45

Projekt:

Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech reg. č. CZ.1.07/2.3.00/45.0011

Didaktický materiál Kurz : Autor :

Moderní 3D technologie I. Ing. Radomír Mendřický, Ph.D

TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Ing. Radomír Mendřický, Ph.D: Moderní 3D technologie I.

Hýbeme s roboty

strana 1

6. – 8. ročník ZŠ

A 180 min. I-XII

Cíl lekce Cílem lekce je seznámit žáky se základy robotiky a použitím průmyslových robotů ve strojírenství. Žáci by měli např. porozumět jednotlivým souřadným systémům robota, k čemu je který vhodný a praktický. Součástí lekce bude praktický nácvik učení bodů pro účely pohybu a programování robota. Prostředí Školní třída, laboratoř s roboty. Hlavní myšlenka lekce Porozumění ovládání robotů v tzv. učícím se režimu – definování klíčových bodů pohybu robota pro práci v budoucím programu.

Zásadní otázka/y lekce Jak definovat body pohybu robota? Který souřadný systém robota a ve které fázi učení polohy je vhodné a efektivní použít? Příprava lekce Pracovní listy pro žáky pro každou fázi lekce. Prezentace a ukázky. Laboratoř s roboty v režimu učení pomocí tzv. Teaching boxu. Vstupní požadavky na žáky Žáci mají základní znalosti matematiky a geometrie, znají kartézský souřadný systém alespoň v rovině.

Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


strana 2

1) Motivace 1. Učitel klade žákům otázky, např.:

Cíl aktivity Žáci odhalí, čeho se týká lekce, čímž budou motivováni k dalším činnostem. 30 min. Pomůcky Pracovní list.

•

Jak si představujete robota?

•

Kdo první použil slovo robot?

•

Co to asi je průmyslový robot?

2. Žáci dostanou pracovní list, na němž je labyrint s robotem Karlem, který zná jen několik málo příkazů. Žáci mají za úkol dovést robota Karla pomocí příkazů se souřadnicemi k součástce a tu potom dopravit ke stroji. Žáci zapisují sled jednotlivých příkazů do pracovního listu. 3. Učitel diskutuje se žáky jejich řešení a hodnotí efektivitu jednotlivých „programů“.



strana 3

2) Evokace

Cíl aktivity Žáci společně s učitelem naleznou výzkumnou otázku, týkající se vhodnosti použití jednotlivých souřadných systémů robota v režimu učení. Formulují hypotézy. 60 min. Pomůcky Prezentační technika, laboratoř s roboty, pracovní list, tabule, fixy.

1. Učitel provede úvodní výklad, v němž představí roboty, včetně ukázky v laboratoři. Vysvětlí základní princip jejich programování (definování klíčových bodů pohybu robota v režimu učení pomocí Teaching boxu a následné řízení pohybu robota po těchto bodech pomocí programu – výklad v další lekci). 2. Učitel představí jednotlivé souřadné systémy robota (osový, kartézský a nástrojový souřadný systém) a způsob jejich volby na Teaching boxu. 3. Žáci do pracovních listů zaznamenají otázky a náměty, které je napadnou v souvislosti s představenými souřadnými systémy, např.: Je jedno, který souřadný systém použiji pro naučení polohy robota? 4. Žáci společně s učitelem formulují hypotézy týkající se vhodnosti použití jednotlivých souřadných systémů robota při ručním učení polohy. Příklad: „Osový souřadný systém je vhodný pro rychlé nalezení přibližné polohy úchopné hlavice robota. Kartézský souřadný systém je vhodný …“



strana 4

3) Uvědomění

Cíl aktivity Žáci na základě provedeného pokusu zjistí, který souřadný systém robota a ve které fázi učení robota je vhodný pro finální naučení hledané polohy úchopné hlavice robota. 60 min. Pomůcky Laboratoř s roboty, pracovní list pro žáky: 1) k záznamu pokusu 2) pro diskuzi.

1. Žáci dostanou za úkol naučit robota jednotlivé polohy (body) úchopné hlavice robota, potřebné pro přemístění kostky (součásti) z dané pozice do nové (jiné) pozice – viz schématický nákres v pracovním listu. 2. Žáci provedou analýzu a s danými znalostmi v této fázi určí potřebný počet bodů (poloh robota), které bude třeba definovat. 3. Žáci se snaží pomocí Teaching boxu ručně polohovat robota k dosažení požadované pozice. Přitom zkouší, který souřadný systém robota je nejvhodnější k co nejefektivnějšímu splnění cíle. Příklad (pro učitele, žáci na to musí přijít sami): Pro počáteční napolohování robota je vhodné použít osový souřadný systém, pro zpřesnění polohy, příp. definování nové podobné polohy kartézský souřadný systém a např. pro definování polohy pro zdvih dílu nad podložku nástrojový souřadný systém robota. 4. Poznatky žáci zapisují do pracovního listu.



strana 5

4) Reflexe 1. Žáci zapíší odpověď na výzkumnou otázku. 2. Žáci zapíší, zda se jim potvrdila hypotéza. 3. Žáci prezentují své závěry a diskutují je. Cíl aktivity Žáci si ujasní použití jednotlivých souřadných systémů robota pro jeho efektivní naučení jednotlivých poloh.

4. Společně formulují doporučení.

obecné

závěry

30 min. Pomůcky Pracovní list.


a


strana 6

5) Problémový výklad Cílem této části (problémového výkladu) je přiblížit učiteli problematiku robotů, robotiky, programování robotů, a tím odpovědět především na tyto otázky: • • • • •

Co je to robot? Jaké základní pojmy a terminologie se užívají v oboru robotika? Jaké jsou druhy robotů? Jaké jsou základní principy programování průmyslových robotů? Jak se programuje robot Mitsubishi MoveMaster RV-M1?

•

Co je robot?

Robot je stroj, který pracuje s určitou mírou samostatnosti a předepsaným způsobem vykonává určené úkoly. Robot může být schopen vnímat své okolí pomocí senzorů, zasahovat do něj, případně si o něm vytvářet vlastní představu (model). •

Co je to robotika?

Robotika je věda o robotech, jejich designu, výrobě a aplikacích. Robotika úzce souvisí s mechanikou, elektronikou, programy a programováním. •

Kdo jako první použil slovo ROBOT?

Slovo ROBOT ve významu „stroj“ použil poprvé v dějinách v roce 1920 ve hře R.U.R. - Rossum's Universal Robots Karel Čapek. Slovo mu poradil jeho bratr Josef Čapek, když se ho Karel ptal, jak umělou bytost pojmenovat. Slovo Robotika jako první použil spisovatel Isaac Asimov roku 1941 ve vědecko-fantastické povídce „Liar“. Asimov také definoval tři základní zákony robotiky. Většina Asimových robotů byla humanoidního tvaru. •

Jaké typy robotů existují?

Existuje mnoho typů robotů a pro mnoho různých druhů použití v mnoha různých prostředích. I když jsou tyto aplikace velmi různorodé, všechny roboty jsou si ve třech věcech podobné. Každý robot má mechanickou konstrukci navrženou tak, aby bylo možné dosáhnout a splnit určitý daný úkol. Pro řízení robotů je používána elektrická energie, a to i u robotů, které pro výkonové členy používají jiný druh pohonů než elektrický (pneumatický, hydraulický apod.). Činnost robota je dána na základě programu vytvořeného člověkem. Program je podstatný pro správnou činnost robota – robot může mít špičkovou mechanickou a elektronickou konstrukci, ale pokud je jeho program špatně vytvořen, jeho výkon bude velmi malý, případně robot nemusí fungovat vůbec.



strana 7

Rozdělení robotů podle schopnosti přemisťovat se: • •

stacionární – nemohou se pohybovat z místa na místo (např. průmyslové manipulátory), mobilní – mohou se přemisťovat (např. vesmírné sondy a vozítka na Marsu).

Další dělení robotů: • • • •

Manipulátory - nemají vlastní inteligenci, pro mechanizaci a automatizaci manipulačních operací pracují automaticky podle programu zadaného člověkem. Průmyslové roboty - více stupňů volnosti než manipulátory (manipulace ve výrobě, lakování, montáž apod.). Autonomní roboti - na základě instrukcí samostatně vykonávají nějakou úlohu, často se využívá prvků umělé inteligence. Android (Humanoid) - robot podobný člověku principiální stavbou těla a zejména způsobem pohybu.

Autonomní mobilní robot je inteligentní stroj schopný vykonávat úkoly samostatně, bez lidské pomoci. Vlastností autonomního robota je jeho schopnost reagovat na změny prostředí. Za tu většinou vděčí svému „mozku“ — počítači, který je zodpovědný více méně za vše, počínaje zpracováváním vstupních údajů, rozhodováním, i konečným provedením vybraných akcí. •

Co jsou to průmyslové roboty?

Průmyslový robot je definován jako automaticky řízený, víceúčelový manipulátor, programovatelný ve třech nebo více osách. Jsou to stroje, které se vyznačují následujícími vlastnostmi: • • • •

Manipulační schopnost: Pomocí jednoho nebo několika manipulačních ramen lze předmět uchopit, přemístit jej, provádět různé montážní a technologické úkony. Automatická činnost: Posloupnost úkonů je prováděna podle předem zadaného programu automaticky bez dalšího zásahu člověka. Snadná změna programu: Program je zadáván člověkem a je možné jej kdykoli změnit. Univerzálnost: Průmyslový robot může sloužit k mnoha účelům, někdy i dost rozmanitým.

Moderní průmyslové roboty mohou být vybaveny i složitějšími systémy, např. i vizuální zpětnou vazbou, tj. robot pomocí kamer „vidí“. Dnešní komerční a průmyslové roboty jsou obecně rozšířené v průmyslu. Vykonávají práci levněji, přesněji a spolehlivěji než člověk. Jsou také využívány v pracích, kde je nečisto, hrozí případné nebezpečí, nebo v pracích, které nejsou pro člověka vhodné. Roboty se široce využívají ve výrobě, montážích, pro svařování, lakování, v transportech apod. Experimentální roboty pak nacházejí uplatnění ve vesmírném bádání, lékařství, vojenství, laboratořích atd.



•

strana 8

Kdy byl vyroben první průmyslový robot?

Příběhy o umělých pomocnících a společnících mají dlouhou historii, ale první plně automatizovaný stroj se objevil až ve 20. století. Prvního průmyslového robota vyrobila společnost Unimation. Tento robot byl nasazen do průmyslu v roce 1961 a jeho hlavním účelem bylo přenášení objektů z jednoho místa na druhé. Firma Unimation měla minimum konkurence až do konce 70. let, kdy do robotiky vstoupilo několik velkých japonských společností. Japonsko vede průmyslovou robotiku dodnes a vede i ve výzkumu. Dnes již existují humanoidní roboti, vzhledem na první pohled nerozlišitelní od člověka. •

Jak se programují průmyslové roboty?

V podstatě existují tři způsoby programování robotů: 1) Přímé programování – učení. Přímé učení bývá prováděno dvěma způsoby: a) obsluha vede rameno robota po požadované dráze, příp. i požadovanou rychlostí. Takto bývají programovány např. roboty pro stříkání barev v lakovnách. b) obsluha navádí robota v prostoru např. pomocí tlačítek na programovacím panelu. V cílové pozici, kterou může nastavovat velmi přesně a libovolně dlouho, obsluha stiskne tlačítko „zapamatuj si tuto pozici“. Programem je pak určena posloupnost pohybů do takto naučených bodů. Tento způsob programování je častý pro manipulační, příp. montážní úlohy. 2) Nepřímé programování – off-line. Dráha pohybu robota je programována ve formě křivek v prostoru v daném čase, např. podle výkresů pomocí speciálních počítačových programů. Hotový, takto vytvořený program je přenesen do robota, který zadané pohyby vykonává. Takto se programují např. roboty pro svařování. 3) Přímé plánování – on-line. Přímé plánování je podobné předchozímu způsobu s tím rozdílem, že robot se přizpůsobuje také údajům od senzorů v měnícím se prostředí. Robot má např. uchopit pohybující se předmět a dráha pohybu tohoto předmětu není předem známa. Způsoby programování a řízení 1a, 2 a 3 se také nazývají CP (Continuos Path), způsob 1b se nazývá PTP (Point to Point). Dále používané roboty Mitsubishi MoveMaster RV-M1 používají právě způsob PTP programování.



strana 9

Průmyslový robot Mitsubishi MoveMaster RV-M1

Souřadné systémy robota Mitsubishi MoveMaster RV-M1

předloktí

Kartézský souřadný

loket

systém X, Y, Z, P, R

+

nadloktí

+

Osový souřadný systém B, S, E, P, R Nástrojový souřadný

+

-

rameno

- naklápění zápěstí

zápěstí

systém Z -

B ∈ <-150°, +150°>

tělo

S ∈ <-30°, +100°> E ∈ <-110°, 0°> P ∈ <-90°, +90°> R ∈ <-180°, +180°>

+z +x

+

signálový kabel

základna

napájecí kabel +y



strana 10

Pracovní prostor robota Mitsubishi MoveMaster RV-M1



strana 11

Čelní panel řídicího systému

Teaching box Tlačítka: ENT

potvrzení, ukončení zadávání příkazu

NST

najetí do referenční pozice = nutné vždy po zapnutí robota

PTP

osový souřadný systém

XYZ

kartézský souřadný systém

TOOL

nástrojový souřadný systém (osa Z je osa efektoru)

