Princip 3D tisku prošel zajímavým historickým vývojem. První pokusy jsou spojené s osobností Charlese Hulla, který si nechal v roce 1986 patentovat technologii stereolitografie, která umožňuje opracování objektu pomocí laseru nebo UV záření. K modernímu 3D tisku makroskopicky netriviálních objektů se ale tato technologie příliš nehodí. Od devadesátých let se pak postupně objevují pokusy, které jsou spojené s dnešním vnímáním technologie 3D tisku a které umožňují skutečně prostorový tisk.
Vývoj byl urychlen vypršením některých patentů v roce 2003, kdy se začínají objevovat tiskárny, jež pracují s roztavenými plasty, které jsou nanášeny pomocí hlavy na podložku. Tisková hlava se pohybuje pomocí krokového motorku ve dvou osách v rovině a podstavec má možnost pohybu vertikálního. Díky tomu lze tisknout plně prostorově. V současné době se běžně užívají dva základní druhy plastů:
Cena obou se pohybuje od 650 korun za kilogram, což je cena poměrně přijatelná pro většinu školních potřeb. Objekty se většinou netisknou jako zcela plné, ale mají v sobě dutiny, což snižuje typickou hmotnost výrobku. Je tak celkem běžné, že výrobek z ABS plave, plavat mohou i některé výrobky z PLA.
Samotný proces tisku probíhá v několika fázích. Předně je třeba připravit model v nějakém programu, který bude vytištěn. K dispozici jsou dnes pro studenty zdarma nástroje od firmy Autodesk – 3ds Max studio, AutoCAD či Maya, což jsou profesionální nástroje, se kterými lze dělat téměř cokoli. Pokud jsme méně nároční, lze využít bezplatné SketchUP (s jednoduchým ovládáním) nebo open source Blender. Existují ale také online nástroje pro jednoduché modelování, jakými jsou TinkerCAD nebo Shapesmith. Už během modelování je dobré respektovat možnosti a rozměry 3D tiskárny. Objekty se sice zmenšovat dají, ale obecně to vyžaduje změnu poměrů objektů (například nosnost roste s lineárními rozměry pouze kvadraticky, zatímco hmotnost kubicky).
Po vymodelování je nutné model převést do patřičného formátu – obvykle STL nebo OBJ. Ty podporuje většina zmíněných aplikací, případně lze jako převodník mezi formáty užít zmíněný Blender, který má dobrou podporu jak importu, tak exportu. Takto připravený model je pak předán softwaru, který ovládá tiskárnu. U pokročilejších aplikací dojde k propočítání celého modelu, aplikace umí například dopočítat výplň, výztuhy nebo pomocné nosné prvky (u některých aplikací to člověk musí udělat sám již při návrhu modelu) a následně dojde k převodu modelu do sady instrukcí pro tisk jednotlivých vrstev na tiskárně a samotnému tisku. Jedno ze slabých míst procesu 3D tisku je v současné době rychlost, takže rozsáhlejší objekty není možné například v průběhu hodiny vytisknout.
Aktuálně se řeší také způsob, jakým by mohl probíhat barevný tisk. V zásadě lze identifikovat tři základní možnosti, které se dnes využívají. První je vyměnění jedné struny za druhou. To je použitelné řešení, pokud potřebujeme tisknout lineárně oddělené části (například bílé tělo a žlutá hlava postavičky). Druhým požadavkem je většinou střídání barev od světlé k tmavé. Například když nahradíme bílou strunu červenou, poměrně dlouho se tiskne růžově. Výsledkem je, že se většinou tiskne monochromaticky, proces výměny struny je totiž poměrně pracný.
Druhou variantou může být užití více tiskových hlav s tím, že každá má vlastní strunu. Toto řešení je vhodné pro dvě nebo tři barvy, ale s rostoucím počtem hlav se zvyšuje konstrukční náročnost, rozměry zařízení a také cena. Jde o variantu funkční především u dvoubarevných objektů. Určitou kombinaci obou uvedených metod nabízí například tiskárna Stratasis Objet500 Connex3 Color, která umí během jednoho tisku střídat nejen více barev, ale také větší množství materiálu, a to prostřednictvím tří tiskových hlav. Jde o poměrně robustní průmyslové zařízení s cenou asi 330 000 dolarů. Jde tedy o řešení pro školy ne zcela dostupné.
Třetí variantu testuje polská firma Pirx, která užívá průhledné PLA. U tiskové hlavy (extruderu) je připojená tisková hlava podobná té, kterou známe z inkoustových tiskáren, a do roztaveného plastu přimíchává barvivo. Cena zařízení by měla být pod čtyřiceti tisíci korunami.
