Skip to main content

T03 – CAD systémy v praxi a 3D tlač

Vlastnosti
okruhTČOZ
stavvypracované
Oficiálne znenie okruhu (PDF sylabus)

CAD SYSTÉMY V PRAXI A 3D TLAČ – nastavenie 3D tlače, 3D tlačiareň ako stroj, proces tlače, softvér pre 3D tlač, prvky R, L, C v jednosmernom a striedavom obvode

CAD a miesto 3D tlače v návrhu​

CAD (Computer-Aided Design) je počítačom podporované navrhovanie. V 2D vzniká technický výkres s rozmermi a toleranciami, v 3D parametrický alebo polygonálny model. Návrh musí mať správne jednotky, mierku, uzavreté plochy a primeranú orientáciu, aby bol použiteľný na výrobu.

Typický postup je:

  1. vytvoriť alebo importovať model v CAD programe,
  2. skontrolovať rozmery, hrúbku stien, otvory a kolízie,
  3. exportovať napríklad do STL alebo 3MF,
  4. otvoriť model v sliceri, nastaviť tlač a vytvoriť G-code,
  5. preniesť kód do tlačiarne, vykonať kontrolu a vytlačiť skúšobnú vrstvu.

3D tlačiareň ako stroj​

FDM/FFF tlačiareň možno chápať ako číslicovo riadený stroj. Jej hlavné časti sú:

  • rám a mechanické vedenia osí X, Y, Z,
  • krokové motory, remene alebo skrutky a koncové spínače,
  • extrudér, ktorý podáva filament, a hotend s vyhrievanou dýzou,
  • tlačová podložka, často vyhrievaná,
  • riadiaca doska s mikrokontrolérom, ovládačmi motorov a teplotnými snímačmi,
  • napájací zdroj, displej alebo sieťové rozhranie a bezpečnostné prvky.

Pohyb je riadený príkazmi G-code, napríklad G1 X50 Y30 F1200 znamená lineárny presun na súradnice s určenou rýchlosťou. Presnosť ovplyvňuje tuhosť rámu, kalibrácia krokov na milimeter, vôľa, teplota a rovinnosť podložky.

Nastavenie 3D tlače​

Pred tlačou treba nastaviť najmä:

  • materiál a teplotu dýzy/podložky podľa odporúčania výrobcu filamentu,
  • výšku vrstvy; menšia vrstva zlepší povrch, ale predĺži tlač,
  • počet obvodov a hrúbku stien,
  • hustotu a typ výplne, ktorá ovplyvní pevnosť, hmotnosť a čas,
  • rýchlosť, zrýchlenie a retraction na obmedzenie nitkovania,
  • podpory pre previsy a orientáciu modelu,
  • priľnavosť k podložke, napríklad brim, raft alebo vhodný povrch,
  • chladenie a minimálny čas vrstvy.

Nastavenie musí byť kompromisom medzi kvalitou, pevnosťou, časom a spotrebou. Pri diagnostike je užitočná skúšobná kocka alebo teplotná veža; nevhodná teplota môže spôsobiť slabé spojenie vrstiev, deformáciu alebo upchatie dýzy.

Proces tlače​

Slicer model najprv nareže na vrstvy, vytvorí obrysy, výplň, podpory a pohyby. Po homingu sa tlačiareň zahreje, vyrovná podložku a vytlačí prvú vrstvu. Každá ďalšia vrstva vzniká nanesením materiálu podľa dráhy v G-code. Po skončení sa nechá podložka vychladnúť a výrobok sa bezpečne oddelí; odstránia sa podpory a prípadne sa vykoná brúsenie či iná úprava.

Softvér pre 3D tlač​

Rozlišujeme:

  • CAD modelár (parametrické diely, zostavy, výkresy),
  • mesh editor na opravu polygonálnych sietí,
  • slicer, ktorý mení model na vrstvy a G-code,
  • firmware v tlačiarni, ktorý interpretuje G-code a riadi motory, ohrievače a snímače,
  • monitorovací alebo riadiaci softvér na posielanie úloh a sledovanie teploty.

STL nesie hlavne geometriu trojuholníkovej siete, 3MF môže uchovať aj jednotky a nastavenia a G-code je postup príkazov stroja. STL preto nie je priamo program pre tlačiareň.

Prvky R, L a C v jednosmernom a striedavom obvode​

Rezistor R obmedzuje prúd a v ideálnom jednosmernom obvode platí Ohmov zákon U = R·I. Výkon je P = U·I = I²R = U²/R. Indukčnosť L sa bráni zmene prúdu; pri ustálenom DC sa ideálna cievka správa približne ako skrat. Kapacita C sa bráni zmene napätia; po nabití sa v ustálenom DC správa približne ako rozpojený obvod.

Pri sínusovom AC majú reaktancie veľkosti

  • X_L = 2πfL — s frekvenciou rastie,
  • X_C = 1/(2πfC) — s frekvenciou klesá.

V sériovom RLC obvode možno impedanciu zapísať Z = R + j(X_L - X_C). Rezonancia nastane približne pri f₀ = 1/(2π√(LC)), keď sa induktívna a kapacitná reaktancia vyrušia. V riadiacej elektronike 3D tlačiarne sa R, L a C uplatňujú vo vykurovaní, filtrovaní napájania, motoroch a potláčaní rušenia.

