Velkoformátový 3D tisk robotickou rukou z recyklovaných pelet

Co s plastem, který neprošel kontrolou

Prusa Research vyrábí filamenty Prusament od základního PLA až po technické materiály. Část materiálu ale neprojde přísnou kontrolou kvality. Jediné další využití pro něj je přeměna zpět na pelety – malé plastové granule podobné drobným oblázkům.

Firma má vlastní oddělení udržitelnosti, které hledá, jak odpadu vytvářet méně a jak ho dál využít. V PrusaLabu jsme si položili otázku: dá se z takových pelet tisknout přímo, a to ve velkém?

Proč to nešlo na běžné tiskárně

Stolní 3D tiskárna pracuje s filamentem o průměru 1,75 mm a tryskou 0,4 mm. Na velké objekty – vázy, květináče nebo nábytek – je pomalá a omezená velikostí tiskového prostoru. Pelety do ní navíc vůbec vložit nejde. Potřebovali jsme stroj s velkým pracovním prostorem a extruder, který zpracuje mnohonásobně víc materiálu.

Robot, který se nejdřív učil kreslit

Projekt neoficiálně začal, když jsme od kolegů z jiného oddělení dostali poškozené kolaborativní rameno Universal Robots UR10, které už nepotřebovali. Opravili jsme ho a spolu s architektem Petrem Vackem ho nejdřív naučili kreslit na tabuli. Na tomhle experimentu jsme pochopili, jak kolaborativní robot funguje, a mohli ho pak použít pro 3D tisk.

Na rameno jsme osadili peletový extruder. Po průzkumu trhu jsme zvolili Pellet Extruder v4 od španělské firmy Mahor. Zvažovali jsme i řešení od Dyze Design nebo open-source extruder RichRap.

Jak funguje peletový extruder

Místo podávacího kolečka a cívky s filamentem používá peletový extruder šnek. Představte si velký vrták, který se otáčí kolem své osy, nabírá pelety ze zásobníku a tlačí je dolů do topné zóny. Tam se plast roztaví a projde tryskou.

Výhoda: extruder není omezený jedním filamentem 1,75 mm, takže zpracuje mnohem víc materiálu. Pelety lze přisypávat i během tisku, a míchat tak různé materiály nebo vytvářet barevné přechody. Tiskli jsme z granulátu PETG i z namletých PET lahví.

Nevýhoda: pelety potřebují k roztavení vyšší teplotu. PETG jsme na peletovém extruderu tiskli zhruba o 30 °C výš než na tiskárně Original Prusa MK3S+. Výtisk proto potřeboval propracované chlazení, snáz se odlupoval od podložky a kroutil. Chladili jsme ho ventilátorem na extruderu i externě, aby měl všude stejnou teplotu.

Z 220 gramů na půl kilogramu za hodinu

Původní extruder zvládl zhruba 220 gramů materiálu za hodinu. S novým motorem, lepším chlazením, lepšími tryskami a novými topnými tělesy jsme se dostali přes půl kilogramu za hodinu. Extruder prošel tolika úpravami, že se změnil k nepoznání.

Narazili jsme ale i na limity. Tryska o průměru 2 mm je pro stolní tiskárny obrovská, pro velkoformátový tisk je ale relativně malá – a právě průměr trysky určuje, kolik materiálu projde za hodinu.

Slicování jinak: Rhino a Grasshopper

Připravit tisková data pro šestiosé robotické rameno není totéž jako slicovat pro běžnou kartézskou tiskárnu. Petr Vacek nás uvedl do programu Rhinoceros 3D a jeho pluginu Grasshopper pro parametrické modelování.

Příkazy z G-code souboru z PrusaSliceru jsme převáděli na souřadnice, kterým Rhino rozumí, a pomocí pluginu Visose Robots je překládali do programu v jazyce URScript s pokyny pro jednotlivé osy robota. Později jsme objekty generovali a slicovali přímo v Grasshopperu.

Tím jsme obešli limity běžného sliceru a mohli tisknout vlnité povrchy nebo neplanární vrstvy. Neplanární tisk je největší výhoda robotického ramene oproti běžné tiskárně.

Kam experimenty vedly

Šlo o naše první experimenty s velkoformátovým 3D tiskem. Výsledkem byl tisk z recyklovaných pelet z Prusamentu, z granulátu PETG i z namletých PET lahví, výkon extruderu zvýšený z 220 g na více než 0,5 kg za hodinu, testovací výtisk vysoký 2 metry a neplanární tisk díky přípravě dat v Grasshopperu.

Od řešení s robotickým ramenem a peletovým extruderem jsme později upustili. Zkušenosti s parametrickým modelováním ale předáváme dál na kurzu Rhino a Grasshopper. Co dalšího jsme vyrobili z odpadu z 3D tisku, ukazujeme v článku Experimentujeme s recyklací plastového odpadu.

Řešíte podobný problém?

Nestandardní stroje, experimentální materiály a prototypy jsou to, co nás v PrusaLabu baví. Pomůžeme s vývojem od první skici přes iterace až po testování – napište nám. Potřebujete jen vytisknout velký díl podle hotového modelu? Velkoformátový zakázkový tisk zajišťuje naše sesterské Prusa Center.