Nejlevnější tiskárny stojí přibližně 20‒25 tisíc korun. Příkladem může být populární domácí tiskárna 3D UP mini, RepRap Photos V2, Velleman Vertex K8400 atp. Zcela nejlevnější cestou je si tiskárnu postavit nebo se zúčastnit nějakého semináře, kde se přímo staví. Tiskárna typu RepRap pak přijde na 10‒15 tisíc korun. Na druhou stranu na rozdíl od komerčních řešení není tak snadno přenosná.
Pokud jde o samotné školní využití, je třeba přihlédnout k tomu, že ač existuje řada případů dobré praxe, neexistuje žádný komplexní seznam. Proto se pokusíme alespoň naznačit některé možné směry využití, aniž bychom si kladli za cíl komplexnost takového seznamu.
Lze si samozřejmě představit řadu dalších činností, pro které lze tiskárnu využít. Vždy záleží především na konkrétním školním klimatu a možnostech, které jsou dány zvolenou tiskárnou a režimem, ve kterém zařízení ve škole pracuje.
Zajímavou otázkou je, v jakém nástroji modely pro 3D tiskárnu vytvářet. Předně je třeba mít jasno v tom, zda jde primárně o činnost praktickou, která vede k vytištění artefaktu, nebo zda potřebujeme žáky naučit práci s 3D modelováním nebo základy konstruování.
Zřejmě nejkvalitnější a nejlepší sada nástrojů je pro studenty a učitele od firmy Autodesk zdarma. K dispozici je AutoCAD (včetně většiny rozšiřujících modulů, takže jej lze užít i pro automobilové školy nebo třeba pro tvorby map či návrhy měst). Ovládání není příliš intuitivní a jednoduché, ale na druhou stranu jde o profesionální nástroj, se kterým se jako studenti technických oborů nebo grafici či animátoři nepochybně setkají. Práce s AutoCAD pro studenty ale bude zřejmě vyžadovat delší, ideálně celoroční seminář. Ze stejné dílny pochází také 3ds Max, respektive 3ds Max studio. To je více intuitivní a určené především pro grafiky a designéry, takže nevyžaduje takové technické znalosti a dovednosti.
SketchUP je velice populární pro výuku práce s 3D objekty ve školním prostředí. Existuje také ve verzi Make, která je určená pro primární a sekundární vzdělávání. Aplikace původně není určená pro návrh modelů pro 3D tiskárnu, ale slouží obecně pro rychlý návrh 3D modelů domů, bytů nebo věcí. Výhodou je jednoduché prostředí a dobrá propojení s předměty výtvarné výchovy.
Open source Blender je komplexním robustním prostředím pro tvorbu 3D scén a jejich případnou animaci, takže v něm lze například vytvořit také film. Pro práci s 3D tiskem se ale hodí spíše jako dobrý převodník mezi formáty nebo ve chvíli, kdy má učitel ambice žáky přivést k tvorbě animovaných filmů nebo náročnějších konstrukcí.
Blender |
Existují ale také online nástroje pro jednoduché modelování, jako je TinkerCAD. Ten je velice jednoduchý a umožňuje z jednotlivých komponent vytvářet 3D objekty. Díky jednoduchému ovládání jej lze snadno použít na rozvoj prostorové představivosti žáků na druhém stupni základních škol. Další výhodou je, že není třeba instalace. Ideální je pro výuku v rozsahu několika málo hodin, většinu úkonů zvládnou žáci poměrně rychle. Alternativou k tomuto nástroji je například Shapesmith.
TinkerCAD |
3D tiskárny se stávají technicky i finančně dostupné a je přirozené, že se ve školním prostředí budou objevovat stále častěji. Nabízejí možnost jak přinesení nových témat do výuky, tak také pohodlnější a názornější výuku klasickou. Proto by byla škoda, kdyby byly ve výuce ignorovány nebo jim nebyla věnována taková pozornost, jakou by si zasloužily.
BERMAN, Barry. 3-D printing: The new industrial revolution. Business horizons, 2012, 55.2: 155-162.
LIPSON, Hod; KURMAN, Melba. Fabricated: The new world of 3D printing. John Wiley & Sons, 2013.
LOCKHART, Shawna. Tutorial Guide to AutoCAD 2014. SDC Publications, 2013.
MURDOCK, Kelly L. Autodesk 3ds Max 2013 Bible. John Wiley & Sons, 2012.
SINGH, R., et al. Robots for Education. In: Proceedings of the 3rd International Symposium on Autonomous Minirobots for Research and Edutainment (AMiRE 2005). Springer Science & Business Media, 2005. p. 230.
SVĚTLÍK, David. Výroba náhradního ozubeného kola metodou RP. 2013. PhD Thesis. Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství.
Příspěvek byl napsán v rámci projektu INTERES. CZ.1.07/1.3.00/51.0035.
Všechny články jsou publikovány pod licencí Creative Commons BY-NC-ND.
Článek nebyl prozatím komentován.
Pro vložení komentáře je nutné se nejprve přihlásit.
Článek není zařazen do žádného seriálu.
Článek je zařazen v těchto kolekcích: