1. Učební texty pro popularizátory vědy

Transkript

1

2 Studijní opora k výukovému modulu K4/MTV11 Nové technologie v praxi 3D tiskárny byla vytvořena v rámci projektu Poznej tajemství vědy. Projekt s reg. č. CZ.1.07/2.3.00/ je financován z operačního programu vzdělávání pro konkurenceschopnost a státního rozpočtu České republiky. Výukový modul představuje nástroj pro vzdělávání cílové skupiny (zájemci o vědu) ve specifickém tématu v rámci přírodních a technických věd. Tento modul popularizační formou seznámí potenciální zájemce o vědecko-výzkumnou práci s vědeckým přístupem (schopností odhalovat skryté příčiny dějů, rozpoznávat falešnou analogii). Dále motivační formou ukáže práci domácích i zahraničních výzkumníků v terénu i v laboratořích. Výukový modul je tvořený unikátním textem, obsahujícím: 1. Učební texty pro popularizátory vědy 2. Pracovní aktivity pro studenty a žáky, min. 5 aktivit pro SŠ, 3 aktivity pro ZŠ 2. st., 1 aktivita pro ZŠ 1. st.): a. popis vědeckých/badatelských aktivit (v laboratoři či terénu), b. pracovní listy, c. návody na experimenty a měření, d. dvě strany odborného anglického textu. 3. Metodická příručka Materiál vytvořil expertní tým společnosti: ACCENDO Centrum pro vědu a výzkum, z. ú. Švabinského 1749/19, Moravská Ostrava, IČ: , Tel.: , Web: info@accendo.cz. ACCENDO Centrum pro vědu a výzkum, z. ú. je vědecko-výzkumná organizace schválená poradním orgánem vlády Radou pro výzkum, vývoj a inovace v ČR, za účelem podpory aplikovaného výzkumu v regionálních vědách. Svou činností se významně podílí na objevování a mapování procesů ve společnosti, které vedou k trvalému rozvoji. Pracuje na celém území ČR, rozvíjí evropskou výzkumnou spolupráci a podílí se na mezinárodních projektech v návaznosti na nové směry a předpisy Evropských společenství. Garant: doc. RNDr. Vladimír Krajčík, Ph.D. Autoři: Ing. Jiří Ševčík ACCENDO-Centrum pro vědu a výzkum, z. ú.,

3 Obsah ČÁST A Seznámení popularizátora vědy s tématem, Základní principy fungování 3D tisku Úvod Co to je 3D tisk Vývoj a historie 3D tisku Co vše lze vytisknout Filamenty (tiskové struny) Metody tisku Základní pojmy ve světě 3D tisku D tiskárna Felix v Program RepetierHost Zajímavosti a úspěchy 3D tisku Případové studie Seznam zdrojů a použitá literatura ČÁST B Pracovní aktivity pro studenty a žáky Pracovní aktivity pro 1. stupeň základních škol Nakresli si obrázek a vytiskni jej na 3D tisk Pracovní aktivity pro 2. stupeň základních škol Vytiskni si žeton do nákupního vozíku se svým jménem Nakresli si obrázek a vytiskni jej na 3D tiskárně Navrhni a vytiskni si prstýnek Pracovní aktivity pro střední školy Vymodeluj pohár Vytiskni pohár na 3D tiskárně Vymodeluj si svůj dům Udělej svůj výrobek z ABS lesklý a hladký

4 3.5 Zkalibruj a nastav 3D tiskárnu před tiskem Pracovní listy s odborným textem v anglickém a českém jazyce Colourful 3D with a classical 3D printer Transform reality into 3D models by 3D scanner Barevný 3D s klasickou 3D tiskárnou Převeďte 3D skenerem realitu do 3D modelů ČÁST C Metodická příručka Pracovní aktivity pro 1. stupeň základních škol Nakresli si obrázek a vytiskni jej na 3D tiskárně Pracovní aktivity pro 2. stupeň základních škol Vytiskni si žeton do nákupního vozíku se svým jménem Nakresli si obrázek a vytiskni jej na 3D tiskárně Navrhni a vytiskni si prstýnek Pracovní aktivity pro střední školy Vymodeluj pohár Vytiskni pohár na 3D tiskárně Vymodeluj sis svůj dům Udělej svůj výrobek z ABS lesklý a hladký Zkalibruj a nastav 3D tiskárnu před tiskem

5 CÍL VÝUKOVÉHO MODULU Popularizátoři vědy se seznámí s následujícími okruhy 3Dtisk se v poslední době rozšířil mezi běžnou populaci a stále více lidí si domů pořizuje vlastní 3D tiskárny. Jejich využití pak zasahuje do mnoha oborů od lékařství, přes konstruktérství až k umění. Získáte základní znalosti o jeho využití, principech a technických specifikacích. Znalosti Popularizátoři vědy při aktivním seznámení s výukovým modulem budou schopni seznámit zájemce o vědu se základními principy 3D tisku. Dovednosti ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 33 hodin. 5

6 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK ABS PLA CNC CAD CAM NASA FDM FFF SLS Akrylonitrilbutadienstyren Polylactyd Computer Numeric Control Computer-aided Design, Computer-aided Manufacturing National Aeronautics and Space Administration Fused Deposition Modeling Fused Filament Fabrication Selective Laser Sintering 6

7 Seznam symbolů a zkratek ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU KLÍČOVÁ SLOVA RYCHLÝ NÁHLED V MODULU CÍL ÚKOLY K PROCVIČENÍ KONTROLNÍ OTÁZKA ŘEŠENÍ SHRNUTÍ KAPITOLY 7

8 ČÁST A SEZNÁMENÍ POPULARIZÁTORA VĚDY S TÉMATEM, ZÁKLADNÍ PRINCIPY FUNGOVÁNÍ 3D TISKU CÍL Po úspěšném a aktivním absolvování kapitoly Získáte znalosti o základních principech 3D tisku a možných přístupech k němu. Zjistíte jaké materiály se pro 3D tisk používají a jaké využití a potenciál 3D tisk má. Znalosti Získané znalosti použijete při výuce širokého spektra předmětů od informačních systémů, přes matematiku, deskriptivní geometrii, geografii, chemii, fyziku, až k biologii. Dovednosti KLÍČOVÁ SLOVA 3D tisk, 3D tiskárny, PLA, ABS, modelování, kreativita, kustomizace ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU Čas potřebný ke studiu je 4 hodiny. 8

9 1 ÚVOD 3D tisk je do jisté míry revoluční technologie, která se může stát fenoménem 21. století. 3D tisk má potenciál od základů změnit stávající přístupy a zásadně ovlivnit současné výrobní technologie. Podobně jako průmyslová revoluce dala vzniknout masové sériové výrobě, 3D tisk umožňuje masovou individualizovanou výrobu, masovou kustomizaci. Z tohoto a dalších důvodů se o 3Dtisku hovoří jako o tzv."disruptive technology", přelomové technologii. V technologii 3D tisku se uplatňuje celá řada technických oblastí; jde o typicky multioborovou technologii, kde jsou zapojeny mnohé profese: designéři, programátoři, elektrotechnici, strojaři, mechanici, chemici, CAD/CAM kontruktéři nebo třeba i umělci. Přitom žádný z těchto oborů není vyloženě dominantní. Technologie 3D tisku má nepochybně obrovský komerční potenciál. Ať už tato technologie ovlivní společnost jakkoli, je nanejvýš žádoucí seznamovat s ní mladé lidi, a to přístupnou formou od jednoduchých stavebnic, přes praktické aplikace až po využití v kosmických programech. 3D tisk také přímo vybízí ke druhotnému zpracování surovin. Recyklace materiálu a jeho znovupoužití (např. ve formě plastového filamentu, granulátu apod.) je přirozenou součástí technologie 3D tisku již dnes. V budoucnu, s rozšiřujícím se spektrem využitelných materiálů (kovy, sklo, keramika atd.), lze očekávat ještě intenzivnější využívání recyklačních technologií. V neposlední řadě je 3D tisk chytlavým a snadno uchopitelným tématem nejen pro dospělé, ale také profese. Přitom v základní podobě jde o technologii masově dostupnou, jak finančně, tak svými nároky na potřebné vzdělání, dovednosti a znalosti. V 3D tisku tak pedagogové získávají atraktivní nástroj k rozvíjení technických znalostí svých studentů. Obrázek 1.1 Obráběcí stroj a 3D tiskárna Zdroj: 9

10 2 CO TO JE 3D TISK 3D tisk je výrobní postup trojrozměrných předmětů, které jsou přímo vyrobeny z digitálního počítačového modelu. Nabízí se zde analogie s běžně používaným 2D tiskem - stránka papíru je nejdříve vytvořena jako digitální předloha (počítačový model) ve formě textového souboru (Word, PDF apod.) a následně vytištěna na inkoustové nebo laserové tiskárně, tedy fyzicky vyrobena, a to v podstatě v neomezeném počtu kopií. Podobně lze vytvořit 3D model předmětu (krabička, koncovka hadice apod.) - ten je následně předán 3D tiskárně, která předmět fyzicky vyrobí (vytiskne). Obrázek 2.1 princip 3D tisku 3D tisk se obvykle provádí pomocí tzv. aditivního procesu, kdy se postupně přidává tiskový materiál. Jde o zcela jinou metodu než například u soustruhů, kde je materiál naopak postupně odebírán. Při použití aditivního procesu je objekt vytištěn ve vrstvách jsou vypočítány a pokládány po sobě jdoucí vrstvy materiálu tak dlouho, dokud není vytvořen celý objekt. Každou takovou vrstvu si lze představit jako tenký plátek horizontální řez 3D objektu. 3D tisk začíná samozřejmě vytvořením digitálního modelu objektu, který má být Zdroj: ACCENDO vytištěn. K tomuto účelu je používán specifický software, CAD/CAM (Computer Aided Design/Manufacturing) tedy modelovací program. Je ovšem možné vytvořit kopii stávajícího objektu; k tomu se využívá tzv. 3D skener, který nasnímá stávající vzor a převede jej do digitálního modelu, který lze dále zpracovat, upravit a nakonec vytisknout na 3D tiskárně. 3D model je nezávislý na tiskárně, může být vytvořen v libovolném modelovacím softwaru. Aby mohl být takový digitální 3D model na 3D tiskárně vytištěn, musí být předzpracován tak, aby mu 3D tiskárna rozuměla. Jde vlastně o virtuální nařezání modelu na jednotlivé vrstvy (plátky), které pak 3D tiskárna postupně načítá a klade na sebe jednu po druhé, až je objekt vytištěn. Tento princip 3D tisku je předmětem dalších kapitol. 10

11 3 VÝVOJ A HISTORIE 3D TISKU Obrázek 3.1 Obráběcí stroj a 3D tiskárna Historie 3D tisku sahá až do doby, kdy byl poprvé použit jednodušší princip výroby 3D objektu, a to různé druhy obráběcích strojů (soustruhy, hoblovky, frézy apod.) Ty využívají subtraktivní metodu, kdy je materiál obráběn, a to většinou pomocí jednoduchého otáčení výchozího tvaru a postupného odebírání materiálu pomocí nožů, frézek nebo kotoučů. Obráběcí stroje byly postupně vylepšovány až k univerzálnímu obráběcímu stroji, CNC soustruhu (computer numerical controlled), který je řízen počítačem ovládanými servomotory. Opačným výrobním postupem je aditivní metoda, kdy se materiál postupně přidává, dokud není výrobek hotov. Aplikace této metody nebyly nejdříve příliš rozšířené, používaly se například v nástrojárnách pro rychlou výrobu prototypů, kdy záleželo na krátkém čase a nízkých nákladech na vývoj nových dílů a komponent. V těchto případech šlo o nahrazení pomalé a drahé subtraktivní metody. Díky stále se zdokonalující technologii je ovšem aditivní metoda stále atraktivnější a začíná se pomalu prosazovat i do výroby. Díly, které byly dříve vyráběny obráběním, mohou být dnes vyrobeny rychleji a levněji aditivní metodou na 3D tiskárnách. Zdroj: Jakkoli je však aditivní metoda stále dostupnější, pravděpodobně nikdy zcela nenahradí tradiční způsob výroby obráběním. Stále existuje celá řada argumentů pro soustruh nebo CNC stroj, ať už je to velikost výrobku, požadavky na pevnost nebo na použitý materiál. Některé výrobky nelze aditivním způsobem vyrobit prostě z principu například dřevo může být pouze obráběno; těžko si představit 3D tiskárnu, která tiskne židli nebo stůl ze dřeva. Současný průmysl je tedy spíše o nalezení vhodné integrace těchto dvou metod, jak nakonec ukazují nově vznikající flexibilní vysoce konkurenceschopné firmy, které se 3D tiskem zabývají. 11

12 4 CO VŠE LZE VYTISKNOUT V dnešní době je pro nás již samozřejmostí, že si vytiskneme obrázek nebo fotografii. Při 3D tisku nám místo pouhého papíru z tiskárny vychází hmotný výsledek ve 3D (tzn. trojrozměrný) a vytisknout si můžeme téměř cokoli. Ať už se jedná o vánoční ozdoby, hračky, náhradní díly, umělecké předměty, protézy, až třeba po čokoládové bonbóny. Online databáze modelů Pokud jste si zakoupili tiskárnu a nemáte dostatečnou inspiraci, či um vytvořit si vlastní model existuje na internetu mnoho databází obsahujících tisíce modelů, určených k 3D tisku, asi největší z nich naleznete na adrese kromě samotných modelů zde najde te i instrukce k sestavení složitějších modelů i ukázky vytisknutých produktů z řad zdejší komunity. 3D tiskárna Jelikož 3D tiskárny jsou složeny z mnoha plastových součástek je možné velkou část těchto součástek vytisknout na samotné tiskárně a následně z nich zkonstruovat kopii samotné tiskárny. Tímto se se z tiskárny stává sebe-replikující stroj, který nevyžaduje větších investic a je tak vhodný pro lidi, kteří mají omezené finanční možnosti, předpokladem je však zručnost a technický talent. Obrázek 4.1 Tisk dílů na 3D tiskárnu Zdroj: Zdroj: 12

13 Domácnost Využití najde 3D tisk i v domácnosti představte si modelovu situaci, kdy manžel uklouzne ve sprše a při pádu se zachytí závěsu, čímž samozřejmě zlomí všechny kroužky, které závěs držely na tyči, s 3D tiskárnou se stává z neřešitelného problému, který jeho manželku přivádí k hysterii, jakéže to nemehlo si vzala, muž elegantně vybruslí, když si z internetu stáhnout model háčku a vytiskne si jej na své domácí 3D tiskárně a stává se tak hrdinou dne. Stejně tak si můžete vytisknout kupříkladu odměrku na kávu, či stojánek na vařené vejce. Obrázek 4.2 Použití 3D tisku v domácnosti Oblečení Zdroj: Módní návrháři mají díky technologii 3D tisku možnost navrhnout si oděvy, či obuv v počítači a následně sami vytisknout produkty bez použití jehly nití a to ve tvarech a formách, které byly dříve nemyslitelné. Obrázek 4.3 Využití 3D tisku v módním průmyslu Zdroj: 13

14 Potraviny Asi nejrozšířenějším materiálem pro tisk jídla je v dnešní době čokoláda či cukr (k jeho tvrzení se používá alkohol), které můžete tvarovat do rozlišných tvarů dle vaší libosti. NASA experimentuje s tiskem jídla pro kosmonauty, kde jako cartrige slouží prášek z hmyzu, řas, či mléka, každá pak má svou specifickou chuť a následně je možné tisknout jídlo například v podobě kuřecích stehen. Obrázek 4.4 Tisk jídla Zdroj: Protézy, ortézy a další zdravotnické pomůcky Komerčně vyráběné protézy jsou finančně značně nákladné, pomocí 3D tisku si můžou lidé s postižením vytisknout například protézu, která nahradí ztracené prsty za desetinu nákladů. Celý svět v roce 2013 obletěl příběh Loena McCartera, který se narodil bez prstů na levé ruce. Jeho otec našel na internetu návod jak si protézu vytisknout v domácích podmínkách na 3D tiskárně. Výsledná protéza stála 10 dolarů. I s náklady na tiskárnu, které činily dolarů byla protéza desetkrát levnější než originální protéza. Výhodou je také možnost kdykoliv si protézu, nebo její část během několika okamžiků dotisknout. 3D tisk se běžně používá k výrobě naslouchadel, podle odhadů britského analytika Phila Reevese je dnes v oběhu přes 10 milionů vytištěných naslouchadel. Pomáhá také při zlomeninách a poškozených kostech, největší výhodou je možnost individuálního přizpůsobení na míru pacientovi, díky vývoji nových materiálů náhrady nejen sedí, ale také v těle Zdroj: nezpůsobují odmítavé reakce. Slibný je také tisk orgánů, které mohou nahradit stávající způsob transplantací od dárců, v současnosti vědci umí tisknout pouze z jednoho typu buněk, lidské orgány se ovšem skládají z mnoha typů buněk a proto je nutný další vývoj. 14

15 Obrázek 4.5 Zdravotnické pomůcky Zdroj: makepartsfast.com Zdroj: huffingtonpost.com Zdroj: inhabitat.com Zdroj: dezeen.com Domy Pomocí rychle tvrdnoucího betonu je možné tisknout celé domy. Čínské společnosti WinSun se podařilo vyvinout tiskárnu, která zvládne vytisknout až 10 domů během jediného dne. Čínská tiskárna je 10 metrů široká a 6,6 metrů vysoká, k tisku používá cement a zbytky ze stavenišť, je tedy šetrná také k životnímu prostředí. Obrázek 4.6 Tiskárna domů Zdroj: Zdroj: 15

16 Didaktické pomůcky Je možné vytisknout předměty, které pomohou kantorům přiblížit studentům a žákům probíranou látku, v hodinách geografie si mohou například poskládat mapu Evropy z jednotlivých států, v hodinách chemie se osahat modely molekul, v geometrii vidět jak ve skutečnosti vypadají 3D objekty a uvědomit si tak jejich rozměry a tvary. Obrázek 4.7 Didaktické pomůcky Zdroj: 16

17 5 FILAMENTY (TISKOVÉ STRUNY) Pro potřeby 3D tisku se nejčastěji používají 2 typy materiálů nejrozšířenějším je ABS, jemuž úspěšně konkuruje ekologičtější PLA. Cenově jsou oba materiály srovnatelné. Kilogram tiskové struny stojí přibližně 700,- Kč. Výsledný objekt o velikosti 5 x 5 x 5 cm vyjde na 8,- Kč. Tyto materiály jsou na trhu v široké škále barev, vyrábějí se dokonce takové, které mění barvu v závislosti na teplotě, či svítí ve tmě. Obrázek 5.1 Ukázka tiskových strun Zdroj: ABS Jedná se o nejčastější materiál používaný k 3D tisku. Jeho největší výhodou je zdravotní nezávadnost tuhost a odolnost vůči vysokým chemikáliím (kyseliny, oleje, tuky, ) a vysokým teplotám (začíná měknout při 100 C). Při tisku vydává materiál zápach spáleného plastu a sedět celý den vedle tiskárny s tímto filamentem může přivodit bolest hlavy. Teplota při tisku se pohybuje od C. Po vytisknutí lze povrch výrobku z ABS vyhladit pomocí octové lázně, čímž vznikne souvislý a nádherně lesklý povrch. S tímto materiálem jste se jistě už setkali, aniž byste o tom věděli, neboť se z něj vyrábí většina kostek LEGO. Obrázek 5.2 Výrobky z ABS Zdroj: 17

18 PLA Po ABS se tento typ materiál používá nejčastěji, je získáván z obnovitelných zdrojů, jako jsou kukuřičný škrob, rostlinný škrob, či cukrová třtina, které je tedy ekologicky odbouratelné. Při tisku se na rozdíl od ABS nevyskytuje nepříjemný zápach, PLA vydává vůni rostlinného oleje, má zároveň vyšší lesk a pružnost a je snadněji zpracovatelný při výchozích podmínkách (menší náchylnost k deformacím). Tepelná odolnost je u něj oproti ABS nižší (měkne při 60 C). Teplota pro tisk se pohybuje kolem C. Lesklý a souvislý povrch u PLA zajistíme pomocí brusného papíru a lázně v rozpouštědle. Obrázek 5.3 Výrobky z PLA Zdroj: Ostatní 3D tisk se neomezuje pouze na výrobky z plastu. Vyrábět lze také z kovu, používá se k němu takzvaný alumid, což je směs nylonového a hliníkového prášku a vykazuje oproti platům značně vyšší odolnost. Díky vědeckému pokroku existují postupy tisku z dřevěných pilin, či soli kdy jsou obě tato média zpevňována příměsí, která reaguje na přidávání vody. Ve svém výzkumu dospěli vědci dokonce k cementovému polymeru vyztuženému vlákny, který dokáže v určitých případech alternovat železobeton, přičemž je výrazně levnější, a nabízí možnost vytvořit rozličné tvary betonových výrobků. Obrázek 5.4 Další příklady 3D tisku Zdroj: Emerging Objects 18

19 6 METODY TISKU 3D tiskárny používají různé technologie tisku. Existuje řada metod, jak tisknout 3D výrobky, všechny tyto metody jsou tzv. aditivní. Rozdíly spočívají ve způsobu, jakým jsou jednotlivé vrstvy pokládány a jaké materiály jsou použity. V současnosti nejrozšířenější metody jako třeba Selective laser sintering (SLS) nebo Fused deposition modeling/fused filament fabrication (FDM/FFF) fungují na principu roztavení nebo alespoň změkčení materiálu a jeho postupného nanášení ve vrstvách. Další metody využívají tekutiny, které se vytvrzují nejrůznějšími způsoby, např. Stereolithografie (SLA). Tisknout lze třeba i z netradičních materiálů, které lze zkapalnit a vzápětí stabilizovat nejrůznějšími způsoby: hlína vyschnutí, vosk, čokoláda nízká teplota atd. Selective laser sintering (SLS) (Selektivní laserové spékání) Tato technologie využívá vysokého výkonu laseru ke spojení malých částic plastu, kovu, keramiky, skla apod. do pevné hmoty. Tiskne se tedy z vrstev, které jsou tvořeny práškem. Toto práškové lože (jedna vrstva) je tvořeno práškem, jenž je po nanesení nejdříve ve správných místech zahříván na vysokou teplotu laserem a tím spojen. Poté je nanesena nová vrstva prášku a celý proces se na nové vrstvě opakuje, dokud není výrobek hotov. Veškerý nespojený prášek zůstává nedotčen a obvykle jej lze použít znova při tisku nového objektu. Při tisku plní nespojený materiál jakousi oporu pro následující vrstvy, což je výhoda zejména u komplexních tvarů, u kterých hrozí např. zborcení okrajové části objektu při tisku. Metoda SLS byla vytvořena v 80. letech 20. století v USA, dodnes je využívána např. V NASA. Obrázek 6.1 Selektivní laserové spékání Zdroj: 19

20 Fused Deposition Modeling/Fused Filament Fabrication (FDM/FFF) Obrázek 6.2 Metoda FDM Pojem Fused deposition modeling (FDM) je registrovanou ochrannou známkou. Protože existuje řada iniciativ, které se věnují 3Dtisku nekomerčně, byl jednou z takových iniciativ přijat a rozšířen termín Fused Filament Fabrication (FFF). S oběma těmito termíny se lze setkat, oba tedy popisují stejnou metodu 3D tisku. Princip této metody spočívá v tavení plastového vlákna nebo kovového drátu (záleží, z jakého materiálu se tiskne). Zažitý název pro toto vlákno nebo drát je filament. Tento filament se zpravidla odvíjí z cívky a je mechanicky vtahován do tavicí a vytlačovací trysky, která filament nataví a postupně nanáší na tištěnou vrstvu. Tryska je tedy zpravidla zahřívána na relativně vysokou teplotu, která musí být dostatečná k natavení materiálu (filamentu). Důležitý je pohyb trysky ve všech třech směrech, který je přesně řízen, zpravidla krokovými servomotory prostřednictvím softwaru (CAM). 3D objekt se tak vyrábí vytlačováním roztaveného materiálu po vrstvách. Tento přístup má své Zdroj: ACCENDO výhody; jde zejména o relativní jednoduchost, s jakou lze 3D tiskárnu používající tuto metodu sestrojit - není náhodou, že tato metoda je nejrozšíženější mezi levnějšími "hobby" 3D tiskárnami. Jsou zde však také jisté nevýhody; například použitý materiál musí splňovat celou řadu parametrů: musí být dobře tavitelný, zárověň však musí tuhnout docela rychle, nejlépe ihned po vytrlačení z trysky, zároveň by však měl být dobře spojitelný i za teplot pod bodem tavení, aby k sobě jednotlivé vrstvy dobře přilnuly. Filament musí být prost nečistot a měl by být homogenní (bez "bublin"), aby bylo zajištěno správné a kontinuální dávkováni tryskou. Dávkovací a vytlačovací mechanismus musí být seřízen tak, aby dostatečně pevně ovládal vtlačování filamentu do trysky, navíc musí zajistit nejen vytlačování roztaveného filamentu, ale také jeho zastavení (musí být tedy schopen i "zpětného chodu"). Všechny tyto mechanické aspekty znamenají celou řadu potenciálních zranitelností a zavdávají příležitosti k chybným nastavením a nefunkčním tiskovým procesům. Metoda FDM se rozšířila v USA v osmdesátých letech 20. století. Specifikem je, že lze tisknout ze dvou materiálů, z nichž jeden je určen pro hotový výrobek, druhý materiál slouží jako "podpůrná struktura" při tištění komplexních tvarů. 20

21 Stereolitografie (SLA) Stereolitografie je zřejmě nejpřesnější současná metoda 3D tisku. Ne náhodou se využívá například i při výrobě elektronických čipů, neboť přesnost může být teoreticky až na úrovni jednotlivých molekul použitého materiálu. Principem je postupné vytvrzování materiálu, nejčastěji polymeru (fotopolymerová pryskyřice), a to za účinků záření různých vlnových délek (zpravidla UV záření, UV laser). Toto záření lze zaměřovat a vytvářet tak jednotlivé vytvrzené vrstvy. Přesnost výsledného modelu při použití této metody je značná, další výhodou je výborné vzájemné spojení jednotlivých vrstev. Daní za přesnost je ovšem čas potřebný k vytištění modelu. Obrázek 6.3 Stereolitografie Typická tloušťka jedné vrstvy bývá řádově v setinách milimetru. Podobně jako u metody FDM/FFF je i u stereolitografie nutné použít podpůrné (nosné) konstrukce v případech, kdy jsou tištěny komplexní tvary. Tato technika byla vyvinuta ve stejném období jako FDM/FFF, tedy v 80. letech 20. století. Zdroj: ACCENDO 21

22 7 ZÁKLADNÍ POJMY VE SVĚTĚ 3D TISKU Následující kapitola obsahuje ty nejdůležitější pojmy, které potřebujete znát, abyste mohli s 3D tiskem začít. Obrázek 7.1 Ukázka programu Google SketchUp CAD (z angličtiny computer-aided design) je aplikace, která poskytuje nástroje pro navrhování 3D modelů na počítači. Zjednodušeně řečeno, CAD aplikace nahrazuje projektantovi rýsovací prkno. Avšak navíc obsahuje také grafické, matematické a další nástroje pro modelování objektů a simulování reálného světa. V našem případě je CAD software důležitý z hlediska konstrukce 3D modelů a jejich vizualizace. Jako příklad můžeme uvést program Google SketchUp, který byl původně určen k vytváření modelů budov pro 3D mapy společnosti Google. Tento program je uživatelky příjemný a práce s ním je intuitivní. Pomocí zásuvného modulu do tohoto programu je možné uložit si hotový model přímo do formátu, podporováného napříč všemi výrobci tiskárny STL. STL Datový formát pro uložení a přenos 3D objektů. Obdobou ve světě 2D tiskáren je formát PDF. Podstatnou vlastností formátu STL je jeho univerzálnost - podobně jako PDF jej lze načíst do celé řady softwarových aplikací, není závislý na platformě atd. Objekty ve formátu STL se již obvykle needitují (ačkoli je to teoreticky možné, STL je obvykle uložen jako textový soubor). STL je tedy používán zejména pro přenos modelu z aplikace CAD, kde byl vytvořen, do aplikace CAM, kde bude dále zpracován. Obrázek 7.2 Program Repetier-Host CAM (computer-aided manufacturing) Se systémy pro programování výrobních CNC strojů, v našem případě 3D tiskáren. Pokud CAM software zná konstrukci a nastavení konkrétního zařízení a použité technologie tisku, pak je schopen generovat konkrétní instrukce, které bude 3D tiskárna při tisku vykonávat. Výstupem CAM aplikace je tzv. G-kód, který je vygenerován výpočetním nástrojem tzv. slicerem. Zdroj: ACCENDO 22

23 Obrázek 7.3 Nastavení parametrů tisku v programu Repetier-Host Slicer Zdroj: ACCENDO Výpočetní nástroj, který se používá na nakrájení modelu na jednotlivé horizontální vrstvy. V CAM aplikaci si zvolíme parametry pro tloušťku jednotlivých vrstev, přesnost a rychlost tisku, teplotu, materiál, typ vnitřní výplně modelu. Slicer následně vygeneruje G-kód, podle kterého následně tiskárna tiskne celý objekt. G-kód Programovací jazyk, který je pak přímo vykonáván nějakým mechanickým zařízením. V případě 3D tiskárny obsahuje G-kód instrukce, které posouvají trysku požadovaným směrem, vytlačují tiskový materiál a vykonávají řadu dalších akcí. G-kód je generován ze STL v CAM aplikaci a je samozřejmě přímo závislý na konstrukci 3D tiskárny. Obdobou G-kódu ve světě 2D tiskáren, které běžně známe z kanceláří, jsou např jazyky PCL nebo HPGL. Efektivita 3D tiskárny Efektivita 3D tiskárny je dána dvěma faktory. Jednak kvalitou tisku, tedy přesností, se kterou jsou objekty vytištěny, jednak rychlostí, s jakou 3D tiskárna tiskne. Pochopitelně tyto dva aspekty jdou do zančné míry proti sobě - při rychlém nanášení vrstev materiálu se obvykle nedosahuje takové kvality jako při pomalém. Přesnost 3D tisku je do značné míry ovlivněna mechanickou konstrukcí 3D tiskárny. Neméně důležitou součástí, kter ovlivňuje přesnost, je ovšem také použitý software. 23

24 8 3D TISKÁRNA FELIX V3.0 Tato tiskárna patří do nejrozšířenější skupiny tiskáren pracujících na principu aditivního přidávání filamentu. Na této tiskárně lze tisknout poměrně velké výrobky o velikosti až 25,5 x 20,5 x 22 cm a to s přesností 0,05 mm. Jedna z dalších nesporných výhod je její váha, která činí pouhých 6,7 kg, tiskárna tímto dostatečně mobilní a manipulaci při přenosu zvládne jedna osoba. Tiskárna se prodává jednak sestavená, a jednak ve formě stavebnice určené pro technicky zručné, kterým se nechce vynakládat finanční prostředky navíc. Novinkou u této verze tiskárny je možnost tisknout pomocí 2 tiskových hlav, vznikat tak mohou dvojbarevné modely. Další využití druhé trysky spočívá v tisku podpůrné konstrukce vyrobené z vodou-odbouratelného filamentu, ten se po vytisknutí snadno rozpustí ve vodní lázni. Tabulka 8.1 Cena tiskárny Typ Stavebnicová verze Sestavená tiskárna 1 tisková hlava ,- Kč ,- Kč 2 tiskové hlavy ,- Kč ,- Kč Zdroj: Obrázek 8.1 3D tiskárna Felix v3.0 Zdroj: 24

25 Základní komponenty Obrázek 8.2 Základní komponenty 3D tiskárny Zdroj: 25

26 Motory, kolejnice, řemeny a průtlačník Pohyb tiskárny podél os X, Y a Z zajišťují 3 motory. Motor osy X pohybuje tiskovou hlavou po kolejnici pomocí ozubeného kolečka, do kterého je zaklesnut řemen, stejný princip pak funguje u osy Y, podél které se pohybuje vyhřívaná deska. Motor osy Z pak otáčí 30 cm dlouhým šroubem, který po kolejnici posunuje vyhřívanou desku nahoru a dolů. Čtvrtý motor je pak určen k posunu tiskové struny průtlačníkem na tiskovou plochu. Průtlačník Adjustace komponent Pozici hlavy při tisku zajišťují 3 optické senzory. Optosenzory pro osu X a Y snímají stále jednu polohu. Na rozdíl od optosenzoru osy Z, který snímá součástku, která je nastavitelná pomocí 2 šroubů, jeden z nich zajišťuje hrubé dotažení, druhý pak jemný posun. Šroub na jemné dotažení Šroub na hrubé dotažení Optosenzor osy Z Před prvním tiskem je potřeba seřídit vyhřívanou desku do vodorovné polohy pomocí matic, které se nacházejí na spodní části desky. Tím zajistíme stejnou vzdálenost tiskové hlavy od podložky. 26

27 Dotisk komponent Tiskové struny, které se během tisku odvíjejí z kotouče, mají jednu nepříjemnou vlastnost, a tou je časté zamotávání, které může vést až k přetrhnutí struny. za tímto účelem jsou na stránkách výrobce k dispozici 2 komponenty, které zamotávání struny v průběhu tisku zamezí. Prvním z nich je osa na kterou se kotouč s tiskovou strunou nasadí a v průběhu tisku se kolem ní postupně otáčí, čímž zajišťuje rovnoměrné odvíjení struny z kotouče. Druhé příslušenství se skládá z 2 vzájemně nespojených součástí, které tiskneme dohromady, jsou ve tvaru 2 kroužku, do kterých se vloží struna. Kroužky během tisku pohybují způsobem, který zamezí neustálému zamotávání struny. Třetí komponenta není na první pohled příliš důležitá, jedná se totiž o držák na pinzetu, která se dodává společně s 3D tiskárnou. Pinzeta je nezbytným pomocníkem při manipulaci s tisknutým produktem v průběhu tisku v případě, kdy dojde k nečekaným událostem, je nutné ji mít stále po ruce a to na jednom místě. Držák tento požadavek splňuje na 100% (pokud jej zodpovědně používáte). 27

28 9 PROGRAM REPETIERHOST K načtení 3D modelů, jejich úpravě, nařezání, tisku a obsluze smaotné tiskárny slouží u produktů společnosti FELIX programový prostředek RepetierHost. V horním panelu se nacházejí ovládací prvky k připojení tiskárny Connect, načtení modelu Load, uložení tiskového projektu Save Print, začátek tisku Start Print a zrušení tisku Kill Print. V pravém postranním panelu se nachází karty: o Object Placement úprava načteného objektu o Slicer Nastavení parametrů tisku a následné generování G-kódu při kterém je objekt nařezán na jednotlivé vrstvy o Manual Control ovládání tiskárny (pohyb jednotlivých os, průtlačníku a teploty vyhřívané desky a topného tělesa. o SD Card tisk z SD karty o Uživatelské rozhraní rovněž nabízí virtuální pohled na prostor určený pro tisk, jehož obsah se mění v závislosti na kartě, která je otevřené v pravém postranním panelu. V tiskovém prostoru je možné se pohybovat následujícím způsobem: o Levé tlačítko myši rotace tiskového prostoru o Pravé tlačítko myši posun objektu v rámci tiskové ho prostoru o Kolečko na myši přiblížení a oddálení v tiskovém prostoru 28

