3D tisk ve školním prostředí

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:

• Akrylonitrilbutadienstyren (ABS), hustota je 1045 kg/m³ a smrštění 0,3‒0,7 %. Tepelná odolnost výrobků je do 105 °C. Je odolný vůči kyselinám, hydroxidům, uhlovodíkům, olejům, tukům.
• Poly(lactic acid) nebo polylactide (PLA): (C₃H₄O₂)n, hustota 1210–1430 kg/m³, odolnost do 150 °C. Je založený na bázi kukuřičného škrobu, je tedy biologicky odbouratelný.

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.

Barevný tisk

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.

Možnosti školního využití: deset příkladů

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.

1. Tisk modelů a pomůcek. Velice často se stává, že učitel potřebuje pomůcku, kterou nemá k dispozici nebo potřebuje vytvořit jednoduchý trojrozměrný model. Ten lze sice zakoupit, ale problémem může být jak cena, tak doba dodání. Takový artefakt člověk nemůže mít většinou do druhého dne k dispozici. Jestliže se například rozhodne učit o „dusíkové katastrofě“, potřebuje model dusíku. Uhlík, který je ve sbírkách, mu není k ničemu. V takovém případě se jeví tisk jako ideální volba.
2. Pomůcky mohou vznikat před žáky. Je velice zajímavé zadat tiskárně tiskovou úlohu poté, co problém prodiskutujete s žáky a zjistíte, co vlastně potřebujte. Proces vzniku pomůcky přímo před jejich zraky může hrát pozitivní motivační roli (i když na pravidelné představení si rychle zvyknou).
3. Tvorba doplňků do stavebnic. Ve školách se vyskytuje velké množství technických stavebnic, do kterých lze pomocí 3D tiskárny doplnit nové díly, které by rozšířily jejich použití. K dispozici je velké množství již hotových modelů, ale lze si samozřejmě dotvořit vlastní.
4. Pomocí 3D tiskárny lze zásadním způsobem inovovat vazbu mezi výtvarnou výchovou a informatikou. Žáci mohou vytvářet 3D modely, které jsou následně tištěné, takže práce s 3D nástroji pro žáky získá zcela nový rozměr.
5. Práce s 3D objekty a jejich tisk může být zajímavým prvkem pro zlepšení technického vzdělávání. Lze žáky naučit konstruovat jednotlivé součástky a na 3D tiskárně vytvářet různé konstrukce a vést je k chápání jejich funkčnosti (např. to, že I profil je pevnější než rovný).
6. Pomocí 3D modelů je možné učinit výuku v řadě ohledů názornější. Lze například tisknout modely patek antických sloupů nebo jiné architektonické prvky, které povedou k lepšímu chápání některých souvislostí a jasnější představě o tom, jak daný prvek vypadal a k čemu sloužil.
7. Přímo 3D tiskárnu lze i s příslušenstvím užívat k výuce 3D tisku a všech příbuzných technologií – modelování, renderování, základy konstrukcí, práce v CAD atp. Může tak posloužit jako zajímavé technické praktikum, které například rozšíří nabídku volitelných předmětů, a dát žákům zcela odlišné zkušenosti a kompetence, než jaké mají jejich vrstevníci.
8. Často se užívají 3D tiskárny na tisk náhradních dílů a komponent, které se rozbijí. Jde o užití poměrně univerzální, ale hojné.
9. 3D tiskárnu typu RepRap lze užít pro výuku sestavování 3D tiskáren a podobných zařízení. Může vést žáky k rozvoji technického myšlení, naučit je základy montování a pájení, případně propojování tiskárny s počítačem.
10. Tisk personalizovaných odměn patří mezi nejvděčnější činnosti, které lze s 3D tiskárnou dělat. Je tak možné vytvářet např. dárky k narozeninám, odměny pro studenty s vyznamenáním a to vše na míru a personalizovaně. Cena jednotlivých dárků je většinou okolo jednotek korun a žáci z nich mají radost.

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.

V čem vytvářet modely?

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

Závěrem

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.

Literatura

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.