P.S pn

uložení aktuální polohy do paměti jako pozice pn

P.C pn

vymazání pozice pn z paměti

MOV pn

jdi do bodu pn



strana 12

Příkazy pro programování z PC

Příkazy pohybu

NT (NST)

najetí do referenční polohy

PD pn, X, Y, Z, P, R

definuje souřadnice bodu

pd 3,30,40,10.5,5,90

SP sl

nastavení rychlosti (sl = 0 – 9)

sp 2

najeď do pozice pn

mo 3, o

MT pn, dist, [o/c]

najeď ve vzdálenosti dist [mm] do pozice pn

mt 3, -50, o

TI time

čekání (time = desetiny sec)

ti 20

MO (MOV) pn, [o/c]

Příkazy na řízení zápěstí

GC

zavře čelisti

gc

GO

otevře čelisti

go

Příkazy na řízení programu

GT nl

nepodmíněný skok v programu na řádek nl

gt 100

ED

konec programu

ed



strana 13

Postup tvorby programu pro robota Mitsubishi MoveMaster RV-M1 1)

Přepínač na Teaching boxu přepneme do polohy ON.

2)

Pomocí Teaching boxu naučíme robota jednotlivé body (polohy) potřebné pro danou úlohu. Je dobré si uvědomit, že např. pro definování polohy kostičky na podložce a její následné zvednutí stačí robota naučit jen jeden bod (poloha kostičky na podložce) a zvednutí potom udělat v nástrojovém souřadném systému pomocí příkazu MT.

3)

Pokud máme naučeny všechny potřebné polohy, přejdeme na tvorbu programu v počítači.

4)

Přepínač na Teaching boxu přepneme do polohy OFF.

5)

Na počítači spustíme program „Robot Commander“.

6)

Navážeme spojení s robotem (ikona

7)

Načteme uložené body z řídicího systému pomocí tlačítka „Načíst

).

definované body“. 8)

Načtené body překopírujeme na začátek programu.

9)

Napíšeme vlastní program - pro začátek použijeme rychlost max. sp 3 - řádky číslujeme po 10 - komentář vkládáme za znak apostrof - na konci programu nezapomeneme příkaz ED.

10) Je vhodné vymazat paměť ŘS příkazem F11. 11) Nahrajeme program do ŘS (ikona

).

12) Program spustíme (ikona ).



strana 14

Příklad programu v prostředí Robot Commander

Zdroje: [1] [2] [3]

Robotika. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida): Wikipedia Foundation, 11. 12. 2006, last modified on 12. 9. 2014 [cit. 15. 12. 2014]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Robotika Robotics. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida): Wikipedia Foundation, 11. 12. 2006, last modified on 11. 2. 2015 [cit. 12. 2. 2015]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Robotics MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION. Industrial micro-robot system: Model RV-M1 Instruction manual. Japan: Mitsubishi Electric corp.



strana 15

Lekce 1 – pracovní list

1) Motivace

Co si představujete pod pojmem robot? Čím je specifický průmyslový robot?

Kdo první použil slovo ROBOT, které se dnes používá na celém světě?

Hra: Doveďte robota Karla (na pozici X1, Y1), který rozumí jen omezenému množství příkazů, v labyrintu k červené součástce (na pozici X5, Y5) a dopravte ji ke stroji (na pozici X10, Y10). Robot Karel rozumí jen těmto čtyřem příkazům: Jdi na X.. Y.., Otoč se na R.., Vezmi a Polož. Pravidla: Karel nemůže jít přes zeď, Karel musí být vždy správně natočený ve směru pohybu (příkazem Otoč se na R..), součástku Karel vezme jen tehdy, pokud se nachází na stejném poli, jako je ona, položit ji může kdekoliv. Cílem je donést ji ke stroji, tj. na pole X10, Y10, a tam ji položit. Y

Doplňte příkazy pro robota K.:

Otoč se na R0

10 R90

Jdi na X

9 R180

R0

8

?

Otoč se na R

Y

?

?

R270

7 6 5 4 3 2 1 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

X



strana 16

2) Evokace Výzkumná otázka: Hypotézy: Osový souřadný systém robota je vhodný Kartézský souřadný systém robota je vhodný Nástrojový souřadný systém robota je vhodný



strana 17

3) Uvědomění

Naučte robota jednotlivé polohy (body) jeho úchopné hlavice, které budete potřebovat pro přemístění kostky (součásti) z dané pozice do nové (jiné) pozice na pracovní podložce robota – viz obrázek: Robot musí součástku zvednout nad podložku, změnit její orientaci a položit ji do nové polohy zpět na podložku.

pracovní podložka robota

výchozí poloha

konečná poloha kostky

Zjistěte, který souřadný systém je nejefektivnější použít v dané fázi učení, poznatky zapište:



strana 18

4) Reflexe

1. Zapište odpověď na výzkumnou otázku:

2. Zapište, zda se vám potvrdila vaše hypotéza a jaké poznatky při učení poloh robota jste získali:

3. Prezentujte své výsledky, zda jste si odpověděli na výzkumnou otázku a zda se vám potvrdila hypotéza. Obecné závěry po prezentaci a diskusi:



strana 19

Příkazy pro programování z PC Příkazy pohybu NT (NST)

PD pn, X, Y, Z, P, R

SP sl

MO (MOV) pn, [o/c]

MT pn, dist, [o/c]

TI time

Příkazy na řízení zápěstí GC

GO

Příkazy na řízení programu GT nl

ED



Správný pohled na věc Cíl lekce: Cílem lekce je seznámit žáky s terminologií a pravidly tvorby výkresové dokumentace (pravoúhlé promítání, typy čar, řezy, kótování, tolerance) ve strojírenství. Žáci by měli pochopit, proč jsou daná pravidla užitečná a ve skutečnosti tak důležitá. Na názorných ukázkách budou vysvětleny základní druhy izometrických pohledů a bude rozvíjena představivost a logické myšlení. Po zvládnutí lekce by žáci měli samostatně dokázat z jednoduchého reálného 3D modelu vytvořit základní 2D průměty (nárys, půdorys, bokorys) a měli by znát základní pravidla a pojmy technického kreslení. Prostředí Školní třída, laboratoř. Hlavní myšlenka lekce Technická dokumentace je důležitý nástroj pro kvalitní výrobu. Zásadní otázka/y lekce Jaký je rozdíl mezi 2D a 3D zobrazením? Jak přenést reálný 3D model na obyčejný list papíru? Co je to pravoúhlé promítání? Lze veškeré modely zakreslit ve 2D? Proč je výkresová dokumentace tak důležitá?

strana 20


A B 180

min.

I.-XII.

Příprava lekce PC, dataprojektor, tabule, vzorky součástí (výrobků) na vysvětlení izometrických pohledů, videoukázky, připravené prezentace, ukázky z praxe, pracovní listy, modelovací plastelína, pravítko, tužky, fixy. Vstupní požadavky na žáky Žáci by měli ovládat psaní, znát základy matematiky, geometrie a práci s PC. Měli by mít určité prostorové vnímání a nebát se použít logické myšlení. Vědí, co je pravoúhlý souřadný systém, osa X, Y, Z apod.



strana 21

1) Motivace 1. Učitel rozdá žákům pracovní listy pro zapisování poznámek z výkladu. Listy jim zároveň později poslouží jako návod k samostatné práci. Cíl aktivity Žáci budou nasměrováni učitelem do oblasti výkresové dokumentace, kde získají reálnou představu o číslech a rozměrech 30 min. Pomůcky Prezentace, ukázky modelů dataprojektor, PC, pracovní list.

2. Vyučující si u žáků ověří znalosti základních jednotek (délka, váha, plocha, …). Učitel se nebojí zeptat i na anglické jednotky, např. zda žáci vědí, kolik je 1 palec v mm či 1 stopa v cm. Postupně je diskuze vedena směrem k používání jednotek ve strojním průmyslu. Snaha je touto cestou nasměrovat žáky tak, aby pochopili myšlenku výkresové dokumentace, v níž jsou jednotkou míry milimetry. V pracovních listech mají studenti prostor pro doplnění vybraných jednotek a jejich převodů mezi sebou. 3. Žáci společně s učitelem hovoří o tom, jaké pomůcky pro měření lze použít v různých oborech, pro měření různých veličin apod. Žáci mají za úkol pojmenovat některé měřící pomůcky ve svých pracovních listech. 4. Učitel promítne pomocí dataprojektoru několik různých obrázků a zeptá se žáků, zda se jedná o 3D nebo 2D modely a zároveň vysvětlí základní pravidla pravoúhlého promítání.



strana 22

2) Evokace

Cíl aktivity Žáci si kladou otázky, které je v souvislosti s problematikou výkresové dokumentace napadají. 45 min. Pomůcky Obrázky, videoukázky, prezentační technika, laboratoře, pracovní list, tabule, fixy.