29 Načtení a úprava modelu Stiskem tlačítka Load, se nám otevře okno, ve kteréém vybereme tiskový soubor uložený ve složkové struktuře na našem počítači, nejčastěji ve formátu *.stl. Následně můžeme v pravém postranním panelu v kartě Object Placement objektem manipulovat následujícím způsobem: Export Export do tiskového souboru Add Object Přidání tiskového souboru Copy Object(s) Kopírování objektu Autoposition Automatické rozmístění jednotlivých objektů v případě, že tiskne současně více objektů Center Obect Umístění objektu do středu tiskové plochy Scale Object - Funkce, která umožňuje změnu velikosti objektu, můžeme měnit měřítko ve směru všech os rovnoměrně, čímž zůstává objekt v původním tvaru. Po odemknutí ikony visacího zámku se nám otevírá možnost měnit proporce objektu nezávisle v jednotlivých osách o odlišné hodnoty. Funkce Scale to Maximum zvětší/zmenší objekt do maximální velikosti, kterou je tiskárna schpnavytisknout, Reset pak zruší všechny provedené změny velikosti. 29

30 Rotate Object V případě, že importovaný objekt je nevhodně otočen vzdhledem k tiskové ploše nabízí tato funkce možnost otočení objektu ve směru jednotlivých os podle zadaného úhlu (0-360 ). Do původní polohy objekt vrátíme tlačítkem Reset Rotation. Tlačítko Lay Flat otočí objekt rovně na plochu podložky (při praktické práci je vhodnější toto tlačítko nepoužívat aotáčet objekt raději podél jednotlivých os). Cut Objects Pomocí této funkce je možné objekt shora ořezat, volba Position určuje jaké množství objektu odřežeme, Inclination určuje úhel řezu a azimuth směr řezu v případě, že úhel řezu není nulový. Slicer Mirror Object Vytvoří zrcadlový obraz tisknutého objektu. V této kartě je možné nastavit parametry tisku jako je: rychlost tisku, hustota vnitřní výplně, možnost tisku podpůrné konstrukce, typ tiskové struny, teplota vyhřívané podložky, teplota vyhřívaného tělesa, přesnost tisku, způsob (tzv. engine) kterým bude provedeno generování G-kódu (v současnosti používá RepetierHost již několikátou generaci enginu CuraEngine) Po nastavení všech parametrů spustíme generování G- kódu pomocí tlačítka Slice with CuraEnngine. 30

31 Preview Po dokončení generování G-kódu program zobrazí v panelu Preview čas, potřebný k tisku modelu, počet vrstev, ze kterých bude model vytisknut, počet linií potřebných k tisku objektu a délku tiskové struny v milimetrech. Příprava tiskárny k tisku Jakmile máme vygenerovaný G-kód můžeme připojit tiskárnu tlačítkem Connect, které se po úspěšném připojení rozsvítí zeleně a my můžeme ovládat samotnou tiskárnu v kartě Manual Control. Ikony ve tvaru domečků, ve kterých jsou napsaná písmena jednotlivých os, nastaví polohu tiskové hlavy do výchozích souřadnic [0;0;0]. Jednotlivé šipky pak posunují vyhřívanou deskou (osy X a Z), nebo tiskovou hlavou (osa Y). Šipkami, které jsou u ikony zobrazující průtlačník, kontrolujeme posun tiskové struny směrem k topnému tělesu a zpět. Před tiskem je nutné zapnout vyhřívání topného tělesa Extruder a vyhřívané podložky Bed Temperature, jakmile dosáhnou obě tyto teploty nastavené před slicingem můžeme zapnout tisk objektu pomocí tlačítka Start Print. V průběhu tisku poté můžeme měnit rychlost tisku pomocí posuvníku Feedrate, zapnout větrák chladící tiskovou hlavu a korigovat intenzitu ochlazování posuvníkem Fan a korigovat teplotu vyhřívané podložky a topného tělesa. Jakmile je tisk ukončen program automaticky vypne veškeré vyhřívání. Poté co podložka vychladne, jednoduše z ní objekt sundáme. 31

32 10 ZAJÍMAVOSTI A ÚSPĚCHY 3D TISKU Jak už bylo zmíněno výše potenciál aplikací technologií 3D tisku je v podstatě neomezený. Pro základní představu: vizualizace návrhů, zdravotní péče (protétika), rapid prototyping, zábava (hračky), odlévání kovů, maloobchod architektura a design, stavebnictví vzdělávání, Další aplikace samozřejmě postupně přicházejí. Jde například o rekonstrukci fosilií (paleontologie), replikaci starověkých a drahocenných artefaktů (archeologie), rekonstrukci kostí a částí těl (soudní patologie), rekonstrukci důkazů získaných při vyšetřování trestných činů (kriminologie) a mnohé jiné. Nezanedbatelný je také potenciál 3D tisku v oblasti umění. Obrázek 10.1 Využití 3D tisku Zdroj: Ve 21. století je technologie 3D tisku intenzivně testována biotechnologickými firmami ve spolupráci s předními univerzitami, neboť se zde otevírají slibná použití při výrobě nových tkání, orgánů a obecně částí lidského těla pomocí 3D tisku. Zjednodušeně lze princip popsat jako tištění živých tkáňových buněk (opět ve vrstvách), přičemž spojovacím materiálem je vhodné médium (např. ve formě gelu nebo hustého fyziologického roztoku). Touto metodou lze vystavět trojrozměrnou strukturu z živých buněk a tuto dále použít v dalších krocích k řadě chirurgických zákroků. Vývoj v tomto směru samozřejmě dále pokračuje a v současné době neexistuje řešení tohoto typu, které by bylo možné označit za prověřené a prakticky uskutečnitelné. Není ovšem pochyb, že byl položen základní kámen novému oboru - počítačově podporovanému tkáňovému inženýrství. 32

33 Přestože to vypadá, jakoby se 3D tisk šířil teprve v posledních několika letech, je tato technologie známá a využívaná po celá desetiletí. Zejména designéři a výrobci již běžně používají technologii 3D tisku pro hledání optimálních výrobních postupů a obecně pro výzkumné účely; tyto činnosti spojuje často užívaný termín "rapid prototyping". Obrázek 10.2 Výroba prototypů Zdroj: Že se 3D tiskárny v oblasti vývoje prosazují je logické - jde samozřejmě zejména o cenu. Rychlé 3D tiskárny stojí sice desítky tisíc dolarů, vývojovým týmům však slouží opakovaně po dlouhou dobu a náklady na jejich provoz jsou relativně nízké, rozhodně nižší než náklady na lidskou práci při ručním zhotovení prototypu. Svou roli zde hraje i kritické propojení počítačově podporovaného modelování a výroby; od návrhu po hotový prototyp tak oproti minulosti může uběhnout doslova několik desítek minut, přitom lidská ruka se poprvé dotkne až hotového vytištěného objektu. Designéři tak mohou představy svých zákazníků realizovat často ještě tentýž den. Perspektivní není jen design a výroba pouhých prototypů, ale přímé zapojení technologie 3D tisku do výroby, tady ne jen rapid prototyping, ale rovnou rapid manufacturing. Jde o nový způsob výroby, který je odpovědí na obrovskou výzvu současného trhu: masovou kustomizaci. Výrobky jsou z funkčního hlediska i nadále navrhovány a vyráběny masově, zákazníci jsou však stále hlouběji vtahováni do procesu návrhu a výroby a mohou tak ovlivnit celou řadu parametrů, zejména výsledný "vnější" design. Tento přístup se pochopitelně nejrychleji uplatnil u výrobků jako je oblečení, mobilní elektronická zařízení, obuv, šperky - tedy předměty osobní spotřeby, které nejrychleji podléhají módním trendům a osobnímu vkusu zákazníků. Lze ovšem předpokládat, že masová kustomizace bude časem úspěšná i v oblastech, kde je tradičně kladen důraz spíše na funkčnost než na estetický dojem, např. zdravotní pomůcky, potřeby pro domácnost apod. 3D tisk se tak pomalu stává plnohodnotnou součástí výrobního, nikoli jen vývojového, procesu a předměty vytištěné na 3D tiskárně jsou skutečným koncovým výrobkem, nikoli pouhým prototypem. Faktem je, že 3D tiskárny jsou zhruba od roku 2010 mnohem dostupnější také pro domácí použití. Fandové a nadšenci utrácejí řádově stovky, maximálně však tisíce dolarů za 3D tiskárny, které jsou již schopny relativně kvalitního a dostatečně rychlého tisku. Technologie 3D tisku se tak stává součástí stále většího počtu domácností. Je otázkou, zda se 3D tisk rozšíří podobně jako jiné, 33

34 původně nákladné, nyní dostupné technologie jako např. mobilní telefonie nebo digitální fotografie. V současnosti je velice složité vytvářet jakékoli předpovědi, minimálně v následujících několika letech se však zřejmě 3D tiskárny v každé domácnosti nedočkáme. Mezi překážky velkého rozšíření levného 3D tisku patří stále ještě malá rychlost (na hotový výrobek se čeká řádově hodiny), použité materiály (široce rozšířené plasty jako ABS například nemají potřebnou zdravotní atestaci a nelze je tedy bez problémů používat na tisk nádobí či zdravotních pomůcek, třeba brýlí) a v neposlední řadě také stále ještě příliš vysoká složitost (zákazníci musejí ovládat základní postupy 3D modelování). Všechny takové překážky se zřejmě časem podaří odstranit. Již nyní například existuje řada portálů, které nabízejí databáze hotových 3D modelů. Lze si tedy představit, že v docela blízké budoucnosti si třeba příbory nekoupíme v obchodě, ale stáhneme si 3D model, upravíme pouze základní parametry dle vlastního vkusu jako je barva či celková velikost, a necháme si je vytisknout na naší domácí 3D tiskárně. Zda je tento přístup se současnými technologiemi a v dnešní společnosti životaschopný uvidíme za pár let. Tahounem levné široce rozšiřitelné 3D technologie, je open source projekt RepRap, který dal zapáleným nadšencům šanci postavit si svou vlastní funkční 3D tiskárnu za cenu pár stovek dolarů. Skutečným akcelerátorem je zde princip sdílení informací a znalostí. Každý, kdo se zapojí do RepRap projektu sdílí své zkušenosti a nápady, které ostatní mohou používat a dále zlepšovat. Zdá se, že tento přístup, známý třeba z oblasti open source softwaru, v tomto případě skvěle funguje i v oblasti open source hardwaru. Není také od věci, že rychlý vývoj open source 3D tiskáren není záležitostí pouze ekonomicky silných rozvinutých zemí s finančně výrazně podporovanými univerzitami, ale také rozvojových zemí. Technologie 3D tisku má potenciál stabilizovat ekonomickou udržitelnost v rozvojovém světě - bude-li ovšem správně aplikována. Základními předpoklady jsou: využití snadno dostupných levných místních zdrojů, zachování otevřenosti 3D technologie (žádná patentová ochrana), ponechání vývoje, výroby a navazujících služeb v lokálních ekonomikách, aby zůstala zpětná vazba mezi výrobou využívající 3D tisk a koncovými zákazníky, kteří výsledné výrobky používají. Další velkou výzvou 3D technologie je zatím jen velmi nejasná oblast služeb. Již dnes řada nadšenců sdílí své 3D tiskárny s komunitou podobně zaměřených lidí a v podstatě nabízí 3D tisk jako službu těm, kteří si svou vlastní 3D tiskárnu buď nemohou dovolit, nebo ji vlastně ani nechtějí provozovat. Již také vznikají samostatné servisní 3D kanceláře, které nabízejí kompletní služby, tedy nejen samotný 3D tisk, ale také návrh od zákaznického konceptu přes prototyp až po výsledný výrobek. Spousta uživatelů má nyní také možnost nahrát a sdílet své vlastní 3D modely na portálech, které fungují jako databáze dílů a komponent a stávají se tak součástí globální otevřené komunity návrhářů. Bez ohledu na konkrétní použítý obchodní model toho kterého portálu (prodej za peníze versus svobodně sdílené autorské návrhy zdarma) je právě možnost zapojení se tím, co způsobuje tak živelný vývoj technologie 3D tisku. 34

