Master's Thesis

Design of process for multi-color and multi-material 3D printers

Final Thesis 3.07 MB Appendix 14.04 MB

Author of thesis: Bc. Imrich Molnár

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jan Pavlík, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jan Vetiška, Ph.D.

Abstract:

This master's thesis deals with the design and practical implementation of a process for multi-color and multi-material 3D printing. The aim of the work was to improve the functional and design properties of components by combining different materials in a single printing cycle. In the theoretical part, an analysis of current technologies was performed, based on which an Independent Dual Extruder (IDEX) system combined with multi-entry hotends was selected. The practical part includes a complete structural design of the X-portal and modification of the Ender 3 Pro printer. The solution involved the installation of a BTT Manta M8P v2.0 control board and the configuration of Klipper firmware. Through precise offset calibration and the implementation of the Input Shaper function, a reduction in waste material and an increase in print surface quality were achieved. The functionality of the entire system was verified by test printing with PLA and PETG materials, with the results confirming the efficiency of the proposed solution compared to common commercial systems.

Keywords:

FDM 3D printing, additive manufacturing, multi-color printing, multi-material printing, Klipper, IDEX, mixing hotend

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student obeznámil komisi s výsledky své DP. Po přečtení posudků následovaly dotazy oponenta (viz posudek) a komise: Spolehlivost, kvalita tisku. Cíl práce (co se týče srovnání nabídky na trhu). Software (testování). Úprava mechaniky (vibrace). Dotaz na použité materiály. Doba na zpracování. Potenciál úspěšnosti tiskárny na trhu. Komise ocenila výsledek (3D tiskárnu).

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Computer Science and Control (N-AIŘ-P)

Composition of Committee

doc. Ing. Oldřich Trenz, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Jakub Kůdela, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Pavel Škrabánek, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Kurfürst, Ph.D. (člen)
Ing. Zdeněk Švihálek (člen)
prof. Ing. Petr Doležel, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jiří Jaroš, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jan Pavlík, Ph.D.

Předložená diplomová práce se věnuje aktuálnímu tématu návrhu procesu pro vícebarevné a vícemateriálové 3D tiskárny. Tyto technologie umožňují kvalitativní posun v prototypové i kusové výrobě 3D tištěných součástí.
Úvod práce je věnován důkladnému rozboru teorie související s 3D tiskem a rozsáhlé analýze současných řešení v dané problematice. Tato část je zpracována komplexně a detailně. Na rešerši autor navazuje návrhem vlastních variant řešení. Pomocí multikriteriální metody hodnocení následně vybírá optimální variantu, kterou v práci detailně rozpracovává. Autor navrhuje konstrukční modifikace vlastní 3D tiskárny tak, aby umožňovala tisk pomocí dvou nezávisle řízených hlav (IDEX), kde každá z nich obsahuje dvouvstupový extruder. Dále autor navrhuje vlastní inovativní řešení hotendu se čtveřicí vstupů, které by umožňovalo další rozšíření možností tiskárny.
Práce nekončí pouze teoretickým návrhem; modifikace tiskárny byly fyzicky realizovány. Student v práci detailně popisuje celkové oživení, ladění a uvádění tohoto komplexního řešení do provozu. Funkčnost systému je dostatečně ověřena praktickými ukázkami tisku. Závěr práce je pak věnován srovnání realizovaného řešení s existujícími komerčními technologiemi. 
Práci považuji za velmi kvalitně zpracovanou. Vysoce pozitivně hodnotím samotnou fyzickou realizaci, které student musel obětovat značné množství času. Student pracoval samostatně, dosažené výsledky pravidelně konzultoval a v celkovém řešení je jasně patrná jeho hluboká znalost dané problematiky. Práce splnila cíle zadání, a proto ji doporučuji k obhajobě s hodnocením A (výborně).
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jan Vetiška, Ph.D.

Diplomová práce „Návrh procesu pro vícebarevné a více materiálové 3D tiskárny“ představuje ucelené dílo, které se zabývá návrhem, konstrukcí a praktickou realizací multimateriálového FDM systému. Autor prokazuje dobrou orientaci v současných technologiích aditivní výroby a dokáže kriticky porovnávat existující řešení, a to jak komerční, tak open‑source. Teoretická část práce je zpracována přehledně a s dostatečnou hloubkou. Autor se nevěnuje pouze technologii FDM, ale zasazuje ji do širšího kontextu multimateriálového tisku, včetně SLA, PolyJet či systémů s kontinuálním vláknem. Tento přístup ukazuje, že problematiku chápe komplexně a dokáže z ní vyvodit relevantní závěry pro vlastní návrh.

Cíle práce byly splněny v plném rozsahu. Rozbor současného stavu je zpracován kvalitně a poskytuje dobrý základ pro návrhovou část. Autor následně porovnává různé koncepce multimateriálového podávání a logicky zdůvodňuje volbu architektury IDEX v kombinaci s vícevstupovým hotendem. Konstrukční část práce je zpracována pečlivě a zahrnuje návrh úprav rámu tiskárny Ender 3 Pro, konstrukci X‑portálu i modulární hlavy. Z textu je patrné, že autor vytvořil kompletní 3D modely a promyslel mechanické i funkční aspekty řešení.

Velmi silnou stránkou práce je praktická realizace. Autor instaloval novou řídicí elektroniku BTT Manta M8P v2.0, nakonfiguroval firmware Klipper, provedl kalibraci ofsetů, Input Shaper a oživení extruderů. To vše svědčí o technické zdatnosti a schopnosti samostatné práce. Funkčnost systému byla ověřena testovacími výtisky z PLA a PETG, přičemž autor uvádí snížení odpadu a zlepšení kvality povrchu. Porovnání s komerčními systémy je sice spíše kvalitativní, nicméně pro účely diplomové práce je Vyhovující.

Po grafické stránce je práce na dobré úrovni. Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. 2. Jakým způsobem by bylo možné dále snížit kontaminaci materiálů při rychlém přepínání filamentů?
  2. 1. Jaké jsou hlavní limity kombinace IDEX systému a vícevstupového hotendu z hlediska přesnosti a teplotní stability?
  3. 3. Jaké metriky byste použil pro objektivní porovnání vašeho řešení s komerčními systémy, jako je Bambu AMS nebo Prusa MMU?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová