AIP Scholaris 3(1), 2014, 18–34, ISSN 1805-613X Online: scholaris.vse.cz
3D-zobrazování 1
Jakub Rajský 1
Fakulta informatiky a statistiky, Vysoká škola ekonomická v Praze nám. W. Churchilla 4, 130 67 Praha 3
[email protected]
Abstrakt: Práce popisuje vybrané techniky 3D zobrazování a porovnává je podle typu média, které slouží pro jejich uchování a presentaci. Techniky 3D zobrazování se dramaticky změnily počátkem 21. století. Od roku 2007 byla konkrétně technika 3D tisku zdokonalována natolik, že změnila dosavadní základy průmyslové výroby. Může vývoj 3D tisku způsobit průmyslovou revoluci? Odpověď na tuto otázku je zkoumána v této práci. Klíčová slova: 3D tisk, zobrazování, model, médium, materiály
Title: Importance of e-learning in information society Abstract: This seminar work describes some of 3D technics and compares them according by type of the media – for preserving and presentation. The 3D technics have dramatically changed during 21st century. In 2007 the 3D printing was invented in a way, which has changed existing basis of manufacturing production. Can evolution of the 3D printing cause next industrial revolution? You can find an answer in this seminar work. Keywords: 3D printing, viewing, imaging, model, medium, materials
Vypracováno v rámci magisterského semináře: Informace a média (Cílem kurz je seznámit studenty s různými formami informace v návaznosti na odlišné formy komunikace. Důležité místo je věnováno informačnímu řetězu v různých situacích. Pozornost je rovněž zaměřena na různé teorie působení médií a popis mediálního publika.) Vyučující semináře: Mgr. Ing. Tomáš Sigmund, Ph.D.
AIP Scholaris
19
1 ZKOUMANÁ OTÁZKA Jaké známe 3D techniky zobrazování? Jsou skutečně 3D? Mohou techniky 3D zobrazování způsobit průmyslovou revoluci nebo už jí způsobily? Seminární práce na téma 3D zobrazování obsahuje odpovědi na výše uvedené otázky. Hlavní myšlenkou této práce je odpovědět na třetí otázku (průmyslová revoluce) a to popsáním a představením nové technologie 3D zobrazování.
2 CO JE TO 3D? “3D či 3-D je zkratka výrazu trojdimenzionální, trojrozměrný a označuje svět, který je možné popsat třemi rozměry (viz kartézská soustava souřadnic); předměty ve trojrozměrném světě mají objem. Zkratka 3D často označuje techniky používané pro zobrazení či prohlížení zdánlivě trojrozměrných objektů na plochém (dvojrozměrném, 2D) médiu (na papíře, filmovém plátnu, počítačové obrazovce apod.).” [1]
3 3D ZOBRAZOVÁNÍ, MODEL A MÉDIA Jaká média byla historicky používána pro 3D zobrazování? Trojrozměrné modelování zní pro laika poměrně technicky, proč to nezjednodušit na modelování? Ostatně naši předkové modelovali např.: totemy, bůžky, amulety, sochy. Jaký byl jejich účel? Chtěli vytvořit (vymodelovat) nějaký objekt, který byl zhmotněním jejich představ, vize. Prostřednictvím tohoto modelu (média) pak mohli sdílet svou ideologii, nápad, sny. Modely pak zachycovaly skutečný nebo smyšlený objekt. Modelem lze zjednodušit skutečný objekt z důvodu jeho velikosti, znovupoužitelnosti, nebo pro potřeby množení na více kusů. Model lze využít jako médium pro zachycení koncepčních, inspirativních a inovativních informací. 3D zobrazování a média mohou sloužit i pro pobavení nebo získávání informací. Dnešní doba je charakteristická tím, že se lidé chtějí bavit a tak jsou nová média1 využívána pro zachycení obrazu, zvuku do pohyblivých instalací či 3D modelů. Navazují na počátky stereoskopie. _
4 VÝVOJ MÉDIÍ A 3D ZOBRAZOVÁNÍ Spolu s vývojem médií se vyvíjely i techniky 3D zobrazování. Zprvu to mohly být již zmiňované sošky, později se objevily jeskynní malby, s rozvojem umění se objevily mramorové sochy, dále pak 2D předlohy a s rozvojem výpočetní techniky softwarové modely z nich vytvořené a dnes často používané 3D modely. Médium jako nositel informace se opravdu vyvíjí, z výše uvedeného vývoje by se dalo hovořit i o určitém “cyklickém” vývoji, kdy forma média 2D střídá 3D a naopak. Dále o vývoji médií a 3D zobrazování viz níže.
1
Nová média - New media - “Nová média se začala významněji šířit s příchodem nové multimediální elektroniky a osobních počítačů, které umožnily snazší kreativní práci s fotografiemi, videem a zvuky.” [2]
20
Rajský
5 VZNIK 3D ZOBRAZOVACÍCH TECHNIK Jako vznik 3D zobrazovacích technik je udáváno objevení principů stereoskopie a vynalezení stereoskopu Charlesem Wheatstonem, profesorem Experimentální Filosofie King’s College v Londýně, roku 1838. [3] Stereoskop se využívá se přes 170 let. Je to zařízení zobrazující trojdimenzionální obrázky. Stereoskop, stereograf či stereoskopické brýle se používají na prohlížení fotografií nebo grafické předlohy. Objekt na fotografii/předloze je nasnímán z rozdílných úhlů a při následném nahlížení pomocí konstrukce se výsledný obraz jeví jako plastický. Tímto vynálezem se lidé přiblížili modelování prostorových objektů ve 2D prostředí, umožnilo jim to médium fotografie, kresba, tisk. Další milník vývoje 3D zobrazování byl položen s příchodem počítačového zpracování informací a zobrazování výstupu na připojeném monitoru. S vhodným programovým vybavením bylo možné vytvářet 3D modely, manipulovat s nimi. Technologický rozvoj v oblasti výpočetní techniky byl ke konci 20. století velmi rychlý a díky tomu se výpočetní technika stala dostupnější i v domácnostech. S růstem výpočetního výkonu se stalo modelování dostupnější. Nadšenci či komunitní skupiny sdíleli prostřednictvím nových médií postupy modelování. Těmto postupům se věnují další kapitoly.