35 Odtud je již jen malý krok k business-to-business řešením. Oblastí, které se přímo nabízejí k využití služeb specializovaných 3D servisních kanceláří je opravdu hodně, za všechny jmenujme např. architektonické a projekční kanceláře, zubní lékaře, umělecké ateliery, výrobce automobilových komponent apod. Technologický vývoj 3D tisku má tedy potenciál zcela změnit nejen povahu designu a výroby, ale také obchodu. Souvisí to s celkovými změnami v ekonomice, která je podle stále častěji zaznívajících názorů nikoli v krizi, ale v obrovské transformaci. Internet, mobilní komunikace, automatizované zpracování dat, sdílení informací, nové způsoby vzdělávání a předávání znalostí, nové technologie prostě přinesly zcela nový pohled na tradiční zavedené postupy. Zákazníci jsou mnohem více vtahováni do procesu výroby, jsou schopni samoobsluhy (vzpomeňme třeba bankomaty), požadují nejen nízké ceny, ale vysokou kvalitu a rychlost. Zákazník 21. století chce být mnohem emancipovanější, méně závislý na dodavateli, dokáže se mnohem více angažovat při hledání výrobků a služeb, které přesně odpovídají jeho představám. Technologie 3D tisku do tohoto světa přirozeně patří. Je otázkou, zda a do jaké míry se prosadí. Je zde řada výzev, jak technologických tak společenských. Výzvou jsou 3D tiskárny schopné tisknout v barvách, z nových materiálů, ve vyšší přesnosti, rychleji a levněji. Velký potenciál je například ve výzkumu reckylovaných materiálů, které by byly vhodné pro využití ve 3d tisku. Odpovědi na tyto výzvy mohou změnit svět výroby a obchodu jak jej doposud známe. 35

36 11 PŘÍPADOVÉ STUDIE Mick Ebeling, člověk, který naučil domorodce v Africe pracovat s 3D tiskárnou, aneb každá změna začíná něčím malým. Případ, kdy dvanáctiletý Daniel ze Súdánu, při náletu súdánské armády proti povstalcům v horách přišel o obě ruce. Teď žije nový život díky cizímu člověku. Mick Ebeling, filantrop a šéf kalifornské produkční společnosti se vydal do roky válkou zmítané africké země, aby pomohl chlapci, kterého nikdy předtím neviděl, jen o něm četl na internetu. Shodou okolností Mick Ebeling na svém webu krátce před odletem do Súdánu psal o vynálezci, jemuž se podařilo levně vyrobit protézu ruky pomocí 3D tiskárny. Tehdy v jeho hlavě vzklíčila myšlenka obě věci propojit. 3 měsíce na to, seděl v letadle směr východní Afrika. Obrázek 11.1 Daniel s protézou vytisknutou na 3D tiskárně Zdroj: Mick Ebeling v té době věděl velmi málo o 3D tisku a ještě méně o protézách končetin. Obklopil se tak chytrými lidmi, poslouchal a nasával jejich znalosti. Svedl dohromady všechny možné odborníky, aby mu dali rychlokurz v 3D tisknu a protézách Po absolvování různých sezení a přednášek se vydal na cestu Do Súdánu, aby zúročil svůj ambiciozní plán. Pracoval v provizorní dílně vyrobené ze staré kůlny, uprostřed pustého, zaprášeného uprchlického tábora Yida v Jižním Súdánu. Úkryt tam tou dobou hledalo na 70 tisíc zoufalých lidí, které z domovů vyhnala, tvrdí vládní ofenziva proti povstalcům. Mezi nimi byl i Daniel. Navzdory vysokým teplotám, díky nimž se výrobní materiály často roztékaly, broukům věčně ucpávajícím motory tiskárny a počáteční nedůvěře těžce frustrovaného chlapce se Ebelingův sen splnil. Po několika nezdarech a dnech se podařilo Danielovi umístit protézu. Nebyl ještě moc silný, aby udělal pohyb k sevření ruky, ale dokázal s ní manipulovat až k ústům. Ebeling pobýval v Nubijských horách i nadále, ale tentokrát v nemocnici doktora Toma Cateny, u 36

37 kterého se zrodil nápad v Ebelingově hlavě o pomoci mladému chlapci v Súdánu. Ebeling se obklopil řadou místních, z nichž většina neviděla ani počítač, a učil je kouzlům 3D tisku. Z jednoho jediného chlapce, jenž se díky pomoci Ebelinga vrátil zpět do života, se tak staly celé zastupy. Přesně tam chtěl Ebeling dospět a spolu s doktorem Tomem Catenym byli připraveni spustit továrnu na výrobu protéz. Paul McCarthy, otec který pro svého syna vytiskl protézu ruky za 10 dolarů ( projekt robohand) Malý Leon McCarthy, který pochází z městečka Marblehead ve státě Massachusetts, se narodil bez prstů. Jeho otci Paulovi McCarthymu se povedlo vyrobit mu svépomocným způsobem jednoduchou funkční protézu ruky. K tomuto účelu využil trojrozměrnou tiskárnu a celý proces ho stál jen asi 10 dolarů, které vynaložil na materiál. Standardní komerční elektronická protéza, která by mohla dvanáctiletému chlapci nahradit chybějící prsty, stojí zhruba mezi 20 až 30 tisíci dolary. Leonův otec se proto rozhodl půjčit si trojrozměrnou tiskárnu MakerBot v ceně 2 tisíc dolarů, kterou měli k dispozici v chlapcově škole. S její pomocí pak mohl pro syna vytisknout součástky pro protézu ruky. Na základě dokumentace protézy s názvem Robohand, kterou zdarma zveřejnili na internetu její vynálezci Ivan Owen a Richard Van As, vyrobil otec poměrně jednoduchou mechanickou protézu, která však dobře zvládá přenášet pohyby zápěstí na umělé prsty. Kromě vytištěných komponent z plastu se ruka dále skládá z řady šroubů a kabelů. Obrázek 11.2 Leon McCarthy s protézou ruky ze 3D tiskárny Zdroj: čt24 Chlapec je nyní schopen díky této protéze uchopovat a držet předměty a dokonce i psát a kreslit. Může dokonce jezdit i na kole. Podobné levné protézy získala v posledních dvou letech celá řada dalších dětí i dospělých. Leonův otec chce nyní v započaté cestě pokračovat - jeho cílem je naučit co nejvíce lidí vyrábět podobné protézy na trojrozměrných tiskárnách. 37

38 Americký pes Derby běhá díky protéze Pes Derby se narodil s oběma výrazně deformovanými předními končetinami. Jejich předloktí jsou slabá, nevyvinutá a Derbyho přední packy prakticky neexistují. Nebylo tedy možné, aby normálně chodil, natož aby běhal s ostatními psy. Proto se ho před časem ujali ošetřovatelé z psího v americkém státě New Hampshire. Zde si ho následně všimla produktová ředitelka firmy 3D Systems Tara Anderson. Firma, ve které Tara pracuje, sídlí v Jižní Karolíně a zabývá se rozvojem technologií třírozměrného tisku. Obrázek 11.3 Pokusy s dvojkolovým vozíkem Zdroj: 3Dsystems Tara začala postupně vymýšlet způsob, jak by bylo možné Derbymu pomoct. Nejdříve vyzkoušela obvyklou cestu - malý podpůrný dvojkolový vozík. Ten sice Derbymu pomohl nahradit jeho ochrnuté přední končetiny a umožnil mu se pohybovat, avšak možnosti vozíku byly přeci jen omezené a běhat se s ním nedalo. Proto Tara ve spolupráci s kolegy ze své firmy a s dalším spolupracovníkem na zvířecí protézy opatřila Derbymu na míru vytištěné speciální protézy předních nohou. Tyto protézy vznikly po proskenování Derbyho morfologie a mají softwarově odladěný tvar (díky programugeomagic Freeform), aby je mohl pes hladce používat k rychlému, plynulému a přirozenému pohybu. Výsledný tisk proběhl na tiskárně ProJet 5500X. Zvláštností této tiskárny je možnost používání dvou materiálů najednou při jedné tiskové proceduře. Proto je dolní část protézy, která je ve styku s často velmi tvrdým povrchem, vyrobena z tvrdšího plastu, stejně jako vnitřní příčky. Naopak horní část, která je v přímém kontaktu s psí packou, je vyrobena z materiálu měkčího a pružnějšího. Protézy příliš nepřipomínají berle, spíše jakési zvláštní minikolíbky či náramky a zároveň výztuže, které Derbymu jeho lidští společníci připevňují pomocí krátkých řemenů k jeho deformovaným packám. Nahoře každá protéza v podstatě kopíruje tvar Derbyho končetiny v předloktí. To se vloží do jamky na svrchní straně minikolíbky a zafixuje se v ní. Dole je protéza přizpůsobena širokému druhu povrchů a jejich členitosti a také různému druhu psího pohybu. Nyní může Derby celkem hladce běhat se svými pány i s druhými psy, aniž by se rychle unavil. 38

39 Tisk automobilu Strati je složeno ze 49 dílů a jeho jednoduchá výroba vám bude trvat pár dnů. Na výstavě International Manufacturing Technology Show 2014 v Chicagu se už objevil malý černý vůz, který se stal prvním plně funkčním vytištěným vozem na světě. Obrázek 11.4 Automobil Stratti v 3D tiskárně Zdroj: Profimedia.cz Malý elektrický roadster se jmenuje Strati a je dílem firmy Local Motors z americké Arizony. Na výstavě trval jeho tisk dva dny, za šest dnů byl pak zkompletován do plně funkční verze. Jeho majitelé s ním pak předvedli také předváděcí jízdu. Maximální rychlost údajně dosahuje 60 km/h a baterie by měla mít dosah 193 až 241 kilometrů. Šedivý Strati je větší, než jsem očekával. Sedí nízko nad silnicí podobně jako závodní auto a jsou v něm jen dvě sedačky. Zatímco klasický automobil obsahuje zhruba pět tisíc součástek, Strati je složeno z pouhých 49 součástí. Některé díly tiskárna pochopitelně nezvládá a pneumatiky, baterie, elektromotor a díly podvozku jsou vyrobeny z tradičních materiálů a tradičním způsobem. Ale o zbytek se už postarala tiskárna. Vytištěné součásti jsou vyrobeny z vrstev černého plastu a vyztužené uhlíkovými vlákny. K výrobě autoři použili tiskárnu nadstandardních rozměrů, která dokáže vytisknout díly až tři metry dlouhé a 1,7 metru vysoké. Karoserie působí plastově, ale také velice pevným dojmem. Je poskládaná z 227 vrstev a jediným limitem byla přitom velikost samotné tiskárny. Firma, která auto vyrobila očekává, že k tisku bude používat větší tiskárny, aby tak mohla tisknout ještě větší auta. Strati vyvíjeli čtyři měsíce. Kromě technologie výroby je automobil také zajímavý svoji cenou. Společnost Local Motors ho chce nabízet za zhruba 380 tisíc korun. 39

40 Tisk součástek na vesmírných stanicích ( Na vesmírné stanici byl úspěšně vyzkoušen 3D tisk) Jednou z nejatraktivnějších příležitostí pro 3D tisk je výroba součástí přímo ve vesmíru. Vědci z NASA, European Space Industry a dalších společností již vyvíjejí technologie a metody potřebné k tisku mimo zemskou atmosféru a přitažlivost. První úspěchy naznačují, že výroba funkčních součástí ve vesmíru je reálná. Vesmírné programy USA, Ruska a dalších zemí se znovu soustřeďují na delší kosmické lety. Cílem se stala čtvrtá planeta naší sluneční soustavy Mars. Při takto obrovských vzdálenostech se možnost rychlého zásobování jeví jako nemožná. 3D tisk by tak mohl sehrát klíčovou roli při výrobě potřebných náhradních dílů nebo součástí na míru, se kterými se při odletu nepočítalo. Největší posun od teorie k praxi zatím předvedla NASA ve spolupráci s týmem Made In Space. Již v září odcestovala 3D tiskárna ZeroG na mezinárodní vesmírnou stanici ISS. Podle odborníků tím začala nová éra kosmických letů, kdy osádky budou moci replikovat modely zaslané ze Země. Zatím jde o pouhé malé kousky plastu, na kterých vědci zkoušejí 3D tisk v prostředí zcela odlišném od pracovišť na povrchu naší planety. Obrázek 11.5 Nástrčkový klíč Zdroj: Made In Space, Inc. Jedním z funkčních modelů, vyrobených také na ISS, je nástrčkový klíč, jehož model připravil inženýr Noah Paul-Gin První funkční součástkou, vytištěnou po dvou měsících ve vesmíru, byla jednoduchá destička s logem vývojářů pro tiskovou hlavu zařízení. Další díly již byly složitější. Všechny výtisky se vracejí zpět na Zemi, kde se podrobují důkladné analýze. Na jejím základě bude připraven další, pokročilejší prototyp 3D tiskárny. 40