Technológie 3D tlače a materiály​

TechnológiaPrincípPoužitie
FDM/FFFtavenie a nanášanie filamentunajlacnejšia, prototypy, škola
SLA/MSLAvytvrdzovanie živice UV svetlomjemné detaily, figúrky, zubné modely
SLSspekanie prášku laserompevné funkčné diely bez podpôr
FilamentDýzaPodložkaVlastnosti
PLA190–220 °C50–60 °Cnajľahšia tlač, krehkejší, nevydrží teplo
PETG230–250 °C70–80 °Chúževnatý, odolný voči vode
ABS230–260 °C90–110 °Codolný teplu, deformuje sa, výpary – uzavretá komora
TPU210–230 °C40–60 °Cpružný, tlačí sa pomaly

Teploty sú orientačné, presné hodnoty udáva výrobca filamentu.

Softvér – príklady​

  • CAD: Fusion 360, SolidWorks, Autodesk Inventor, FreeCAD, Tinkercad (pre začiatočníkov), AutoCAD (2D výkresy)
  • Slicer: PrusaSlicer, Ultimaker Cura, OrcaSlicer, Bambu Studio
  • Firmvér tlačiarne: Marlin, Klipper

Základné príkazy G-code​

PríkazVýznam
G28návrat osí do východiskovej polohy (homing)
G0 / G1presun bez tlače / lineárny pohyb s tlačou
G90 / G91absolútne / relatívne súradnice
M104 S210 / M109 S210nastav teplotu dýzy / nastav a počkaj
M140 S60 / M190 S60nastav teplotu podložky / nastav a počkaj
M106 / M107zapni / vypni ventilátor chladenia

Radenie R, L, C​

SériovoParalelne
R a LR = R1 + R21/R = 1/R1 + 1/R2
C1/C = 1/C1 + 1/C2C = C1 + C2

Kondenzátory sa teda sčítavajú opačne ako rezistory.

Správanie v striedavom obvode​

PrvokFáza prúdu voči napätiuOdpor pri DCPri raste f
Rvo fázeRnemení sa
Lprúd zaostáva o 90°≈ 0 (skrat)X_L rastie
Cprúd predbieha o 90°∞ (rozpojené)X_C klesá

Pomôcka CIVIL: pri C je I pred V (napätím), pri L je V pred I.

  • Energia: kondenzátor W = ½ · C · U², cievka W = ½ · L · I²
  • Časová konštanta: RC článok τ = R · C, RL článok τ = L / R. Za τ sa kondenzátor nabije na 63 %, prakticky úplne za 5τ.
  • Veľkosť impedancie sériového RLC: |Z| = √(R² + (X_L − X_C)²)

Riešený príklad​

f = 50 Hz, R = 10 Ω, L = 0,1 H, C = 100 µF, sériové zapojenie:

  • X_L = 2π · 50 · 0,1 ≈ 31,4 Ω
  • X_C = 1 / (2π · 50 · 0,0001) ≈ 31,8 Ω
  • |Z| = √(10² + (31,4 − 31,8)²) ≈ 10 Ω — obvod je takmer v rezonancii, reaktancie sa skoro vyrušia a prúd obmedzuje hlavne R.

Krátka ústna odpoveď​

CAD vytvára model a slicer ho rozdelí na vrstvy a preloží do G-code. 3D tlačiareň je číslicovo riadený stroj s rámom, osami, krokovými motormi, extrudérom, hotendom, podložkou, snímačmi a riadiacou doskou. Kvalitu určujú teploty, výška vrstvy, rýchlosť, výplň, podpory a priľnavosť. V elektrickej časti treba rozumieť správaniu rezistora, cievky a kondenzátora v DC aj AC; platia vzťahy pre Ohmov zákon, reaktancie a RLC rezonanciu.

Kontrolné otázky​

Opíš postup od nápadu po výtlačok.

Model v CAD → kontrola → export do STL/3MF → slicer (nastavenie, vrstvy) → G-code → tlačiareň (homing, ohrev, prvá vrstva) → dokončenie a úprava.

Z akých častí sa skladá FDM tlačiareň?

Rám s osami X/Y/Z, krokové motory, extrudér, hotend s dýzou, vyhrievaná podložka, riadiaca doska so snímačmi, zdroj, displej.

Ktoré parametre nastavuješ v sliceri?

Materiál a teploty, výšku vrstvy, steny, výplň, rýchlosť, retraction, podpory, priľnavosť (brim, raft), chladenie.

Aký je rozdiel medzi STL a G-code?

STL je len geometria (trojuholníková sieť). G-code je postupnosť príkazov pre stroj, vznikne v sliceri.

Ako sa správa cievka a kondenzátor v jednosmernom obvode?

Ideálna cievka v ustálenom stave ako skrat, nabitý kondenzátor ako rozpojený obvod.

Ako závisí reaktancia cievky a kondenzátora od frekvencie?

X_L = 2πfL s frekvenciou rastie, X_C = 1/(2πfC) klesá.

Ako vypočítaš celkovú kapacitu dvoch kondenzátorov paralelne a sériovo?

Paralelne C = C1 + C2, sériovo 1/C = 1/C1 + 1/C2.

Kedy nastane rezonancia RLC obvodu?

Keď X_L = X_C, pri f₀ = 1 / (2π√(LC)).