5.1 PRÁCE S 3D MODELY V úvodu této práce jsou popsány případy využití modelů (náboženství, zjednodušení, množení). Modely slouží také pro zjednodušení reálných objektů, které jsou příliš složité nebo by práce s nimi nebyla možná. Takto vytvořený model poté slouží pro různé simulace a testování. Testování využívá prototypů. Prototyp je pokusný výrobek, na kterém probíhají testy. Testy mají napodobit zacházení se skutečným objektem reality. Tyto techniky jsou atraktivní například v automobilovém průmyslu. S modelem lze volitelně otáčet a manipulovat, spouštět procesy otevírání a zavírání či rozboru a kompletace. Lze využít i různých průletů kamery. Příklady objektů 3D modelování:
modely aut,
automobilové komponenty,
hodinky, šperky,
byty, domy,
strojní součástky,
obuv - např. Nike,
zbraně,
lidské orgány
a další…
5.2 VYUŽITÍ Příklady objektů 3D modelování naznačily oblasti, kde je lze využít. Automobilový průmysl využívá 3D modelů například v aerodynamických tunelech, aby zjistili jejich reakci na rychle
AIP Scholaris
21
proudící vzduch, opírající se o karoserii při jízdě. Dále využívají modelů při tvorbě návrhů designových prvků automobilu, testování výdrže dílů při běžném užívání či při nehodě. Modelů se využívá i ve vědeckém průmyslu, při vyvíjení nových chirurgických, ortopedických či robotických prostředků.
5.3 SOFTWARE I na poli softwarového vybavení počítačů vzniklo mnoho programů pro modelování. Jejich rozdělení je podle oborů průmyslu a jeho odvětví, mohou být amatérské nebo profesionální. Verze programů a jejich typy mohou být placené nebo freeware (zdarma). Níže jsou vedené příklady:
Autodesk AutoCAD
Autodesk Inventor
Google SketchUp
Autodesk Maya
TinkerCAD
Corel Graphics
Autodesk 3Ds Max
6 TECHNOLOGIE 3D ZOBRAZOVACÍCH TECHNIK V této kapitole jsou vybrané techniky 3D zobrazování. Rozsah práce neumožňuje popsat všechny techniky do detailu, s vysvětlením jejich principů do hloubky. Rozsah zpracování se odvíjí podle toho, jak odpovídají na zkoumanou otázku, která byla položena v zadání. Hlavním cílem je představení technologie 3D tisku a uvažování o jejím možném vývoji. Hlavně pak odpověď na otázku, zda může 3D tisk způsobit 3. průmyslovou revoluci. Pojem 3D tisk a jeho detailní popis, je rozepsán v kapitolách níže. Následuje výčet technik 3D zobrazování:
Stereoskopické vnímání
Ultrazvuk
3D akcelerátory
3D snímání
3D tisk
6.1 STEREOSKOPICKÉ VNÍMÁNÍ Stereoskopické vnímání je zrakový vjem vyvolaný dvourozměrnou předlohou. Předloha zobrazuje rozdílné obrázky pro každé oko. V oblasti stereoskopie - jejího základního principu - rozdílné vnímání obrazu každým okem pozorovatele, existuje mnoho původních i nových přístupů, které ale přistupují rozdílně k technologickému řešení:
22
Rajský
Samostatné obrazy pro každé oko: ruční prohlížečky.
Anaglyfické brýle: Červeno-modré a červeno-zelené.
Polarizace filtry na projektorech: 3D kino IMAX.
Aktivní zatmívané brýle: Z tekutých krystalů nebo komunikující s grafickou kartou PC.
6.2
RGB promítání na mírně posunutých vlnových délkách.
Autostereoskopické monitory.
HMD - dva mikrodispleje.
Holografie.
Technika šilhání očí.
ULTRAZVUK
“Ultrazvuk (UZ) je akustické vlnění, jehož frekvence leží nad hranicí slyšitelnosti lidského ucha, tedy nad hranící zvuku = cca 20 kHz. Tím pádem, byť má stejnou fyzikální podstatu jako zvuk, je pro lidské ucho neslyšitelný, ale řada živočichů může část ultrazvukového spektra vnímat (delfíni, psi, netopýři).” [4] Z hlediska využitelnosti ultrazvuku existuje několik vědecky prokazatelných účinků. Jedná se o účinky tepelné, mechanické (tlakové změny), fyzikálně-chemické (disperzní účinky pro tvorbu emulzí, suspenzí, pěn), biologické (biopozitivní, ireverzibilní morfologické změny). Nejznámějším způsobem využití vln ultrazvuku je sonografie, která se používá při lékařském využití. Speciální přístroj, jehož hlavice vysílající zvukové vlny o frekvenci 1 až 18 Mhz, procházejí tělem a odrážejí se od jednotlivých orgánů. [4] Využití je pak v chirurgii při diagnostice nádorových onemocnění, při gynekologickém vyšetření plodu v těle matky. Sonografie umožňuje vytvořit 3D model plodu a nastávající rodiče si tak mohou vytvořit vazbu na svého potomka již před narozením. 3D zobrazování není užitečné jen pro pozorování plodu, ale je užitečné i při prenatální diagnostice anomálií obličeje. Ještě před porodem lze zjistit rozštěpové vady obličeje a plastičtí chirurgové si tak mohou vybudovat představu o rozsahu problému. [5] 3D zobrazení (fotografie) bylo rozšířeno o 4D (video), kdy lze sledovat pohyb plodu “online” v průběhu vyšetření. Cena vyšetření se pohybuje okolo 1000 Kč za 15 - 25 minut. Výstup (4D) sonografie je hodnotným médiem pro vyšetřující lékaře i pro nastávající rodiče.
6.3 3D AKCELERÁTORY 3D akcelerátory se využívají pro běžná (herní) PC. Starají se vykreslování prostorových těles, popsaných pomocí hraniční reprezentace. 3D tělesa k zobrazení jsou v hraniční reprezentaci popsána svým povrchem rozděleným na plošné konvexní polygony. Základní grafickou operací se tyto polygony formují do objektů, překrývají se. Tato základní operace je rozšířena technikami osvětlení z různých úhlů pro dosažení realističtějšího dojmu. Polygony mohou být pokryty texturou - obalový materiál. Výpočet je velmi náročný na systémové prostředky počítače a tak jsou např. v herním průmyslu vyvíjeny stále výkonnější grafické čipy pro dosažení co nejrealističtějších výsledků.
AIP Scholaris
23
6.4 3D SNÍMÁNÍ 3D snímání slouží pro zachycení povrchu zkoumaného objektu. Zachycení objektu probíhá nejčastěji laserem - opticky, data potom slouží pro zpracování 3D modelu s pomocí specializovaného software. Specializovaný software umožňuje využít i běžných fotografií z více úhlů okolo snímaného objektu, tento software je schopný sestavit model i z těchto snímků bez potřeby zakoupení nákladného snímacího zařízení. Argumentem pro dražší variantu je větší přesnost na detaily snímaného objektu. Využití 3D snímání je zejména v reverzním inženýrství, kdy neexistují plány o objektu, a je třeba ho znovu vytvořit nebo převést do počítačového modelu pro další úpravy. 3D snímání lze využít opět i ve zdravotnictví pro snímání části těla, obličeje. Skener je schopný přenést veškeré záhyby těla včetně barvy. Tato technologie 3D zobrazování zajišťuje převod skutečného 3D objektu (s objemem) do počítačového 3D modelu. Převod může být uskutečněn automatizovaně, vložením objektu do skeneru, který automaticky převede objekt nebo lze potřebnou část objektu sejmout ručně, s pomocí snímacího zařízení. Zdroj obrázku: http://www.glasstech.cz/.
Obr. 1. Ukázka objektu 3D snímání – 3D fotografie do skla.
6.5 3D TISK Nyní k technologii 3D zobrazování. V této kapitole by měl být odůvodněn názor, že se jedná o velmi revoluční a také by zde měla být uvedena odpověď na zkoumanou otázku, která byla položena v úvodní kapitole této práce. 3D tisk není žádnou novinkou, pouze až v posledních pěti letech roste poptávka po této technologii a zařízení pro tisk a tiskové materiály jsou cenově dostupnější už i pro menší firmy, ba dokonce i domácnosti. Tak jako se vyvinulo video z pořizování fotografie, vyvinul se 3D tisk ze stereolitografie. Pro je nutností nejprve představit co je to stereolitografie a její vznik. 6.5.1 STEREOLITOGRAFIE - ZÁKLAD 3D TISKU “Stereolitografie je metoda vytváření objektů pomocí postupného vytvrzování polymerů pomocí působení záření různých vlnových délek, nejčastěji UV záření. Zaměřením záření na konkrétní místo pak vzniká vrstva částečně vytvrzeného polymeru. Na ni se nanáší další vrstvy. Předmět je tedy vytvářen z vrstev. Jedná se o jednu z nejpřesnějších metod 3D tisku: teoretická přesnost odpovídá velikosti molekuly polymeru. Proto se této metody využívá i při výrobě integrovaných obvodů.” [6]
24
Rajský
Další citovaná definice je pro vysvětlení stereolitografie (později 3D) tisku neméně významnou jako výše uvedená: “Stereolitografie (zkratka SLA) je označení procesu aditivní výroby nebo 3D tisku. Model při tomto postupu vzniká působením ultrafialového laserového paprsku na tekutou fotopolymerickou pryskyřici, která je působením laseru ztvrzována ve vrstvách, jejichž tvar vždy odpovídá dané vrstvě řezu STL modelu. Po vytvrzení vrstvy se platforma posune ve vertikálním směru o tloušťku další vrstvy (mezi 0,05 až 0,15 mmm), nanese se další vrstva pryskyřice a laser v ní opět vytvrdí vzor dle řezu STL modelu. Pro stavbu tvarově složitějších modelů je při stereolitografii nutno budovat dočasné podpory, které se po vyhotovení modelu manuálně odstraňují.Výhodou stereolitografie je možnost vytvářet velké modely s dobrými fyzikálními vlastnostmi, pro které lze takové výrobky dále obrábět nebo využívat například jako formy pro vstřikování plastů. Zařízením pro stereolitografii je však vlastní vyšší cena, což se týká také používaných materiálů.” [7] Stereolitografii jako novou technologii si nechal v roce 1986 (dva roky po vynálezu) patentovat vynálezce Charles Hull. V tomto roce založil společnost 3D Systems a vytvořil první komerční 3D tiskárnu, v této době se tak ještě nenazývala, ale sám vynálezce nazýval tuto technologii “sterelitografie” nebo “třídimenzionální tisknutí” a zařízení bylo pojmenováno v anglickém jazyce jako Stereolithography Apparatus. Později se ujala zkratka SLA. Na rozvoj reagovalo více výrobců, kteří vyvinuli podobné prostředky tisku. Tehdejší tisk byl s použitím laserů a materiálů nákladný. Deset let od patentování stereolitografie byl poprvé použitý termín “3D printing”. v České republice byl tento způsob tisku znám od roku 1995. Princip zařízení spočívá v rozložení digitálního modelu (.stl) do vrstev o tloušťce přibližně 0,15 mm a následném sestavení těchto vrstev do fyzického modelu v pracovním prostoru tiskárny. Některé zdroje píší o “zlaté horečce”, od roku 2003 bylo zaznamenáno přes 3500 nově registrovaných patentů týkajících se 3D tisku. [5] Důvodem bylo vypršení klíčových patentů (byly podány, ale neúplně) a umožnění rapidního rozvoje 3D technologie tisku - aditivní výroby. Už tento rok by mohl být nazván “průmyslovou revolucí”. Byla vynalezena nová technologie tisku, která pracuje s fotopolymerem, který se v tenkých vrstvách s pomocí tiskové hlavice nanáší na speciální podložku. Tato podložka se nachází a pohybuje se nezávisle od tiskové hlavice, která vypouští materiál. Tiskárna je pak mnohem kompaktnější a v současné době i finančně dostupnější pro domácnosti i menší společnosti. První společností, nabízející tiskárny do domácího využití byl projekt Reprap “open source” projekt. Reprap uvolnil technickou dokumentaci, tu si následně mohli vyznavači technologií upravit a zkonstruovat svou vlastní verzi 3D tiskárny. Co všechno je součástí systému 3D tiskárny? 