Vakuově-tepelné tvarování plastových hmatových pomůcek ušetří nemalé množství práce 3D tisku

Nedávno jsme do dílny pořídili nový stroj, jenž nám rozšiřuje možnosti tvorby hmatových pomůcek pro zrakově postižené – stroj pro vakuově-tepelné tvarování plastů. V kombinaci s 3D tiskem nám pomáhá efektivněji produkovat hmatové pomůcky nejen při vzdělávání v přírodních vědách, ale i v dalších volnočasových či vzdělávacích aktivitách.

Vakuově-tepelné tvarování plastů

Vakuové lisování je jednou technologií zpracování plastů z mnoha – vedle lisování, vstřikování, vytlačování, odlévání, válcování, vypěňování, laminování, ohýbání, obrábění, spojování, spékání a dalších. Je běžně využívána k výrobě kelímků, obalů, hraček, různých dílů automobilů, … Vakuově lisované plasty v dnešní době potkáme takzvaně „téměř na každém kroku“.

Chtěného tvaru výrobku dosáhneme zahřátím tenké (převážně plastové) fólie (respektive desky) na měkko a jejím následným přetažením přes formu. Vakuum nasaje fólii do formy a po zchládnutí je forma od fólie oddělena.

Vaquform DT2

Desetikilový Vaquform DT2 (pracuje s napájením 100 V až 240 V AC) je ručně ovládaný tepelně tvarovací stroj, kterým můžeme vytvářet výlisky podle předlohy.  Svými kompaktními rozměry (délka 400 mm, šířka 335 mm, výška 405 mm) je dobře využitelný v běžném prostředí kanceláře, domácnosti či malé dílny. Přednastavené funkce a senzory umožňují relativně snadné a intuitivní vizuální ovládání (Poznámka: V jiném článku se budeme zabývat přístupností Vaquformu DT2).

Vaquform DT2 je nápadný čtyřmi svými částmi – spodní a horní část mají tvar kvádru (spodní 400 x 290 x 60 mm, horní 400 x 350 x 100 mm), tyto kvádry jsou spojeny z každé boční strany sloupky, mezi nimiž lze nahoru a dolů pomocí ruční páky pohybovat rámem, v němž bývá umisťována folie:

  • Spodní část: Je primární nosnou částí, která je přímo položena na stole. Obsahuje nejen digitální display a ovládací tlačítka, ale také perforovanou pracovní plochu pro odsávání vzduchu – právě uvnitř spodní části je sací systém. Na pracovní plochu se umisťuje forma, podle níž je tvarována nahřátá fólie.
  • Střední část: Ke spodní části – z pravé a levé strany – jsou uchyceny nosné sloupky s kolejnicemi, po kterých se posunuje v rámu uchycená fólie.
  • Horní část: Ke sloupkům je uchycena horní část obsahující topné těleso, které nahřívá fólii.
  • Ovládací páka: Ta slouží k posunu rámu směrem nahoru či dolů. Do rámu se uchycuje fólie. Pokud chci do rámu uchytit novou fólii, je třeba rám mít dole nad pracovní plochou. Před spuštěním nahřívání fólie je rám nutné pákou přesunout nahoru pod topné těleso. Po umístění formy na pracovní plochu je na patřičnou teplotu tváření nahřáta fólie, poté použitím páky je rám s nahřátou fólií přesunut do spodní části – tak se roztavená fólie obtiskne do formy a spuštěné odsávání vzduchu fólii do ní nasaje.

Keramické těleso je schopno ohřát plastovou fólii během několika minut. Oproti běžně používanému časovému určení dostatečného nahřátí desky (a tedy připravenosti k tvarování) Vaquform DT2 používá několikerého měření pomocí infračerveného senzoru a reaktivní modulace výkonu topného tělesa tak, aby tvarování probíhalo co nejpřesněji.

Vaquform DT2 je schopen tvarovat plastové desky tloušťky od 0,20 mm do 3,00 mm a dalších stranách 330 x 250 mm. Umí vytvarovat objekty až do výšky 200 mm. Avšak je třeba si uvědomit, že z uvedených rozměrů desky 330 x 250 mm pro konečný výrobek nejsou využity okraje (z každé strany 20 mm), které jsou při tvarování drženy v rámu. Samotná sací plocha má rozměry 270 x 190 mm. Reálný rozměr vytvořeného objektu tedy může mít maximální půdorysné rozměry přibližně 270 x 190 mm a výšku 200 mm – avšak skutečné maximální rozměry záleží na celkovém tvaru, kterých chceme získat.

