije, kjer 3D-objekt nastaja z dodajanjem mate- riala v plasteh. 3D- ti skalniki so obi čajno hi- trejši, dostopnejši in enostavnejši za upora- bo kot druge dodajalne tehnologije (5) . 3D- ti sk ve čfunkcionalnih vaz Pri ti sku je bila najprej uporabljena tehno- logija ti skalnika ZPrinter 450 podjetja Zcor- pora ti on, katerega zastopnik na slovenskem trgu je podjetje IBProcadd, d. o. o. Druga uporabljena je bila tehnologija 3D- ti skalni- ka RapMan 3.1 DH-NS, ki ga v študijske in raziskovalne namene uporabljamo v pro- storih Oddelka za teks ti lstvo Naravoslovno- tehniške fakultete. Če povzamemo specifi kacije izbranih 3D-ti skalnikov iz preglednice 1, so glavne prednos ti Zprinterja 450 hitrost, natan č- nost, lo čljivost in dejstvo, da ne potrebuje podpornega materiala in posledi čno ne proizvaja odpadkov. Nega ti vna stran v pri- merjavi z RapMan 3.1 je le cena, ki je precej višja. Kot slabos ti RapMana lahko štejemo dimenzije, po časno izdelavo in nenatan č- nost. Prednos ti sta velika izbira materialov in prilagodljivost. Primerjava lastnos ti obeh 3D-ti skalnikov podaja razliko v kategoriji, Slika 1: Konceptualne skice in op ti mizirana 3D-modela za posamezni tehnologiji ti ska (levo za kaplji čno-prašno ciljno nalaganje, desno za termoplas ti čno ekstruzijo). 16 - GRAFI ČAR torej prvi je predvsem zaradi stabilnos ti na- menjen profesionalni uporabi, RapMan 3.1 pa ponuja prednos ti za osebno in razisko- valno rabo. V nadaljevanju sledi natan čnejši opis postopka ti ska s kratko primerjavo. ZPrinter 450 Postopek temelji na spajanju prašnega materiala z nanašanjem veziva. Mobilna enota najprej zajame nekaj prahu iz poso- de, ko se premika, strese na delovno povr- šino tanko plast materiala, ki se s pomo čjo valja enakomerno razporedi po podlagi. Ko je plast prahu razporejena, inkjet ti - skalna glava v gladko plast prahu na ti sne pre čni prerez na spodnjo plast modela, pri čemer se prah zlepi. Podlaga se nato zniža za 0,1016 mm, potem se nanjo naloži nova plast prahu. Tiskalna glava nanese vezivo za naslednji pre čni prerez, ki se zlepi z že narejeno spodnjo plastjo. Po kon čanem 3D- ti skanju nevezani prah obkroža in pod- pira nastali model. Ko se materiali strdijo, je treba odstrani ti nevezani material in model odstrani ti s podlage. V našem primeru je bil na ti snjen 3D-mo- del dovolj trpežen za prenašanje, držanje in prou čevanje, a še vedno precej krhek. Premaz je zagotavljal lepši lesk modela, pove čala pa se je tudi trdnost. Za kon- ceptualne modele se obi čajno uporablja impregnant na cianokrilatni osnovi, funk- cionalne modele pa premažemo z epoksi impregnan ti , ki naredijo material trden in tog. Vazo smo impregnirali s cianokrila- tnim lepilom, ki je brezbarvno in je dobro utrdilo model, vendar ni zagotavljalo ne- prepustnos ti za vodo. Nadaljnje možnos ti površinske obdelave modela bi bile lahko še brušenje, peskanje, kitanje, barvanje, rezanje, a modela vaze, razen lakiranja, ni- smo dodatno mehansko obdelovali. RapMan 3.1 Pri procesu ti ska s FDM-tehnologijo se plas ti čni material z zvitka odvija v brizgal- no glavo, kjer se stopi do polteko čega stanja. Glava je pritrjena na mehanizem, ki se pomika v horizontalnih in ver ti kalnih smereh ter brizga stopljen material skozi majhno šobo v tankih plasteh. Plas ti ka se v trenutku, ko je izbrizgana, strdi in sprime s prejšnjo plastjo. Predhodni sloj je tako podpora naslednjemu. Ker RapMan 3.1 ni tako stabilen kot ZPrin- ter 450, je bilo potrebnih ve č poskusov, da smo prišli do zadovoljivega rezultata. Poskušali smo z razli čnimi dimenzijami in debelinami detajlov ter iskali op ti malno re- šitev. Poskušali smo s ti skom vaze v enem kosu, vendar so se v obeh primerih zaradi dolgotrajnega tresenja pro ti koncu ti ska razrahljali vijaki, ki povezujejo