1. Třída pozoruje prezentaci výkresů s popisy z příslušné dokumentace, výklad je doplněn o ukázky z praxe jak výkresové dokumentace, tak i o metody samotného promítání. Žáci se zapojí do diskuze s vyučujícím a sami hledají výsledky a snaží se řešit jednotlivé úkoly. K tabuli přistupují jednotlivci se snahou dojít ke správnému řešení. 2. Žáci mají ve svých pracovních listech několik otázek a jejich úkolem je odpovědět, jaký nástroj by použili k vyřešení uvedených problémových situací. 3. Žáci do pracovních listů zaznamenávají otázky, které je v souvislosti s problematikou výkresové dokumentace napadají. Např.: Kdy je vhodné použít měřítko, kdy použít větší rozměr papíru? Promítá se průhledný a lesklý model jinak než model neprůhledný a matný? Jaký má tolerance vliv na výsledný zakótovaný model? 4. Žáci formulují ověřitelné hypotézy týkající se výkresové dokumentace. Např.: Lze použít na kouli metodu pravoúhlého promítání? Má lidské tělo osu symetrie?“ 5. Celý kolektiv s učitelem vybere výzkumné otázky a hypotézy, které v další fázi lekce ověří experimentem.



strana 23

3) Uvědomění

Cíl aktivity Žáci na základě provedených experimentů a pokusů zjistí, jak záleží na kvalitě a podstatě výkresové dokumentace. 75 min. Pomůcky PC, dataprojektor, tabule, fixy, vzorky obráběných součástí (výrobků), videoukázky, plastelína, papír, tužky.

1. Žáci společně s učitelem diskutují nad svými odpověďmi a snaží se formulovat, jak by pomocí pravidel technické dokumentace zakreslili model složený z více dílů. Učitel vypisuje jednotlivé oblasti na tabuli, uvádí příklady z praxe. 2. Následný pokus ukáže, proč je výkresová dokumentace v praxi důležitá. Žáci utvoří dvojice, ve kterých jeden z nich představuje konstruktéra a druhý dělníka. Učitel rozdá „konstruktérům“ jednoduché modely. Jejich úkolem je, aby nakreslili ve správných izometrických pohledech danou součástku a správně ji okótovali. Až bude mít „konstruktér“ hotový technický výkres, učitel vybere modely, které jim rozdal. „Konstruktér“ předá „dělníkovi“ technický výkres. Úkolem „dělníka“ je, aby z modelovací plastelíny vyrobil součástku podle výkresu. 3. Smyslem pokusu je upozornit na to, že konstruktéři pravděpodobně zapomenou např. nějakou kótu či detail, bez kterých nemůže „dělník“ vyrobit součástku. Můžou o pomoc požádat učitele, zda by jim neporadil či neřekl chybějící rozměr. Učitel vypíše dvojice „konstruktér“, „dělník“ na tabuli a zaznamenává údaje, které poskytl dané dvojici. Po skončení pokusu si žáci zapíší, kolikrát žádali o pomoc a co jim chybělo nejčastěji. 4. Výsledkem pokusu by mělo být, že si „konstruktéři“ uvědomí, jak je důležité mít v pořádku výkresovou dokumentaci, ve které je „dělník“ schopen číst. Žáci zároveň rozvíjejí svou prostorovou představivost při výrobě (modelování) součástky.



strana 24

4) Reflexe 1) Žáci zapíší odpověď na výzkumnou otázku a na otázku, zda se jim potvrdila hypotéza.

Cíl aktivity Žáci si ujasní postupy pravoúhlého promítání a správný postup při tvorbě výkresové dokumentace. Seznamují se s pojmem „drsnost“. Žáci prezentují výsledky zjištěné svým bádáním. 30 min. Pomůcky Pracovní list, ukázky složité výkresové dokumentace a její řešení.