41 Tisk budov Čínská firma WinSun, která sídlí v Šanghaji, nedávno předvedla, že umí pomocí velké 3D tiskárny vyrobit během jednoho dne deset malých domků. Přesněji řečeno, tato speciální tiskárna vyrobila hlavní betonové zdi a komponenty a dělníci pak z takto vyrobených částí a za pomoci speciálních doplňků z dalších materiálů, jako je sklo nebo dřevo. Obrázek 11.6 Domek z tiskárny firmy Windsun Zdroj: 3ders.org Dokompletovali celý domek. Plocha každého z domků činila zhruba 200 metrů čtverečních a jejich cena byla odhadnuta na necelých 5000 dolarů. Nízká cena domků byla umožněna nejen maximální jednoduchostí jejich návrhu a konstrukce, ale také tím, že jako surovinu pro výrobu betonového inkoustu použila čínská firma kromě cementu a sklolaminátu i recyklovaný stavební materiál a hlušinu. Tiskárna firmy Win Sun je poměrně velká - její délka činí 150 metrů, šířka 10 metrů a hloubka 6 metrů. Ambicí firmy je rozjet v dohledné době velkovýrobu lidových domků za lidové ceny. Univerzita v jižní Kalifornii S převratným využitím technologie 3D tisku přišli vědci z Univerzity v jižní Kalifornii. Podle nich bude v budoucnu možné rychle, levně a kvalitně vytisknout celé domy. Metoda nazvaná Contour Crafting by mohla být využita i pro budování základny na Měsíci či Marsu. Ve stavitelství se uvažuje o rychleschnoucím betonu vyztuženém o ocelová vlákna jsou strojem, tedy bez účasti člověka, kladeny jedna na druhou do libovolných útvarů. V současnosti existující 3D tiskárny se speciálním vláknobetonem, který během stavby nepotřebuje podporu. Tým doktora Khoshnevise dokázal stavět kruhové zdi vysoké až 6 stop, podle vědců z Univerzity v jižní Kalifornii však vývoji strojů budujících dvoupatrové stavby nic nebrání. Contour Crafting by podle profesora Behrokha Khosnevise mohl zásadně zlepšit životní podmínky miliardám lidí po celém světě. V příštích desetiletích se naše planeta přelidní a nedostatek obydlí se stane obrovským problémem. Budeme potřebovat levné a úsporné domy, které lze navíc stavět rychleji než nyní, upřesnil Khosnevis. 41

42 Hlavními výhodami 3D stavitelství jsou rychlost (vývojáři odhadují, že kompletní dům by mohl být postaven za méně než 20 hodin), nízká cena a také energetická nenáročnost nové stavby, neboť zeď postavená z betonové směsi nebude potřebovat další tepelnou izolaci. Architekt Janjaap Ruijssenaars holandský architekt, který vytiskne dům bez začátku do konce. Janjaap Ruijssenaars z amsterdamské Univerzity architektury vytvořil návrh budovy, kterou bude chtít do dvou let vyrobit v 3D tiskárně. Jde o architektonický skvost připomínající autodráhu. Budova má tvar nekonečné smyčky, kde se strop mění v podlahu a naopak. Obrázek 11.7 Projekt Landscape House Zdroj: CNews Tzv. Project - Landscape House chce vyrobit na speciální 3D tiskárně D Shape od italského vynálezce Enrica Diniho. Obvykle se můžete setkat s tiskárnami, které vyrábějí plastové drobnosti. D-Shape dokáže tisknout šestimetrové modely. Dini přitom používá písek a speciální anorganické pojivo, jehož výsledkem je materiál podobný mramoru. Sám Ital takto vyrábí sochy, bazény, pomníky nebo modely budov, na obrovskou budovu si ještě netroufnul. Nizozemskému architektovi tak poradil, že by na D-Shapu měl vytvořit jen formy, které pak vyplní betonem. Janjaap Ruijssenaars věří, že technologie pro tisk návrhu jeho budovy (resp. jejích částí) bude hotová za dva roky. 3D tisk může kompletně změnit stavební obor. Doteď se tiskárny používají jen na tvrobu miniatur, ale v budoucnu si možná jednotlivé díly skládačky budete moci zakoupit v e- shopu a z nich pak sestavíte celý barák. Převrat v medicíně - vědci se snaží vytisknout lidské srdce na 3D tiskárně 42

43 Cílem odborníků je vytvořit nové srdce z buněk pacienta a následně ho skutečně pacientovi transplantovat. Výzkum ale podle odhadů potrvá ještě minimálně deset let. První krůčky ale už vědci v tomto směru udělali. Vytiskli například chlopeň či lidské ucho. Stuart Williams z univerzity v Louisville, který vede tým snažící se o vytisknutí kompletního lidského srdce, říká, že by první prototyp tohoto orgánu z 3D tiskárny mohl vzniknout do tří až pěti let. Nejsložitější problém je podle něj donutit rozdílné buňky ke spolupráci. Do deseti let by pak měla proběhnout první experimentální transplantace vytištěného srdce do hrudi pacienta. Vytištění složitých orgánů, jako jsou ledviny a srdce, je problematické. Největší nesnází je poskytnout těmto orgánům dostatek kyslíku ve fázi, kdy ještě nejsou implantovány do těla pacienta, říká doktor Anthony Atala z univerzity ve Wake Forest, který spolu se svým týmem vyvíjí 3D ledvinu. 3D tiskárna pracuje na stejném principu jako tiskárna inkoustová. Jen místo inkoustu nanáší buňky a buduje srdce vrstvu po vrstvě. Buňky poté sami srostou a vytvoří jednotnou tkáň. Hrad z betonu Od počátků bouřlivého rozvoje 3D tisku se nemluví jen o tiskárnách na drobné výrobky z plastu, ale také o zařízeních, která by dokázala změnit tvář stavebnictví. První pokusy o 3D tisk stavebních konstrukcí z betonu ukazují, jak obrovskou tvarovou volnost by měli architekti a stavebníci k dispozici. Mezi zajímavé ukázkové projekty bezesporu patří i objekt malého hradu, který Andrey Rudenko vloni vytiskl v USA. Technologie trojrozměrného tisku z betonu na pohled připomíná zvětšené domácí 3D tiskárny jen místo roztaveného plastu tryska pokládá jednotlivé vrstvy rychle tuhnoucí směsi v předem připravených drahách vycházejících z 3D modelu. Pokusné zařízení Andreye Rudenka, které vyvíjel dva roky, pracovalo s vrstvami materiálu o výšce 10 milimetrů a šířce cca 30 milimetrů. Jeho tiskárna dosahovala vysoké přesnosti, kterou mu autoři obdobných projektů mohou závidět. S projektem a přípravou modelu mu pomáhala komunita vývojářů 3D tiskáren. Úspěšný projekt vzbudil řadu příznivých ohlasů z řad odborné i laické veřejnosti. Autor se jimi nechal povzbudit a již plánuje nejen vylepšení samotné technologie, ale také realizaci většího objektu pro bydlení. S ohledem na stávající možnosti a použitý materiál ideálně v oblastech mírného klimatu. Všechny zájemce také vyzval na svých stránkách ke spolupráci. Ač je metoda zatím v plenkách, mohla by být zajímavou alternativou ke klasickým, časově náročným stavebním postupům využívajícím stavební dílce. V Číně se na začátku roku pochlubili rovnou pětipodlažním domem vytištěným z rychle tuhnoucího betonu s příměsemi. Duté zdi zde vyplňuje izolace. Autoři projektu hlásí 30 60% snížení stavebního odpadu, 50 70% zkrácení času stavebních prací a 50 80% úsporu nákladů na práci. Snad se s podobně zajímavým projektem co nevidět potkáme i v našich zeměpisných šířkách. 43

44 Obrázek 11.8 Již pokusný projekt menších rozměrů ukázal možnosti nové technologie Zdroj: autodeskclub Dita Von Teese předvedla první šaty z 3D tiskárny Americká burleskní umělkyně Dita Von Teese jako první oblékla šaty z látky potištěné nejmodernější 3D tiskárnou a posetou krystaly. Předvedla je v New Yorku. Obrázek 11.9 Šaty z 3D tiskárny Zdroj: Černou róbu vyrobila tiskárna Shapeways na nejvyspělejší 3D tiskárně, která vytváří prostorové objekty nanášením několika vrstev. Stroj umí potisknout různé druhy materiálů, v tomto případě to byl nylon. Róbu sešitou ze 17 potištěných kusů a posetou 13 tisíci krystaly od značky Swarovski navrhl Michael Schmidt. Trojrozměrný model si nechal vyrobit od architekta Francise Bitontiho Vytiskněte si večeři - 3D tiskárna jídla 44

45 Nemáte čas a chcete, aby vaše jídlo bylo kreativnější než instantní nudle? To bude umět Foodini, 3D tiskárna jídla. Ze speciálních náplní vám připraví třeba pizzu, jednoduchý hamburger či zeleninové pokrmy ve tvarech, jaké si budete přát. Ideální je podle výrobců na pečení sladkostí a pro vytváření dětských jídel. Trojrozměrná tiskárna Foodini vyrobí sama třeba pizzu. Společnost Natural Machnines tvrdí, že Foodini je úplně první sériově vyráběnou tiskárnou pokrmů. Podle nich se v budoucnu pracovní postupy hospodyň radikálně změní. Obrázek Prototyp tiskárny potravin vypadá velmi podobně, jako běžná 3D tiskárna Zdroj: technet.idnes Surovinou pro tisk jídel mají být speciální kazety s práškovými ingrediencemi, které se budou do 3D tiskáren vkládat. Stroj vytváří pokrm po vrstvách, takže bude možné připravovat i jídla s náplní či nádivkou. Ideální je podle tvůrců na výrobu sladkostí. Děti si jistě dají raději dinosaury, než obyčejný salát. Foodini umí i hamburgery. Sám vytvoří housky i maso, na něm můžete vidět rýhy. Tiskárna trochu připomíná běžnou mikrovlnnou troubu či kávovar. Vycházet z ní prý může prakticky cokoli, od čokoládových cukrovinek, přes pizzu po těstoviny. Spotřebitel řídí přístroj pomocí dálkového ovladače nebo senzorového voliče umístěného přímo na tiskárně. Stačí zvolit pokrm a vložit do tiskárny příslušné surovinové kazety. Potravinová 3D tiskárna má stát kolem tisíce eur (přes 27 tisíc korun). K dostání bude v běžných prodejnách s elektronikou. Prodávat se začne v polovině příštího roku a má se stát hitem. Technologie trojrozměrného tisku slouží k vytváření objektů z pevných plastů, které řídí počítačový program na základě příslušné programové předlohy. O využití těchto postupů k "vaření" se hovoří už delší dobu, zájem o revoluční technologii má například americký Národní úřad pro letectví a vesmír (NASA). Kosmická agentura uvažuje o tom, že bude tisknout pokrmy pro posádky kosmických lodí. 45