osi. Posle- di čno se je vaza premaknila s podlage in ti sk smo morali prekini ti . Ena od možnos ti , da bi zagotovili dober rezultat, bi bil ti sk obeh stranic v vodoravnem položaju, nato pa bi jih zlepili skupaj. S tem bi zmanjšali možnos ti za tehni čne napake, ki bi se lah- ko pojavile na 3D- ti skalniku, saj bi se ob- čutno zmanjšala višina ti ska in posledi čno tudi skrajšal čas. Ker pa ti sk z RapManom 3.1 DH-NS ni potekal na ogrevalni ploš či, ki zmanjša notranje napetos ti v izdelku in omogo ča izdelavo izdelkov velikih dimen- zij, so se pojavile težave in leže či ti sk se ni izkazal kot primeren. Rešitev zapletov smo našli s tem, da smo v pripravi vazo razdelili na polovico in jo pomanjšali na 60 odstot- kov originalne velikos ti . Tokrat je ti sk pote- kal skoraj brez zapletov in oba dela sta se uspešno na ti snila. V procesu obdelave sta bila na ti snjena dela v prvem koraku obdela- na z acetonom. Zunanja plast se je nekoliko stopila in ustvarila bolj enakomerno, gladko in sijo čo površino. Sledila sta odstranitev ti skane podlage in brušenje grobih robov. 16 - GRAFI ČAR Kodak predstavil nov sistem serije Prosper 6000 Kodak je nedavno javnosti ponudil dva modela sistemov serije Prosper 6000: Kodak Prosper 6000C za tisk barvno zahtevnih aplikacij (komercialnih tiskovin) in Kodak Pro- sper 6000P, ki je namenjen založniškim projektom, torej tisku časopisov in knjig, ki obi čajno zahtevajo uporabo papirja nižjih gramatur. Kodak je z novo serijo sistemov Prosper 6000 predsta- vil rešitev, ki integrira inovativne sisteme vodenja papirja, sušenja in kaplji čnega izpisa. Vse skupaj je vodeno s tako imenovanim pametnim sistemom za tisk (Intelligent Print System - IPS), ki primarno skrbi za nepretrgan proces ti- ska s konsistentno visoko kakovostjo. Oba modela nove serije Prosper 6000 sta združljiva s premaznimi in nepremaznimi papirji in izpisujeta pri hitro- sti 300 m/min., kar je 2,5-krat višja produkcijska hitrost tiska v primerjavi s sistemom serije Prosper-5000-XLi. Nova sistema sta namenjena mese čnemu produkcij- skemu ciklu 90 milijonov A4-strani na mesec v najbolj kakovostnem na činu izpisa. Naprednejši sistem sušenja modela Kodak Prosper 6000 C pa omogo ča tisk tudi na papirje višjih gramatur, premazne ali nepremazne, s hitro- stjo najve č 200 200 m/min. Oba modela sta opremljena z nadgrajenim sistemom upravljanja IPS, ki skrbita za konsistentno korektno barvno upodobitev in kontinuiran barvni nadzor in nadzor skladja. Nova sistema uporabljata nova nanobarvila, ki zagotavljajo ve čji barvni obseg izpisov in z ofsetom primerljive tiskovne rezultate na nepremaznih in premaznih papirjih. Po besedah proizvajalca sta nova modela predvsem od- govor na vse ve čje potrebe po tisku na zahtevo najvišje kakovosti in naro čilih tiska vse manjših naklad. Ve č informacij na graphics.kodak.com. Sistem serije Kodak Prosper 6000. Slika 2: Kon čni ve čfunkcionalni vazi, iz ti skani s ti skalnikoma ZPrinter 450 in RapMan 3.1. GRAFIČAR - 17 V naslednjem koraku smo dela zlepili s ci- anokrilatnim lepilom in izdelek na koncu še enkrat postavili nad acetonove hlape za bolj enakomerno površino. Tisk z ZPrinterjem je bil neproblema ti - čen, v drugem primeru pa smo naleteli na kar nekaj težav. Ve čji ko je model v primeru ti skalnika RapMan 3.1, ve čja je možnost za napake. Posebej pozorni moramo bi ti tudi na ti sk zelo majhnih debelin, saj ta 3D- ti - skalnik ni tako natan čen. Pri pripravi in mo- deliranju je zato treba model op ti mizira ti in precej prilagaja ti . Ker je ti sk potekal brez podpornega materiala, je bilo treba pazi ti tudi na previse. Tehni čna primerjava 3D-tehnologij in vizualna primerjava izdelkov Primerjavo na ti snjenih fi zi čnih modelov s tehni čno oceno podaja preglednica 2. Analizirane so prednos ti in slabos