Stroj je vybaven dvěma vakuovými jednotkami. První slouží k rychlému odsátí vzduchu, druhá k vytvoření důkladnějšího vakua.

Jsou k dispozici přednastavení pro specifické strategie zahřívání. Jednoduše lze v ovládacím rozhraní vybrat materiál a jeho tloušťku. Stroj si pak již sám nastaví procesní parametry. Aktuálně podporuje následující materiály [1]:

  • HIPS (High-Impact Polystyrene): teplota tváření 160 °C, pro obecná použití, levný, používaný v potravinářství (vždy zvážit). Vaquformem snadno použitelný.
  • ABS (Acrylontrile Butadiene Styrene): teplota tváření 170 °C, velmi podobné HIPS, ale tvrdší, dražší.
  • PVC (Polyvinyl Chloride): teplota tváření 170 °C, vyskytuje se jako pevný nebo flexibilní. Pevný: levnější alternativa k PETG, méně transparentní, není vhodný pro potravinářské účely. Flexibilní: PVC se změkčovadlem, není bezpečný pro potravinářské použití.
  • PETG (Glycolized Polyethylene Terepthalate): teplota tváření 150 °C, těžší, pro potraviny, možnost vysoké transparentnosti, Vaquformem snadno použitelný.
  • PMMA (Polymethyl Methacrylate, Acrylic, Perspex, Lucite, Plexiglas): teplota tváření 175 °C, vysoce tuhý a průhledný, ale křehký; Vaquformem hůře použitelný.
  • PC (Polycarbonate): teplota tváření 190 °C, podobně PETG, ale více tuhý a lepší odolnost v nárazu, zpravidla bezpečný potravinářské účely (vždy zvážit).
  • PE (Polyethylene): teplota tváření 150 °C, chemické odolný, bezpečný potravinářské účely (vždy zvážit), vel)mi nízký koeficient tření; Vaquformem hůře použitelný.
  • PP (Polypropylene): teplota tváření 175 °C, podobný PE, ale tvrdší a více se trhá.
  • EVA (Ethylene Vinyl Acetate): teplota tváření 70 °C, vhodný pro formy citlivé na vyšší teploty, snadno se řeže ručně, velmi lehký.
  • Kydex (Acrylic+Polyvinyl Chloride): teplota tváření 180 °C, podobný jako ABS a HIPS, ale tvrdší.

Předpokládá se, že s novými verzemi firmware budou podporovány další materiály (včetně různé exotické kompozity či kompostovatelné bioplasty).

Formu (předlohu) lze vytvořit 3D tiskem

Pro vakuové tvarování je velmi důležitá kvalita samotné formy. Tu lze vytvořit mnoha způsoby – osobně formu vyrábím za pomoci 3D tisku, lze však použít i jiných metod výroby. Bez ohledu na způsob výroby formy je nutné myslet na použitý „materiál“ [1] a na „design“ [1].

Materiál

Materiál musí být schopen udržet tvar. V případě, že formu chceme použít několikrát, musí tento tvar udržet po celou dobu použití – neměl by se zdeformovat dříve než po předem stanoveném počtu cyklů. Je tedy důležité, aby odolal teplotě, na kterou jsou nahřívány fólie. Materiál by neměl příliš přilnout k fólii – protože fólii potřebujeme snadno od formy oddělit.

Obvykle používám fólii z HIPS s teplotou tváření 160 °C. To znamená, že podle výše zmíněného tvrzení by forma neměla být z materiálu, který se deformuje při teplotě 160 °C. Párkrát jsem vyzkoušel formu z PLA, jejíž teplota tání je přibližně 150 až 160 °C a teplota skelného přechodu 57 °C . Významné deformace vlivem tepla se nedějí okamžitě, skokově, ale plynule. Během procesu vakuového tváření zpravidla dochází k relativně rychlému ochlazení, tedy nedochází k dostatečně významným změnám fyzikálních vlastnosti tak rychle, aby se forma z PLA znatelně deformovala už při prvním použití. Forma se mi začala mírně deformovat až při druhém použití. Chci-li vytvářet více kopií pomůcek, je vhodné, abych použil k tvorbě formy materiál teplotně odolnější než PLA.