46 První kovový cyklistický rám vyrobený společností Renishaw pro Empire Cycles technologií 3D tisku Společnost Renishaw, jediný britský výrobce výrobních strojů pro aditivní výrobu určených pro tisk kovových dílů, spolupracuje s přední britskou společností zabývající se vývojem a výrobou jízdních kol na vytvoření světově prvního kovového cyklo rámu vytištěného 3D technologií. Společnost Empire Cycles zkonstruovala horské kolo, které využívá výhod technologie aditivní výroby společnosti Renishaw. Tato technologie umožnila vytvořit titanový rám, který je pevný a zároveň lehký. Díky využití topologické optimalizace je nový rám přibližně o 33 % lehčí než původní. Rám byl po částech vyroben z titanového prášku technologií aditivní výroby. Jednotlivé části rámu byly následně slepeny dohromady. Takový postup přináší řadu výhod: Empire Cycles je výjimečná britská společnost zabývající se konstrukcí a výrobou jízdních kol, která sídlí v severozápadní části Anglie. Vášeň této společnosti pro využívání vysoké technické vyspělosti britských firem k vytváření prvotřídních produktů vede k inovativním konstrukcím horských a sjezdových kol pro cyklisty z celého světa. Obrázek Titanový rám Zdroj: renishaw.cz Společnosti Renishaw a Empire Cycles společně optimalizovaly konstrukci kola tak, aby vyhovovala specifikům aditivní technologie. Zejména byly prvky s povrchy směřujícími směrem dolů, které by při výrobě vyžadovaly vytváření podpůrných konstrukcí 46

47 Budoucnu tisk lidských orgánů 3d tisk lidských orgánů. Ano, zní to v dnešní době trochu šíleně a o podobných tématech jsme se až doposud dozvídali pouze ze scifi filmů a divokých konspiračních teorií. Věřte, že takový orgán se už však povedlo vytisknout, oblast biomedicíny tedy představuje do budoucna ještě velký rozmach. O skloubení 3d technologie s biomedicínou se snaží společnost Bioprinting Solutions (dále jen 3D Bio). Ta oficiálně oznámila, že se jí již povedlo vytisknout žlázu, která by měla fungovat na principu štítné žlázy. Prvotním cílem dosažení tohoto kroku je odstranění nemocí a problémů nejen se štítnou žlázou, ale i ostatními orgány v lidském těle. Obrázek D biotiskárna Zdroj: Trider blog-vše ze světa 3D tisku První transplantace takovéto žlázy se předpovídá do konce letošního roku, což znamená, že se tisk a transplantace uměle vytvořených orgánů předpovídá již v blízké budoucnosti Vytisknutá žláza od 3d Bio však zatím prošla pouze testy na myších, nikoliv na lidech Společnost 3D Bio se již v loňském roce zasloužila o zisk 3d biotiskárny, na které se soustředila na veškeré své pokusy a testování. Hlavním specifikem biotisku je tvorba orgánů ze speciální tkáně, která svou strukturou musí do velké míry odpovídat tkáni lidské. Přesné složení a bližší informace však o této speciální tkáni zatím nejsou k dispozici. 3D Bio se záměrně zaměřilo na štítnou žlázu, jelikož se jedná o orgán s jednoduchou strukturou v porovnání s ostatními lidskými orgány v těle, jako jsou například ledviny. Nicméně právě 3D Biotisk ledvin bude hlavním programem 3D Bio týmu v roce

48 12 SEZNAM ZDROJŮ A POUŽITÁ LITERATURA 1) AUTODESK CLUB, článek: Na vesmírné stanici byl úspěšně vyzkoušen 3D tisk(2015) [cit. 2) AUTODESKCLUB, článek: Hrad z betonu(2015) [cit ]. Dosptupné z WWW: ]. Dostupné z WWW: < 3) Český Rozhlas, článek: Pes běhá díky protézám vyrobeným na 3D tiskárně ( 2015), [cit ]. Dostupné z WWW: 4) Český Rozhlas, článek: Pes běhá díky protézám vyrobeným na 3D tiskárně(2015) [cit ]. Dostupné z WWW: 5) Český Rozhlas, článek: Protéza ruky za 10 dolarů (2013), [cit ]. Dostupné z WWW: / 6) ČESKÝ ROZHLAS, článek: Tiskárny, které vyrábějí domy ( 2014) [cit ]. Dostupné z WWW: > 7) EKONOMIKA,IDNES, článek: Vytiskněte si večeři. Hitem příštího roku může být 3D tiskárna jídla(2013) [cit ].Dostupné z WWW 8) FELIXrobotics BV, Uživatelská příručka pro 3D tiskárnu FELIX 3.0 Verze 4, [cit ]. Dostupný z webu: 9) IDNES, článek: První auto vyrobené na 3D tiskárně je tady (2014), [cit ]. Dostupné z WWW: 48

49 10) IDNES, článek: Dita Von Teese předvedla první šaty z 3D tiskárny(2013) [cit ].Dostupné z WWW: 11) IDNES, článek: Mladíkovi ze Súdánu utrhla bomba ruce, nové mu vytiskla 3D tiskárna (2014) [cit ]. Dostupné z WWW:< /zahranicni.aspx?c=a140331_132026_zahranicni_im/ > 12) IDNES, článek: První kovový cyklistický rám vyrobený společností Renishaw pro Empire Cycles technologií 3D tisku(2013) [cit ].Dostupné z WWW ebeling-sudanskemu-mladikovi-s-vytisknul-protezu-ruky-3d-tiskarnou-gil- 13) Josef Průša, O 3D tisku, [cit ]. Dostupný z webu: 14) LIDOVKY, článek: Revoluce ve stavebnictví: domy se budou "tisknout" za 20 hodin(2013), [cit ]. Dostupné z WWW: < dum-postaveny-za-mene-nez-20-hodin-pfb-/firmy-trhy.aspx?c=a131101_133616_firmy- trhy_oka/ 15) REFLEX, článek: V roce 2014 bude na světě první vytištěný dům. A zamotá se vám z něj 16) REXLEX, článek: Převrat v medicíně - vědci se snaží vytisknout lidské srdce na 3D tiskárně(2014) ) [cit ]. Dostupné z WWW: 17) Trider blog-vše ze světa 3D tisku, článek: 3D tisk spolupracuje s biomedicínou, výsledkem bude v budoucnu tisk lidských orgánů(2015) [cit ]. Dostupné z WWW: hlava(2013) [cit ]. Dostupné z WWW: ) TZB INFO, článek: 3D tisk a jeho využití ve stavebnictví( 2014) ), [cit ]. Dostupné z WWW: < > 49

50 19) Vydavatelství Nová média, s. r. o., Encyklopedie 3D tisku [cit ]. Dostupný z webu: Všeobecně známé obrázky nejsou citovány. Jedná se o takové informace, které jsou obecně známé, nezpochybnitelné, popřípadě snadno ověřitelné ve všeobecných publikacích (encyklopedie nebo základní učebnice). 50

51 ČÁST B PRACOVNÍ AKTIVITY PRO STUDENTY A ŽÁKY 1 PRACOVNÍ AKTIVITY PRO 1. STUPEŇ ZÁKLADNÍCH ŠKOL 1.1 Nakresli si obrázek a vytiskni jej na 3D tisk Díky 3D tiskárně si můžeš vytisknout obrázek, který si sám nakreslíš! Úkol Budeš k tomu potřebovat: 1. Tužku a papír 2. Digitální fotoaparát, nebo mobil s foťákem 3. Program Google SketchUp, ve kterém si obrázek vymodeluješ 4. Program Repetier-Host jehož pomocí obrázek vytiskneš 5. 3D tiskárnu s tiskovou strunou Nejdřív si pečlivě rozmysli, co budeš chtít nakreslit. Až svůj výtvor dokončíš, vyfoť si jej digitálním fotoaparátem a přesuň jej do počítače (pokud si nebudeš jistý jak na to, požádej o pomoc svého učitele). V počítači si zapni program Google SketchUP a do něj si obrázek vlož (File Import zde zvol volbu Use as Image, najdi složku, do které jsi obrázek uložil a stiskni tlačítko Open). Pomocí nástroje 2 Point Arc pro oblouky, případně Line pro rovné čáry obkresli svůj obrázek. Pomocí nástroje Push vytáhni svůj obrázek do třetího rozměru. 51

52 Teď už zbývá model jen vyexportovat. Vyber volbu File Export 3D Model a ulož model například pod názvem srdce.obj (pozor nezapomeň zvolit typ souboru *.obj). Tisk obrázku Otevři soubor v programu Repetier-Host a zvol možnost Slicer. Po zmáčknutí tlačítka Slice with CuraEngine nařežeš srdce na jednotlivé vrstvy, které následně budeš tisk-nout. Připoj 3D tiskárnu k počítači (s nastavením tiskárny ti jistě pomůže pan učitel) a zahaj tisk stiskem tlačítka Start Print. Po několika minutách si můžeš z tiskárny vzít svůj obrázek (čas tisku závisí na tom jak velký a tlustý bude). 2 PRACOVNÍ AKTIVITY PRO 2. STUPEŇ ZÁKLADNÍCH ŠKOL Tyto aktivity jsou vhodné pro 5. a 9. třídy základních škol. 2.1 Vytiskni si žeton do nákupního vozíku se svým jménem Jistě občas chodíš s rodiči na nákupy do obchodních center, kde v řadě stojí nákupní vozíky pevně spojené železnými řetězy. Pomocí 3D tiskárny si můžeš vytisknout svůj vlastní originální žeton, který Tvůj vozík osvobodí od ostatních v řadě. Úkol Budeš k tomu potřebovat: 1. 3D tiskárnu s tiskovou strunou 2. Program Google SketchUp, ve kterém si žeton vymodeluješ, 3. Program Repetier-Host jehož pomocí žeton vytiskneš. Modelování žetonu Pomocí nástroje Circle (anglicky kruh) vytvoříš základ pro svůj žeton. Klikni levým tlačítkem myši do středu os X, Y, Z, malinko kurzor posuň, na klávesnici napiš číslo 10 (průměr žetonu v milimetrech) a stiskni Enter. Pomocí nástroje Push vytáhni levým tlačítkem myši do třetího rozměru, na klávesnici napiš 2 (výška žetonu v milimetrech) a stiskni Enter. 52

53 Pomocí nástroje Place 3D text vložíš své jméno na žeton. Napiš své jméno, zvol rozměr textu podle obrázku a umísti své jméno na žeton. Teď už zbývá model jen vyexportovat, vyber volbu File Export 3D Model a ulož model pod názvem zeton_david.obj (pozor nezapomeň zvolit typ souboru *.obj). Tisk žetonu Otevři soubor v programu Repetier-Host a zvol možnost Slicer. Po zmáčknutí tlačítka Slice with CuraEngine nařežeš žeton na jednotlivé vrstvy, které následně budeš tisknout. Připoj 3D tiskárnu k počítači (s nastavením tiskárny ti jistě pomůže pan učitel) a zahaj tisk stiskem tlačítka Start Print. Po sedmi minutách si můžeš z tiskárny vzít svůj žeton. 2.2 Nakresli si obrázek a vytiskni jej na 3D tiskárně Díky 3D tiskárně si můžeš vytisknout obrázek, který si sám nakreslíš! Úkol Budeš k tomu potřebovat: 1. Tužku a papír 2. Digitální fotoaparát, nebo mobil s foťákem 3. Program Google SketchUp, ve kterém si žeton vymodeluješ, 4. Program Repetier-Host jehož pomocí žeton vytiskneš 5. 3D tiskárnu s tiskovou strunou 53