ti obeh tehnologij ti ska glede na zahtevnost ti - skanega modela. Čeprav ti skalnik Zprinter 450 omogo ča barvni ti sk, smo se odlo čili za monokromat- ski ti sk v naravni beli barvi kompozitnega materiala. Uporabljen je bil prah ZP 150 iz mavca in dodatkov. Za ti sk z RapManom je bila uporabljena bela ABS (akril-butadi- en-s ti ren) plas ti ka proizvajalca BitesFrom- Bytes. V obeh primerih je ti sk potekal brez podpornega materiala. Dimenzije vaz se precej razlikujejo, vaza ZPrinterja je skoraj enkrat ve čja od dru- ge. Čeprav je bilo prvotno na črtovano, da bo premer najmanjših detajlov v drugem primeru ve čji (debelina ti skane plas ti je približno trikrat ve čja), je na koncu zaradi pomanjšane oblike tudi tu 1,5 mm. Tiska- nih plas ti je bilo pri ZPrinterju 395, pri Ra- pManu pa 480. Pri tem moramo upošte- va ti dejstvo, da je šlo v prvem primeru za leže či ti sk, v drugem pa za pokon čnega. Za primerjavo: če bi prvo vazo ti skali v višino (neizvedljivo zaradi velikos ti ), bi moral 3D- ti skalnik na ti sni ti kar 2585 plas ti . To bi seveda pomenilo tudi, da bi se zelo podaljšal čas ti ska, ki je bil pri ZPrinterju dve uri in pol, RapMan pa je za ti sk obeh delov manjše vaze potreboval ve č časa, kar š ti ri ure in pol. Povpre čen čas ti ska ene plas ti z ZPrinterjem je bil tako 23 sekund, z RapMa- nom pa 34, pri čemer je treba še dodatno poudari ti , da je površina ti skane plas ti v drugem primeru veliko manjša. Koli čina porabljenega materiala je bila v prvem primeru 234,14 cm3, v drugem pa 37,99 cm3. Teža prve vaze je približno 450 g, druge pa 36,18 g (teža vaze enakih di- menzij kot pri ZPrinterju bi bila 212,7 g). Kot je razvidno s slike 3, se vazi najbolj razlikujeta v velikos ti . Vaza, na ti snjena s 3D-ti skalnikom ZPrinter 450, je enkrat viš- ja od vaze, ki je bila na ti snjena z RapMa- nom. Naslednja stvar, ki jo opazimo, sta barva in tekstura. Ker je bila druga vaza iz ABS plas ti ke obdelana z acetonom, ima bolj gladek, svetle č videz. Čeprav sta bila na prvo vazo nanešena sekundno lepilo in brezbarven lak, je imela na o ti p nekoliko hrapavo teksturo. V obeh primerih so ime- li ti skani detajli premer približno 1,5 mm, vendar jih je ZPrinter na ti snil veliko bolj natan čno in brez težav. Za RapMan 3.1 so bili ti detajli veliko ve čji zalogaj, bili so neo- stri in ponekod deformirani. Po drugi stra- ni pa se je izdelek izkazal v ve čji trdnos ti in odpornos ti pro ti morebitnim poškodbam. V primerjavi s prvo vazo, ki ni bila vodote- sna, smo lahko v drugo zaradi plas ti čnega materiala brez skrbi nalili vodo. Literatura: Portal 3D-tehnologij 3Dt.si [dostopno na 1. daljavo]. [ci ti rano 10. 2. 2014]. Dostopno na svetovnem spletu: . Erze ti č, Blaž, Gabrijel čič, Helena. 3D – od 2. to čke do upodobitve. 2. izdaja, Pasadena, 2010. Piegl, A. Les. The NURBS Book (Mono- 3. graphs in Visual Communica ti on). 2. izdaja. Springer, 2013. NURBS. V Blatnik [dostopno na daljavo]. 4. Obnovljeno 30. 1. 2011 [ci ti rano 10. 2. 2014]. Dostopno na svetovnem spletu: . Kaj je hitra izdelava proto ti pov, orodij in iz- 5. delkov. V Rapiman [dostopno na daljavo]. 2012 [ci ti rano 10. 2. 2014]. Dostopno na svetovnem spletu: . ZPrinter 450 BFB – RapMan 3.1 Visokokakovostni prah ZP 150 (mavec, dodatki) Material ABS plas ti ka ne Podporni material Ne 13,3 × 3,5 × 23 Dimenzije (mm) 6,85 × 2,1 × 12 1,5 Velikost min. detajlov (mm) 1,5 0,089 Debelina ti skane plas ti (mm) 0,25 395 (leže či ti sk) Število ti skanih plas ti 480 ( ti sk v višino) 2,5 Čas ti ska (h) 4,5 23 Čas ti ska ene plas ti (s) 34 234,14 Volumen porabljenega materiala (cm 3 ) 37,99 458,5 Teža (g) 36,2 TEHNOLOGIJA Slika 3: 3D- ti skanje na ti skalnikih ZPrinter 450 in RapMan 3.1. Preglednica 2: Primerjava karakteris ti k ti ska modela na obeh 3D- ti skalnikih.