Design

Design formy má dopad na to, jak dobře je forma oddělitelná od výlisku, ale také, jak kvalitně se obtisknou všechny potřebné detaily. Je proto vhodné:

  • Promyslet různé výstupky, dutiny, převisy, které by mohly bránit oddělení výlisku od formy.
  • Aby se zabránilo zachycení vzduchu mezi formou a fólií, měla by forma být opatřena otvory, kterými bude moci proudit vzduch. Otvory o průměru přibližně 1 mm je vhodné umisťovat do rohů a v prohlubních. Vzduchové průduchy vytvářím také v případě větších rovných ploch.
  • Svislé plochy se doporučuje sklonit alespoň v úhlu 3°. Přestože se tímto doporučením obvykle neřídím, nesetkal jsem se s potížemi při oddělování formy od výlisku.

Na kolik to přijde?

Přibližná cena Vaquformu DT2 na českém trhu je 33 640 Kč.

Příklady přibližných cen fólií [2]:

  • 40 listů Vaquform HIPS 0,5 mm: 1 077 Kč.
  • 20 listů Vaquform HIPS 1 mm: 1 077 Kč.
  • 7 listů Metzoplast HIPS 3 mm: 835 Kč.
  • 7 listů Nude PETG 3 mm: 750 Kč.
  • 24 listů Vaquform PETG 0,75 mm: 1 440 Kč.
  • 35 listů Vaquform PETG 0,5 mm: 1 634 Kč.
  • 20 listů Vaquform ABS 1 mm: 750 Kč.
  • 10 listů Vaquform ABS 2 mm: 750 Kč.

Závěr

Vaquform DT2 je dobrým pomocníkem při tvorbě hmatových pomůcek vakuově-tepelným tvarováním plastů – nejen v přírodních vědách, ale i ve vzdělávání či volnočasových aktivitách lidí se zrakovým postižením. 3D tisk umožňuje vytvořit předlohu – formu – podle které Vaquoform DT2 pomůcku vytvoří.

Výroba pomůcky s pomocí 3D tisku zabere někdy hodiny až desítky hodin práce 3D tiskárny na každý kus. V případě, že stejná hmatová pomůcka je vytvářena vícekrát pouze 3D tiskem, je třeba počítat s násobky hodin až desítek hodin (ve výsledku tedy klidně stovek i více hodin) 3D tisku.

Vakuoformem jsme schopni pomůcku obtisknout v řádu minut. Pokud do výroby zapojíme vakuoform, stačí 3D tiskem vyrobit jen formu a následně výrobek množit vakuově-tepelným tvářením – tím ušetříme desítky či stovky hodin práce 3D tiskárny.

Podporovatelé

Tvorbu hmatových pomůcek podporují následující subjekty

a je výstupem projektu Inkluzivní vzdělávání: zajištění účasti osob se zdravotním postižením na neformálním vzdělávání dospělých (IEDA), na kterém se podílí Středisko Teiresiás Masarykovy univerzity.

Zdroje

Použité zdroje:

  • [1] Vaquform Manual. Vaquform, Inc. [online]. Poslední změna: 5. 8. 2020 [cit. 1. 11. 2021]. Dostupné z https://drive.google.com/. Path: https://drive.google.com/file/d/15cWVJ_akgw7CH6sa-O1bNs_7mqTmNweU/view?usp=sharing
  • [2] Vaquform DT2 – rapid.builders. rapid.builders | Mirage PRG s.r.o. [online], [cit. 1. 11. 2021]. Dostupné z https://www.rapid.builders/. Path: https://www.rapid.builders/cs/vaquform-dt2/

Další odkazy:



3D tiskIEDANadační fond Českého rozhlasu SvětluškaNesmírTeiresiás


Petr Dušek
Petr několik let pracoval na úchvatné pozici pozorovatele meteorů v Oddělení meziplanetární hmoty Astronomického ústavu Akademie věd ČR. V současnosti se úspěšně zabývá SW vývojařinou, zejména na úrovni zajištění kvality, testování, bezpečnosti a to primárně v oblasti komerčního sektoru.