6.5.2 CHARAKTERISTIKA 3D TISKÁRNY Dnešní typy 3D tiskáren jsou různorodé. Mají jiné rozměry, jiné rozložení komponent. Je dobré znát jejich hlavní nebo nejčastější principy. tiskové hlavy - tiskové hlavy taví materiál za zásobníku a směřují ho na přesné místo podle modelu 3D modelu z počítače; přidávání vrstev - postupným nanášením vrstev vzniká požadovaný 3D objekt; podpory - u složitějších tvarů je třeba tisknout podpůrné stěny, které je nutno po tisku
AIP Scholaris
25
opracovat; raft - ukotvení tisknutého objektu spolu s tiskovou podložkou; grafické rozhraní - displej na zařízení pro vizualizaci stavu tisku, náhled modelu; předehřev - předehřev tiskových hlav zajišťuje správné tavení materiálu pro tisk; drát/struna - materiál navinutý na cívce, který je postupně odvíjen a dodáván do tiskové hlavy; pásy ano/ne - tiskové hlavy a pohyblivé komponenty tiskárny se pohybují s pomocí pásů; podložka - důležitou součástí je i vhodná podložka pro postavení tisknutého objektu;
6.5.3 MATERIÁLY Podle složitosti tiskárny a jejího využití - domácnost, průmysl, věda, se rozlišují i různé materiály “barvy” do tiskárny. U běžných tiskáren pro tisk (předlohy) na 2D podložku je předpokladem úspěchu, dobrého a kvalitního tiskového výstupu, kvalitní tiskový materiál uložený v zásobníku (inkoust-cartridge, prášek-toner a nově i vosk). I tyto materiály pro 3D jsou uloženy v rozdílných “zásobnících”. Vědci a technici nevyužívají obyčejné, open source tiskárny. Uvedené příklady níže toto vysvětlují: Vědci ze Státní univerzity v Severní Karolíně vyvinuli nové postupy trojrozměrného tisku, pracující s tekutým kovem při pokojové teplotě: “První je vytváření konstrukcí pomocí propojování jednotlivých kapek. Různě větvené konstrukce mohou propojit součástku v prostoru a ne jen v jedné rovině. Jde o jednotlivé kapky, které se spojují, ale neslévají se do jedné velké kapky. Další technika spočívá ve vpravování tekutého kovu do šablony polymeru tak, aby kov získal konkrétní tvar. Šablona se poté rozpustí. Vědci také vyvinuli různé postupy pro tvorbu kapalných kovových drátů, které si zachovávají svůj tvar, i když jsou tištěny kolmo k podkladu.” [9]
Obr. 2. Tykadla “vytisknutá” z kovu. Zdroj: [9]
26
Rajský
Další velmi revoluční technikou 3D tisku je tisknutí orgánů, kdy jsou místo “barev” použity různá spektra buněk. Nadneseně řečeno, kvalitu tkáňového tisku ovlivňuje rozsah spektra buněk, výběr “barev”. Více informací o tkáňovém tisku popisuje níže uvedená citace: “Tisk funkční cévy si již v Missouri vyzkoušeli. Bylo to v roce 2008 a prototypová tiskárna měla tři hlavy. Jednu k aplikaci buněk původem ze srdečního svalu, druhá zajišťovala nástřik buňek endotelu a třetí vrstvila „bio-papír“ z kolagenu, který sloužil buňkám jako lešení. Nevyrostly jim tehdy cévy lidské, nýbrž drůbeží. Jako modelový organismus zvolili totiž kuřata (kura domácího). Nynější tisk už nepoužívá techniku „listů“ z kolagenu ani z hydrogelu. V nejnovějších verzích tiskáren se buňky zapatlané lepivou substancí vrství přímo na sebe. Tištěný orgán je téměř ze sta procent tvořen buňkami. Takový způsob tisku „tělo na tělo“ se buňkám líbí. Lépe se jim spolu komunikuje a dolaďuje finální specializace. Jakoby také cítily větší odpovědnost za chování celku, neboť si harmonizují i své cykly.” [10] V tomto článku hovořili o tom, že lze v laboratorních podmínkách “vytisknout sendwič”, složený z buněčných vrstev a z nich pak vytvořit vzorek jater. Mikrojátra zatím nelze využít pro pacienty s onemocněním jater, ale lze na nich testovat účinky léčivých prostředků. Vzorek jater nemá ani dlouhou dobu životnosti. “Limitujícím faktorem medicínských 3D tisků není technologie, ale kvalita „inkoustu“. Jde o to mít sady náplní se správně poučenými buňkami, které si nevymýšlejí a nehledají své vlastní průkopnické cesty.” [10] Ve výčtu níže jsou pak vyjmenovány dnešní “běžné” tiskové materiály: titan, galium, lithium, hliník; kmenové buňky, kolagen, enzymy; dřevo (sůl, cement, dřevěné piliny z javoru, borovice a pekanový ořech) ; PVA; ABS; elastan; sklo
Obr. 3. Takto vypadá typická „kazeta“ s tiskovým médiem pro 3D tiskárnu plastových výrobků z PLA nebo ABS. V tomto případě pro DeeOrange od Do-it. Kilogramovou cívku materiálu tento producent prodává za 900 Kč s DPH. Foto: Jan Homola
AIP Scholaris
27
6.5.4 METODY TISKU Podle použitého materiálu, počtu barev, požadovaného rozlišení a také kolik peněz je určeno na tisk modelu, lze vybrat z pěti možných technologií 3D tisku. Některé jsou si velmi podobné a některé jsou velmi neobvyklé. Vybrané metody trojrozměrného tisku [11], [12]:
FDM (color) - Fused deposition modeling - Nejrozšířenější. Tisk zavedením materiálu do tiskové hlavy, roztavení a nanášení. Rozdílný modelovací materiál a podpůrný materiál. Minimální odpad a hrubá struktura modelu, nejlevnější stavební materiál. Velmi kvalitní povrch. Nevhodné pro subtilní konstrukce. SLS - Selective laser sintering - Zapékání prášku laserovým paprskem. Energeticky náročné. Vysoká pořizovací cena stroje. Nemožné tisknout dutiny. Vhodné pro tisk subtilních struktur. LOM - Laminated object manufacturing - Cenově dostupné. Lepení vrstev z plastu, přebývající materiál je opracován. Kvalitní povrch a přesnost, nevhodné pro subtilní konstrukce. SLA - Stereolitography - Poměrně rozšířená metoda 3D tisku. UV paprsek vykresluje vrstvu na hladinu polymerové tekutiny a následné vytvrzení. Postup pro každou vrstvu. A další…
6.5.5 3D TISKÁRNY Z rapidního rozvoje technologie 3D tisku, množství registrovaných patentů je čitelné, že 3D zařízení pro tisk už existuje všude po světe využití už nelze nazývat jako lokální, komunitní či uzavřené. 3D tisk je technologie globální a už i cenově dostupná. S nadsázkou by se dalo říci, že neexistuje obor, který by pro modely z 3D tiskárny byl uzavřený. Do rozvoje 3D tisku ve světe se zapojilo i několik českých programátorů/konstruktérů. Kapitola je věnována těmto konstruktérů. Čeští konstruktéři jsou totiž v šíření a rozvoji 3D tisku po světě velmi aktivní a starají se o to, aby 3D tisk opravdu nastartoval průmyslovou revoluci. “Revoluce nenastává okamžitě, postupně se názor šíří a s jeho rostoucí intenzitou se mění zažitá paradigmata.” [autor] Dále jsou popsány úspěšné, existující i začínající příběhy “revolucionářů” v 3D tisku. 6.5.6 REPRAP - JOSEF PRŮŠA “Jsem 23 letý vývojář, původem z Vysočiny, žijící v Praze. Navrhuji a stavím Open Source 3D tiskárny pod projektem RepRap. Nejenže umí tisknout jakékoliv předměty, ale jsou navržené tak, aby mohly tisknout vlastní součástky (Replicating Rapid Prototyper). Moje návrhy používají desítky tisíc lidí po celém světě. Nedávno jsem byl dokonce oceněný nejvyšším vyznamenáním kraje Vysočina za reprezentaci v zahraničí.” Tvrdí o sobě Josef Průša na jeho osobním webu http://josefprusa.cz/. Josef Průša využil dostupného open source projektu RepRap a dokonce tiskárnu ještě zdokonalil. Průšovy tiskárny tvoří přibližně 80% všech RapRapových na celém světě! Zajímavostí této tiskárny je, že je schopná “sebereplikovat”. Tiskárna sebereplikuje pouze špatně dostupné díly - zbytek je možné zakoupit v železářství. O šíření využitelnosti 3D tiskáren, se Josef Průša stará na světově uznávaných konferencích, univerzitách (ČVUT), na
28
Rajský
internetu prostřednictvím blogu, sdílením modelů na otevřených fórech a mimo to má i vlastní firmu zabývající se prodejem 3D tiskáren. 6.5.7 DEEORANGE - DAVID MIKLAS Dalším projektem se světovými ambicemi je produkt DeeOrange společnosti DO-IT. David Miklas, šéf společnosti, se snaží fungovat s takovou vizí, kdy uživatelé se svou domácí tiskárnou nebudou muset vybírat na e-shopech výrobek, který pak bude doručen poštou. Chce, aby uživatelé měli doma 3D tiskárnu, která nejen že tiskne 3D modely, ale nabízí uživatelsky přívětivý systém a pěkné designové provedení - viz obrázek na straně č. 9. Zatím nejsou s vývojem v DO-IT tak daleko, aby se tiskárna připojila k počítači a model se jednoduše odeslal k tisku jako na běžné tiskárně, je nutno se postarat o podložkou s předehřevem, na kterou se nanáší tisková hmota. Tiskárna se od konkurence liší v tom, že už nyní má vstup pro čtení SD paměťových karet, je tedy možné tisknout bez připojení k PC. Firma provozuje i vlastní internetový obchod s 3D modely. Ty lze zakoupit a nechat si je od DO-IT vytisknout. V budoucnu plánují vytvoření SW nástroje poskytovaného jako webovou službu. Nebude potřeba instalovat speciální software pro návrh 3D modelů a komunikaci s tiskárnou. Veškeré operace od modelování až po prodej výrobku, si budou moci uživatelé “naklikat” ve svém prohlížeči. Uživatelé nemusí ani 3D tiskárnu vlastnit, protože DO-IT vytiskne výrobek za ně. “S investory máme reálně naplánováno, že by se do 2 let daly prodat 4 tisíce kusů. Ještě do konce roku bychom mohli dosáhnout na tržby kolem 6 milionu korun,“ počítá Miklas. Ani to ale není konečná. DO-IT právě dokončují vývoj profesionálního modelu DeeRed. Ten bude mít 2 tiskové hlavy, bude umět tisknout z 2 materiálů a i díky své velikosti a váze kolem 200 kilogramů bude určen do firem a velkých podniků. Představení je plánováno na brzkou Print Show v Londýně a v lednu začnou nové modely vyjíždět z výrobní linky. [13] 6.5.8 3DSIMO - DAVID PAŠKEVIČ Z technologie 3D tisku a pevných tiskáren se vyvinula nová metoda. Mobilnější variantou 3D tisku je tisk pomocí 3D pera. David Paskevič, student ČVUT, vyvinul doma ve svém pokoji funkční prototyp kompaktního 3D pera, která je schopné tisknout ve vzduchu. "3Dsimo používá jiné technologie a hlavně grafické rozhraní, kde je možnost volby teploty, rychlosti, předehřevu a tak podobně. To nám umožňuje kreslit z jakéhokoliv materiálu, například ABS,PLA,PVA,Nylon atd. Díky nastavitelným teplotám a rychlostem nebude problém tisknout i z nově vytvořených materiálů, které se každý měsíc objevují na trhu 3Dtisku. Můžeme tisknout do vzduchu nejen materiálem ABS, ale také PLA a PVA, jen se sníží teplota.” [14]
AIP Scholaris
29