54 Nejdřív ji pečlivě rozmysli, co budeš chtít nakreslit. Obrázek nakresli tak, aby v něm bylo více objektů. Až svůj výtvor dokončíš, vyfoť si jej digitálním fotoaparátem a přesuň si jej do počítače (pokud si nebudeš jistý jak na to, požádej o pomoc svého učitele). V počítači si zapni program Google SketchUP a do něj si obrázek vlož (File Import zde zvol volbu Use as Image, najdi složku, do které jsi obrázek uložil a stiskni tlačítko Open). Pomocí nástroje 2 Point Arc pro oblouky, případně Line pro rovné čáry obkresli svůj obrázek. Pomocí nástroje Push vytáhni svůj obrázek do třetího rozměru, pro různé části obrázku zvol rozdílnou výšku, abys vytvořil trojrozměrnou kresbu. Vymaž původní obrázek a otoč pomocí stisku kolečka na myši objekt tak, abys viděl na spodní stranu a zkontroluj, zda ti nezmizla spodní část objektu, jako v případě sluníčka na obrázku. Nástrojem Line strany kruhu, díky čemuž se prostor vyplní, čáru poté vymaž. spoj 2 protilehlé Teď už zbývá model jen vyexportovat. Vyber volbu File Export 3D Model a ulož model například pod názvem slunce.obj (pozor nezapomeň zvolit typ souboru *.obj). Tisk obrázku Otevři soubor v programu Repetier-Host a zvol možnost Slicer. Po zmáčknutí tlačítka Slice with CuraEngine nařežeš slunce na jednotlivé vrstvy, které následně budeš tisknout. Připoj 3D tiskárnu k počítači (s nastavením tiskárny ti jistě pomůže pan učitel) a zahaj tisk stiskem tlačítka Start Print. Po několika minutách si můžeš z tiskárny vzít svůj obrázek (záleží na tom jak velký a tlustý bude). 54

55 2.3 Navrhni a vytiskni si prstýnek Díky 3D tiskárně si můžeš vytisknout originální prstýnek, podle vlastní fantazie! Úkol Budeš k tomu potřebovat: 1. Krejčovský metr 2. Program Google SketchUp, ve kterém prstýnek vymodeluješ, 3. Program Repetier-Host jehož pomocí prstýnek vytiskneš 4. 3D tiskárnu s tiskovou strunou Nejprve si krejčovským metrem změř obvod prsteníčku, případně jiného prstu, na kterém budeš chtít posléze prstýnek nosit, údaj si pečlivě zapiš jako hodnotu obvodu. Pomocí vzorečku o vypočti poloměr prstýnku. Zapni program Google SketchUp a pomocí nástroje Circle vytvoř kruh, který bude mít vypočtený poloměr (při tvorbě kruhu zadáš hodnotu poloměru). Následně pomocí nástroje Offset přidáš vnější obvod prstýnku (zvol velikost jednoho až několika milimetrů) a vymaž prostřední část prstenu. Nástrojem Push vytáhni prsten do 3. rozměru (například 5 mm). Nástrojem Line rozděl prsten v koncových bodech podél kružnice na místech, na kterých budeš chtít vytvořit výstupek na prstenu. Pro jemnější rozlišení spoj střední body mezi body koncovými na kružnici (tímto způsobem můžeš dělit obvod prstenu do nekonečna). 55

56 Nástrojem Push vytáhni do prostoru jednotlivé obdélníky vytvořené v předchozím kroku (nezapomeň, že jejich velikost můžeš přesně zadat pomocí hodnot napsaných na klávesnici). Nástrojem Line následně můžeš spojit jednotlivé body, jednotlivé segmenty prstenu pak budou spojeny nepřerušenou linií. Jakmile bude prsten podle tvých představ vyexportuj ho do formátu *.stl, který následně otevřeš v softwaru Repetier-Host a vytiskneš na 3D tiskárně. 56

57 3 PRACOVNÍ AKTIVITY PRO STŘEDNÍ ŠKOLY 3.1 Vymodeluj pohár V případě, že budeš chtít uspořádat vlastní soutěž, či šampionát můžeš si díky 3D tiskárně vytisknout originální pohár pro vítěze. Úkol K tomuto úkolu budeš potřebovat: 1. Předlohu poháru, podle které pohár vymodeluješ 2. Program Google SketchUp, ve kterém pohár vymodeluješ, Najdi si vhodnou předlohu, podle které pohár vytiskneš a importuj jej do programu Google SketchUP (File Import zde zvol volbu Use as Image, najdi místo uložení obrázku a stiskni tlačítko Open). 57

58 Vlož pohár tažením za spodní hranu (ve spodním panelu musíš vidět údaj Height) a napiš hodnotu 100 (výška poháru v milimetrech). Pomocí nástroje Rotate otoč pohár do svislé polohy, tak že klikneš nejprve na spodní a poté horní stranu obrázku a otočíš jej podle červeného úhloměru (osa X) o 90. Obkresli polovinu poháru tak, že nakreslíš svislou čáru nástrojem Line uprostřed obrázku (Midpoint in Image) a následně obtáhneš zbylou část poháru pomocí nástrojů Line a 2 Point Arc (pozor když děláš novou čáru, vždy klikni nejdříve na předchozí bod, aby v kresbě nevznikaly mezery). Stejným způsobem obkresli vnitřní otvor do poháru, poté na něj klikni nástrojem Select a stiskni klávesu Delete. Stejný způsobem odstraň původní obrázek. Vytvoř pomocí nástroje Cirlce kruh kolmý k modré ose, jehož střed se nachází uprostřed na horní straně poháru (první zvolený bod) s průměrem v nejširším bodě poháru (druhý bod). Pomocí nástroje Folow Me obtáhni obrysy poháru podél vytvořeného kruhu (klikneš neprve na pohár a poté na koncový bod na kružnici. Odstraň horní kruhovou část poháru a vyplň jeho vnitřek nástrojem Line (čáru po uzavření smaž). 58

59 Poslední úpravou je přidání horní strany poháru pomocí nástroje Line vnější a vnitřní stranou poháru (vytvořené čáry poté opět vymažeš)., kdy uděláš 2 čáry mezi Teď už zbývá model jen vyexportovat, vyber volbu File Export 3D Model a ulož model pod názvem pohar.obj (pozor nezapomeň zvolit typ souboru *.obj). 3.2 Vytiskni pohár na 3D tiskárně V následujícím cvičení se seznámíš s ovládacími prvky programového prostředku Repetier-Host na příkladu přípravy tiskového souboru s pohárem a jeho následovného tisku na 3D tiskárně. Úkol K tomuto úkolu budeš potřebovat: 1. 3D tiskárnu s tiskovou strunou 2. Program Repetier-Host jehož pomocí pohár vytiskneš. Načti si pohár do programu Repetir-Host pomocí tlačítka Load. Pokud chceš změnit velikost poháru, použij nástroj Scale. Zde můžeš měnit velikost poháru, a to rovnoměrně ve všech osách (pokud máš zamknutý zámek), či v jednotlivých osách nezávisle na sobě z poháru tak jednoduše uděláš například misku. Kdyby se ti úpravy nelíbily, použiješ volbu Reset, která vráti zpět všechny úpravy. 59

60 Pokud jsi spokojen s rozměry svého poháru/misky, můžeš přikročit k jeho naporcování na jednotlivé vodorovné vrstvy, které bude tiskárna postupně tisknout. V panelu Slicer máš možnost nastavení mnoha parametrů pro tisk. Mezi základní patří, rychlost tisku, kvalitu tisku, můžeš zde také zapnout možnost tisku podpůrných konstrukcí. V pokročitém nastavení (které se objeví po stisku tlačítka Configuration) pak můžeš nastavit teplotu topného tělessa, teplotu výhřívané podložky a další pokročilé volby. Po nastavení všech proměných stiskni tlačítko Slice with CuraEngine. Po dokončení nařezání objektu na jednotlivé vrstvy se program přepne do panelu Preview, kde se dozvíš jak dlouho tisk potrvá, z kolika vrstev bude objekt vytisknut, celkový počet tahů a množství tiskové struny potřebné k tisku objektu. Nyní připoj tiskárnu pomocí tlačítka Connect a stiskni Tlačítko Start Print. 3.3 Vymodeluj si svůj dům Dostaň svůj dům do prostředí počítače pomocí vlastního měření a plánku. Úkol 60

61 Co budeš potřebovat: 1. Pásmo, nebo metr 2. Křídu 3. Měřící trojúhelník 4. Papír a tužku 5. Program Google SketchUp, ve kterém dům vymodeluješ Nejdříve si nakresli půdorys svého domu, změř pásmem jednotlivé stěny domu. Výšku domu změř pomocí výškoměrného trojúhelníku následujícím způsobem: 1. Vyznač na domě pomocí křídy svou výšku. 2. S trojúhelníkem u oka se postupně vzdaluj od domu, než se základna měřícího trojúhelníku setká se značkou, kterou jsi udělal pomocí křídy (pozor aby sis trojúhelníkem nevypíchl oko) a zároveň vrchol výškoměru s vrcholem střechy, případně jiných výškových bodů, které budeš chtít změřit (nejnižší bod střechy, ). 3. Změř vzdálenost od domu pásmem, přičti svou výšku a získáš výšku, údaj si pečlivě zapiš. V programu Google SketchUp následně za použití naměřených údajů vymodeluj svůj dům. Jakmile jej budeš mít hotový, vyexportuj jej do formátu *.obj, či *.stl a otevři soubor v programu Repetier-Host. Pakliže nebude model ve vyhovujícím stavu, je možné model upravit pomocí online nástroje společnosti Microsoft na adrese: Opravený model nahraj opět do programu Repetir-Host, uprav jeho velikost nástrojem Scale, nařež objekt pomocí Sliceru a zahaj tisk tlačítkem Start. 61

62 62

63 3.4 Udělej svůj výrobek z ABS lesklý a hladký Na surových výtiscích z 3D tiskárny jsou na povrchu viditelné jednotlivé vrstvy a povrch je matný a to zvláště u výrobků z materiálu ABS. Tyto estetické vady můžeš jednoduše odstranit pomocí octu. Materiál ABS reaguje na octovou páru, která jej dokáže vyhladit a dát výrobku z něj nádherný lesk. Úkol Co budeš potřebovat: 1. Výrobek z materiálu ABS 2. Ocet 3. Naparovač na knedlíky 4. Hrnec 5. Sporák 6. Podšálek 7. Nůž Jak tedy dosáhnout kýženého výsledku? 1. Do hrnce nalej ocet. 2. Vlož do něj naparovač na knedlíky. 3. Zapni sporák. 4. Vlož podšálek na naparovač a použij jej jako podložku pod svůj výrobek. 5. Umísti výrobek na podšálek. 6. Asi za 10 minut vytáni svůj výrobek z parní octové lázně (dej si pozor výrobek je v této fázi lepkavý). 7. Počkej, až výrobek vychladne (doba závisí na rozměrech výrobku cca 2 hodiny). 8. Nožem opatrně uprav spodní část výrobku. 63

64 3.5 Zkalibruj a nastav 3D tiskárnu před tiskem K tomu abys mohl na 3D tiskárně začít tisknout, musíš ji nejprve zkalibrovat. v následujícím cvičení si ukážeme postup jak na to: Úkol 1. Přiblž ručně tiskovou desku k tiskové hlavě na vzdálenost zhruba 1 mm 2. Ručním posunem desky a tiskové hlavy ve směru os X a Y zkontroluj vzdálenost tiskové hlavy od tiskové plochy. V případě že se bude tisková hlava vzdalovat, či přibližovat k tiskové desce vyrovnej desku pomocí matic do vodorovné polohy. 64

65 3. Připoj tiskárnu k počítači v programu Repetier-Host pomocí tlačítka Connect 4. Otáčením hřídele osy Z nastav vzdálenost mezi tiskovou hlavou a tiskovou deskou na 10 mm. 5. Stiskni tlačítko HOME Z, tiskárna se urovná do nulové souřadnice na ose Z 65

66 6. Zkontroluj, zda vzdálenost mezi tiskovou hlavou a tiskovou deskou je bez viditelné mezery, zároveň se tryska nesmí dotýkat tiskové plochy. Pokud se tisková plocha zastaví příliš daleko od trysky, je nutné, abys konzoli pro ovládání osy Z posunul směrem nahoru, v opačném případě směrem dolů (povol/utáhni šroub pro hrubé posunutí pomocí imbus klíče velikosti 3). Šroubem na jemné posunutí konzole poté upravíš její výšku s větší přesností. Znovu stiskni tlačítko HOME Z a zkontroluj vzdálenost trysky a tiskové plochy. Opakuj tento postup stále dokola, než dosáhneš požadované výšky tiskové plochy Šroub na hrubé dotažení Optosenzor osy Z 7. Jakmile máš správně nastavenou výšku tiskové plochy, můžeš načíst svůj projekt do programu Repetier-Host a začít tisknout svůj výrobek 66