2) Žáci pracují ve dvojicích, které si vytvořili v předchozí části lekce (Uvědomění). Učitel je vyzve, aby popsali (prezentovali) postup svého bádání. Zhodnotí, k jakému závěru dospěli, zda se jim podařilo odpovědět na výzkumnou otázku a jestli se jim potvrdila stanovená hypotéza. Každá z dvojic popíše svůj postup práce při pokusu, co by do budoucna udělali jinak a lépe a co jim daný pokus přinesl. 3) Žáci jsou vybídnuti, aby se zamysleli, jak by bylo možné pomocí výkresové dokumentace okótovat sestavu (např. motor). Může následovat ukázka správného řešení z praxe. Lze nějaké součásti vyrábět bez výkresové dokumentace? Pokud ano, které? Ovlivňuje nějak druh materiálu kótovanou součást? Jak dělník při výrobě zjistí, zda má mít součást hrubý, nebo jemný povrch? 4) Některé otázky mohou nezodpovězeny s cílem podnítit následující lekci.

zůstat zájem o



strana 25

5) Problémový výklad Cílem této části (problémového výkladu) je přiblížit učiteli problematiku pravoúhlého promítání a výkresové dokumentace a dále odpovědět především na tyto otázky: • • • • •

S jakou přesností pracujeme při tvorbě technické dokumentace? K čemu slouží pravoúhlé promítání? Jak se vytváří technická dokumentace? Jakým způsobem se kótují základní prvky? Jaká jsou základní pravidla zobrazování na výkresech?

Základem průmyslové výroby je přesné měření, které zajistí kvalitu vyráběných součástí a snižování počtu zmetků. Z tohoto důvodu zaznamenáváme rozměry v technické dokumentaci v milimetrech s tolerancí 0,1 až 0,001 mm, přičemž nad 0,01 mm se jedná o normalizované toleranční pole (viz Strojírenské tabulky). Konstrukční a technologické požadavky samozřejmě musí vycházet z určitých norem, a to buď mezinárodních, nebo národních. V současnosti se v průmyslu využívají konvenční způsoby měření (jako je např. posuvné měřítko, mikrometr, kalibry, dotykové souřadnicové stoje apod.), které jsou stále častěji nahrazovány speciálními bezkontaktními měřícími systémy. Základem pro zobrazování technické dokumentace jsou promítací metody. Jedná se o soubor pravidel pro dvourozměrné zobrazení třírozměrného předmětu. Pravidla zahrnují volbu středu promítání (bodu, ze kterého vycházejí všechny promítací přímky procházející dále promítaným bodem, jejichž průsečíky s průmětnou jsou obrazy promítaného bodu) a průmětny (roviny, na kterou je bod promítán). Pravoúhlé promítání Nejrozšířenější metoda ve strojírenském konstruování je pravoúhlé promítání. Jde o rovnoběžné promítání, jehož směr svírá s promítací rovinou pravý úhel 90°. Obrazy získané pravoúhlým promítáním jsou dvourozměrné, systematicky umístěné ve vzájemném vztahu. V praxi se užívá promítání na několik (nejčastěji bývají tři) navzájem kolmých hlavních průměten. Je možné zvolit další pomocné průmětny. Počet použitých pohledů, včetně pomocných, se odvíjí od složitosti zobrazovaného předmětu. Volí se takový počet pohledů, při němž je předmět zcela určen, a jeho tvary jsou dostatečně jasné a zřetelné. Předmět se může zobrazit až v šesti hlavních obrazech, pořadí se určuje na základě složitosti předmětu. Za hlavní obraz ("pohled zepředu") se volí takový obraz, který obsahuje nejvíce informací.



strana 26

a – pohled zepředu b – pohled shora c – pohled zleva d – pohled zprava e – pohled zdola f - pohled zezadu

Obr.1: Pravoúhlé promítání[3]

Technická dokumentace Technickou dokumentací rozumíme celý soubor podkladů připravený k výrobě daného předmětu. Pomocí již zmiňované promítací metody přejdeme k samotné konstrukci, pro kterou ale musíme znát pravidla. Velikost a rozložení předmětu a dalších jeho částí se značí pomocí kótovacích čar a kót. Kóta je číslo udávající velikost označené části v milimetrech. Pro uspořádání kót jsou stanovena pravidla, tak aby byla zajištěna srozumitelnost celého kótovacího systému.

Obr.2: Popis kótovacích čas a kót [3]

Kótovací čáry se kreslí rovnoběžně s kótovaným rozměrem nebo jako kruhový oblouk. Nesmí se vzájemně protínat nebo křížit. Vynášecí (pomocné) čáry se kreslí kolmo ke kótovanému prvku nebo směřují do vrcholu úhlu. Pomocné čáry se prodlužují za kótovací čáru o 1 – 2 mm. Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


strana 27

Obr.3: Vynášení čas při kótování [3]

Kóty se píši technickým písmem velké abecedy tak, aby byla zajištěna dobrá čitelnost. Velikost kót se obvykle volí 3,5 – 5 mm.