Obr. 4. Detail tavné hlavy. Ve finálním produktu bude menší a bezpečně zakrytovaná. Zdroj: Technet.cz [14]
Vynálezce zvolil velmi zajímavý způsob dalšího financování jeho vynálezu. Založil si totiž něco na způsob aukce, lépe řečeno sbírky a to na sociální síti Indiegogo. Ve sbírce určil konečný termín 11. listopadu 2013. Do této doby chce nasbírat od přispívajících $20 000. Stav příspěvků k 11. listopadu 2013 není moc vysoký, ale přesto je to velký úspěch nasbírat $5 956. U tohoto prostředku téměř “ručního” zaznamenávání informací přímo do 3D modelu není provedení tak snadné, jak může být při modelování v počítači a následném převodu do 3D modelu se stolní 3D tiskárnou. Věřme, že tento vynález své využití najde. 6.5.9 OMEZENÍ S rozvojem každé technologie a pokroku existují souběžně i nějaká doprovázející omezení. Kritici 3D tisku tvrdí o technologii, že je využitelná pouze v omezených možnostech. Hodí se například pouze pro ověřování tvarové správnosti výrobku, demonstraci či testování. Kritici využití hodně omezují a pravdou je, že 3D tisk je v některých případech přeceňovaný - tisk potravin. Na druhou stranu byly v dřívějších dobách některé technologie kritizované a považované za příliš futuristické a nebylo možné představit si, že by mohly být zavedeny do běžné praxe (v době psacích strojů první počítače). Objektivně zhodnoceno, u 3D tisku existují omezení, na které je nutno brát zřetel. 10 největších bariér pro 3D tisk z domova [15]:
Cena - přestože se vývoj cen 3D tiskáren v posledních letech vyvíjel pozitivně. Ceny “přívětivých” tiskáren jsou stále okolo 25 tis. Kč. Složitost - S 3D modelováním souvisí rozličné množství programů, formátů souborů, složitých zařízení, neobvyklých materiálů. Spolehlivost - Každý uživatel, který zkusil 3D tisk může hovořit o neúspěšných pokusech tisku. Nepovedené slepení vrstev, složité opracovávání. Pokud se Vám v domácí tiskárně zasekává papír nebo teče inkoust, pravděpodobně tiskárnu přestanete používat. Výběr materiálů - ABS neb PLA? Běžné a použitelné materiály, bohužel nejsou tak odolné. Lidé potřebují modelovat objekty z jiných materiálů: dřevo, keramika, kov. Dostupnost materiálů - Pořídit materiál ve správné formě pro vstup do tiskové hlavy je problém. Zatím není vybudovaná infrastruktura prodejních míst, které by dodávaly plastové “dráty” o tloušťce 1,75 mm apod.
30
Rajský
Přístup k 3D modelům - široká veřejnost nemá zkušenosti se software pro 3D modelování a není tak jednoduché se postupy naučit. Již však existuje projekt Tinkercad, založený na webových nástrojích, který modelování zjednodušuje. Ani výběr již hotových 3D modelů zatím nestačí. Rozlišení tisku - detailní a malé výrobky nevypadají dobře. Barva - jednobarevné výrobky brzo omrzí. Dosud se s barevným výstupem vyrovnala pouze společnost ZCorp. Rychlost - vytvoření 3D modelu zabere spoustu času. Je potřeba zdokonalit proces nanášení. Bezpečnost - existuje několik bezpečnostních pravidel při 3D tisku. Při tavení ABS plastu se uvolňuje do prostředí zápach (škodlivé účinky zatím nebyly potvrzeny).
Na odstranění všech těchto neduhů pracuje po světě mnoho vědců, nadšenců podobných těm, kteří byli představeni v této práci. Některé se podaří odstranit dříve, některé později. Využívání 3D tisku neomezují jen bariéry z důvodu malé rozšířenosti nebo nedostatečně rozvinuté technologie. S oblastí tvorby se váží autorská práva na zhotovená díla jejich autory. Autor má po jistou dobu výluční práva ke svému dílu. V oblasti 3D je to DRM - ochrana autorských práv u digitálních médií. V USA byl registrován první patent s názvem Manufacturing control system. Patent popisuje, jakým způsobem by mohly být modely identifikovány a porovnávány vůči chráněným modelům internetové databáze. Do budoucna bude určitě nezbytné řešit tuto problematiku. Pro ilustraci: “Pokud si tedy z The Pirate Bay v roce 2020 stáhnete konstrukční zadání pro tisk třeba slunečních brýlí, na jejichž tvar drží designový patent/průmyslový vzor výrobce XYZ, tiskárna by takový tisk mohla odmítnout.” [16] 6.5.10 BUDOUCNOST 3D TISKU Tato kapitola popisuje možné cesty a vize, jak by se mohla technologie 3D tisku vyvíjet do budoucna. Budoucí vývoj vystihují níže uvedené citace specialistů z oboru, osob odpovědných za určování strategie podniků: “Francis Gurry, šéf Světové organizace duševního vlastnictví (WIPO), odhaduje, že se v roce 2015 bude tisknout ve 3D za 2,7 miliardy dolarů a že tenhle byznys bude velmi svižně přibírat na váze.” [19] Mike McNamara, ředitel IT obchodního řetězce Tesco: „Stále ještě nedozrál pro praktické nasazení, ale stává se levnější, snadnější a flexibilnější, než byl dosud. Myslím, že během několika následujících let uvidíme 3D tisk v běžných obchodech, protože například chybějící součástku k vysavači vytiskneme během chvíle, kterou zákazník stráví prohlížením zboží a nakupováním v našem obchodě.“ [20] "Pokud chcete být adaptabilní, musíte být schopni navrhovat a vyrábět za provozu, a proto přichází na řadu 3D tiskárny ve vesmíru," prohlásil Dave Korsmeyer z výzkumného centra NASA. [21] Pokud se podaří dosáhnout kvality 3D tisku na takové úrovni, aby byly materiály pevné, lehké a zdravotně nezávadné, mohly by se například využít pro tisk kostí, výstavbu speciálních ortotických a protetických pomůcek nebo již zmiňované tisknutí náhrad za poškozené orgány.
AIP Scholaris
31
V souvislosti s patenty, omezeními, bezpečností a regulacemi by měla být řešena ochrana společnosti a zamezení neoprávněného tisku zbraní. Rozšíření 3D tisku by měly reflektovat průmyslové společnosti a společnosti, které se zabývají výrobou součástek a dílů z podobných materiálů a v delším horizontu i společnosti vyrábějící z kovů. Pozdní reakce na změny v tržním prostředí a nezohlednění strategie podniku může znamenat propad v ziscích a v horším případě ukončení podnikatelské činnosti. S 3D tiskem přichází i větší příležitost pro menší podnikatele, ti nemusejí investovat ohromné částky do složitých strojů, objednávat u velkých výrobců a využijí větší segmentace trhu nákupu za nižší cenu. Velkou příležitostí pro 3D tisková zařízení je zlepšení rychlosti, přesnosti, velikosti výrobků a výběru materiálů k trojrozměrnému tisku. Pokud se výrobci 3D tiskáren zaměří na domácnosti, měli by nabízet 3D tiskárny spolu s uživatelsky přívětivým software a nabídnout webové služby pro přístup k databázi s modely např. podobný sytém jako App Store společnosti Apple. “Teprve pokrok v této oblasti bude znamenat skutečnou revoluci, která svět 3D tisku otevře.“ [17] A pokrok by měl přijít. Jelikož v roce 2014 vyprší platnost dalších patentů na technologii 3D tisku SLS (Selective laser sintering - Zapékání prášku laserovým paprskem. Energeticky náročné. Vysoká pořizovací cena stroje. Nemožné tisknout dutiny. Vhodné pro tisk subtilních struktur). S vypršením patentu se očekává velký boom, tak jako v roce 2003 u dnes nejrozšířenější technologie FDM. Před pěti lety byla cena FDM tiskáren okolo $14 000 (350 tis. Kč) a dnes kolem $300 (7 tis. Kč). Při diskutování o budoucnosti 3D tisku jsou spojeny přívlastky “fantasmagorie”, “Star Trek”… Ale je možné, že i ty nejpodivnější a původně nejnemožnější představy budou nakonec skutečné. V závěru je obsaženo shrnutí této práce a porovnání technik 3D zobrazování, uvedených v této práci.
7 ZÁVĚR Úvod této práce začíná zkoumanou otázkou. Zda mohou techniky 3D zobrazování způsobit další průmyslovou revoluci nebo už jí způsobily? Blíž k odpovědi se lze dostat přes objasnění významu slova “revoluce”. Revoluce pochází z latinského revolvere - převrat. Pokud porovnáme techniky 3D zobrazování v Tabulce č.1 (viz následující strana), je z ní patrné, že v rámci porovnávaných technik 3D zobrazování je 3D tisk opravdu revoluční. 3D tisk doslova nezpůsobil průmyslovou revoluci, nepřevrátil dosavadní zvyky průmyslové výroby, nikoliv masově, celosvětově ani víceoborově - zatím. Podle názoru autora této práce, má 3D technologie nastavenou vývojovou cestu takovým směrem, kterým by mohla způsobit revoluci. K těmto myšlenkám a úvaze o dalším možném vývoji pomohly kapitoly následující po zkoumané otázce. V nich je vysvětlen pojem 3D zobrazování a vývoj médiíí použitých pro záznam informací o 3D objekech. Se zdokonalováním typů médií byl spojen i rozvoj různých techniky 3D zobrazování a jejich využití v různých oblastech např. vývoje technických komponent, vědy, zdravotnictví a trhu se spotřebními zbožím. V této práci nejsou popsány všechny dostupné 3D zobrazovací techniky a není jim věnován detailní popis. Pro zodpovězení zkoumané otázky a seznámení se se základními charakteristikami však tento
32
Rajský
popis stačí. Následující kapitoly, většina této práce, se zabývaly 3D tisku samotnému a jeho vývoji, materiálům, zařízení a z pohledu autora představením důležitých osob, věnujících se rozvoj 3D tisku v tuzemsku. V této práci byla popsána i možná omezení, která rozvoj 3D tisku ovlivňují, ale nejsou to omezená, která by by nebyla řešitelná. Podaří-li se tato omezení odstranit např. jiným technickým postupem, inovací v typech materiálů nebo softwarovou podporou, můžeme očekávat zajímavou budoucnost – nové produkty, zařízení a služby.
Typ média
Stereskopie (3D televize)
Ultrazvuk (sonogram)
3D akcelerátory
3D snímání
3D tisk
Vnímání
Zrak
Zrak
Zrak
Zrak
Zrak, dotek, “sluch, chuť”
Zařízení pro vnímání vstupu
Ano
Ano
No
No
Ne
Dynamika
Ne
Ne
Ne
Ne
Ano
Tabulka č. 1. Klasifikace technik 3D zobrazování podle typu média. Zdroj kritérií hodnocení částečně převzatý z [18] str. 10.
V tabulce výše je porovnání technik 3D zobrazování. Každá technika zobrazování využívá záznam výstupu na nějaké médium (nositel informace). Osoba při kontaktu s médiem přijímá informace. Může je vnímat pomocí zraku - pohledem na objekt (3D model), dotykem objektu přímo nebo může s modelem poklepat a přijímat zvukové vlny, možná i ochutnat příchuť materiálu. Dále se média hodnotí podle kritéria - Zařízení pro vnímání výstupu. Zařízením jsou aktivní, pasivní brýle, koukátka, speciální projektory. Kritérium je vnímáno z pohledu času. Aby mohl být vidět 3D obraz, musí být zařízení zapnuto, vysílat. Posledním kritériem je dynamika, opět časové, kdy je sledován stav objektu v čase. U 3D tisku může objekt podléhat vlivům okolí, korodovat, tát.
AIP Scholaris
33
8 ZDROJE [1]
3D. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2013, 8. 3. 2013 v 13:11 [cit. 2013-11-03]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/3D
[2]
Nová média. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001, 2. 11. 2013 v 13:17 [cit. 2013-11-03]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Nov%C3%A1_m%C3%A9d
[3]
Stereoscopy.com: The world of 3D-Imaging. WHEATSTONE, Charles. Phenomena of Binocular Vision [online]. 21.6.1838, 19.1.2013 [cit. 2013-11-03]. Dostupné z: http://www.stereoscopy.com/library/wheatstone-paper1838.html
[4]
Ultrazvuk. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001-, 16. 3. 2013 [cit. 2013-11-06]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Ultrazvuk
[5]
4D ultrazvuk: Užitečné vyšetření, nebo jen bonus?. In: VÍCHOVÁ, Ilona. Žena.cz [online]. 5.4.2013 [cit. 2013-11-06]. Dostupné z: http://zena.centrum.cz/deti/tehotenstvi-a-miminko/clanek.phtml?id=775862
[6]
Stereolitografie. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001[cit. 2013-11-08]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Stereolitografie
[7]
Stereolitografie. In: HOMOLA, Jan. 3D-tisk: Aditivní výroba a rapid prototyping [online]. [cit. 2013-11-08]. Dostupné z: http://www.3d-tisk.cz/stereolitografie/
[8]
The 'gold rush' for 3-D printing patents. In: WEE, Heesun. CNBC [online]. 15.8.2013 [cit. 2013-11-08]. Dostupné z: http://www.cnbc.com/id/100942655
[9]
Kouzla s tekutým kovem nabízejí nové možnosti 3D tisku. In: National Geographic Česko [online]. National Geographic, 11.7.2013 [cit. 2013-11-09]. Dostupné z: http://www.national-geographic.cz/detail/kouzla-s-tekutym-kovem-nabizeji-novemoznosti-3d-tisku-43234/
[10] PAZDERA, Josef. Organovo oznamuje 3D tisk lidské jaterní tkáně. In: OSEL: Objekctive Source E-learning [online]. 26.04.2013 [cit. 2013-11-09]. Dostupné z: http://www.osel.cz/index.php?clanek=6869 [11] KOLKOVÁ, Olga. Metodiky 3D tiskáren: Skokem od papíru k reálnému objektu. In: CDR.cz [online]. 27. 11. 2012 [cit. 2013-11-09]. Dostupné z: http://cdr.cz/clanek/metodiky-3d-tiskaren-reprap-mojo-cube-3d-zprinter-650-areplicator-2 [12] Technologie 3D tisku. Pkmodel.cz [online]. 2006 [cit. 2013-11-09]. Dostupné z: http://www.pkmodel.cz/3Dtisk.html [13] SEDLÁK, Jan. DeeOrange: Ambiciózní česká 3D tiskárna pro běžné lidi. In: Http://connect.zive.cz/ [online]. 26. 9. 2013 [cit. 2013-11-10]. Dostupné z:
34
Rajský http://connect.zive.cz/clanky/deeorange-ambiciozni-ceska-3d-tiskarna-pro-beznelidi/sc-320-a-170606/default.aspx
[14] NÝVLT, Václav. Student ČVUT vyrobil 3D pero. Kreslí do vzduchu, taví i dřevěné piliny. In: Technet.cz [online]. 30. 9. 2013 [cit. 2013-11-10]. Dostupné z: http://technet.idnes.cz/3d-pero-student-cvut-0q3/tec_technika.aspx?c=A130927_142520_tec_technika_nyv [15] The 10 Barriers to 3D Printing In Your Home. Fabbaloo: Personal manufacturing and 3D printing [online]. 15. 2. 2012 [cit. 2013-11-10]. Dostupné z: http://fabbaloo.com/blog/2012/2/15/the-10-barriers-to-3d-printing-in-your-home.html [16] ČÍŽEK, Jakub. První americký patent popisuje DRM pro 3D tiskárny. In: Živě.cz [online]. 12. 10. 2012 [cit. 2013-11-10]. Dostupné z: http://www.zive.cz/bleskovky/prvni-americky-patent-popisuje-drm-pro-3dtiskarny/sc-4-a-165848/default.aspx [17] Tesco prozradilo něco ze svých plánů na 3D tisk. In: Computerworld.cz: Deník pro IT profesionály [online]. 29. 09. 2013 [cit. 2013-11-10]. Dostupné z: http://computerworld.cz/technologie/tesco-prozradilo-neco-ze-svych-planu-na-3d-tisk50392 [18] GREEN, Rebecca a Xiaoli HUANG. Classification of Digital Content, Media, and Device Types. In: Classification of Digital Content, Media, and Device Types [online]. ISKO UK Conference 2013, 2013 [cit. 2013-11-10]. Dostupné z: http://www.iskouk.org/conf2013/papers/GreenPaper.pdf [19] MIHULKA, Stanislav. OBJECT SOURCE E-LEARNING. Rozpoutá 3D tisk novou průmyslovou revoluci? [online]. Object Source E-Learning, 15.05.2013 [cit. 2013-1110]. Dostupné z: http://www.osel.cz/index.php?clanek=6910 [20] COMPUTERWORLD. Tesco prozradilo něco ze svých plánů na 3D tisk [online]. Computerworld Deník pro IT profesionály, 29.09.2013 [cit. 2013-11-10]. Dostupné z: http://www.lidovky.cz/nasa-chce-pristi-rok-vyslat-do-vesmiru-3d-tiskarnu-fv7/veda.aspx?c=A130929_221336_ln_veda_ebr [21] LIDOVKY.CZ. 3D tiskárna poletí do vesmíru. NASA jí pošle kosmonautům [online]. Zpravodajský server Lidových novin, 30.9.2013 [cit. 2013-11-10]. Dostupné z: http://www.lidovky.cz/nasa-chce-pristi-rok-vyslat-do-vesmiru-3d-tiskarnu-fv7/veda.aspx?c=A130929_221336_ln_veda_ebr