Obr.4: Ukázka zapisování kót [3]

Při kótování dvou nebo více délkových rozměrů ve stejném směru a pří kótování úhlů majících společný vrchol se používá: • řetězové kótování, • kótování od společné základny, • smíšené kótování, • souřadnicové kótování. Řetězové kótování lze použít tehdy, jestliže součet mezních úchylek jednotlivých rozměrů nemůže ovlivnit funkci nebo vyměnitelnost výrobku.



strana 28

Obr.5: Řetězové kótování [3] Kótování od společné základy se využívá tehdy, je-li funkční vztah mezi kótovanými částmi k jednomu bodu. Takový bod nazýváme společnou základnou, ze které vycházejí délkové i úhlové kóty označující dané rozměry.

Obr.6: Kótování od společné základny [3] Kruhové oblouky se kótují poloměrem (značení R) a jedním z těchto rozměrů: středovým úhlem, délkou tětivy, délkou oblouku.

Obr.7: Kótování oblouků [3]

Kótování poloměrů je prováděno pomocí písmene R a číselné kóty.



strana 29

Obr.8: Kótování poloměrů [3] Na kótování děr a průměrů se používá kóta se značkou Ø a číselnou hodnotou.

Obr.9: Kótování děr a průměrů [3] Kótování rovinných úhlů je udáváno ve stupních, minutách nebo vteřinách.

Obr.10: Kótování rovinných úhlů [3]

Zaznamenání rozměrů zkosených hran pomocí délkového a úhlového kótování má více možností (viz ukázky).



strana 30

Obr.11: Kótování zkosených hran [3] U průchozích a neprůchozích děr kótujeme jejich průměr, délku otvoru a značíme umístění osy.

Obr.12: Kótování průchozích a neprůchozích děr [3]

Sklon ploch nebo přímek kótujeme udáním všech tří rozměrů, dvěma rozměry a úhlem sklonu nebo udáním dvou rozměrů a značkou sklonu.



strana 31

Obr.13: Kótování sklonu ploch nebo přímek [3]

Pravidla pro zobrazování na výkresech • Počet pohledů volíme co nejmenší, avšak takový, aby těleso bylo úplně zobrazeno. • Pro umístění obrazů platí zpravidla pravoúhlé promítání. • Hlavní obraz (pohled zepředu nebo řez) by měl poskytovat co nejvíce informaci o promítnutém předmětu. • Při promítání daného modelu do výkresu se dbá i na jeho možnou výrobu - tzn. výkres musí být čitelný a srozumitelný s dostatečným množstvím informací. • Pro zobrazení kruhového průřezu musí být vždy použita osa rotace. • Součást kruhového průřezu soustružená nebo broušená se nakreslí vždy s osou rovnoběžnou se spodním okrajem výkresu. • Vysoké předměty (sloup, stožár, stojan) se mohou zobrazit ve vodorovné poloze, spodní část předmětu se umístí vpravo.

Zdroje: [1] JANOVSKÝ, J. VÝUKOVÝ MATERIÁL PRO ŽÁKY. Technické kreslení [online]. [cited 2015-10-01]. http://projekt.iss-slany.cz/wpcontent/uploads/2011/10/Tech_kresleni_JJ-barva.pdf. [2] GOŠ, D. Pravoúhlé promítání. [online]. [cited 2015-10-01]. www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785 . [3] ZEMAN, D. Technické kreslení [online]. Chomutov, 2008 [cited 2015-1001].http://www.sosnejdek.cz/predmety/files/ok/ok_technickekresleni.pdf.



strana 32

Lekce 2 – pracovní list 1) Motivace

Vypište za pomoci učitele základní převody jednotek:

1 metr

=

___________ mm

1cm

=

___________ mm

1" (palec) =

___________ mm

1 míle

=

___________ m

1 stopa

=

____________ m

1 hektar

=

____________ m2

1 libra

=

____________ Kg

1 kilogram =

____________ g

1m3

____________ litrů

=



strana 33

Pojmenujte jednotlivé pomůcky k měření a napište, s jakou přesnosti dané měřidlo měří, v jakém oboru (oblasti průmyslu) byste toto měřidlo použili:

_____

_____

_____

_____

_____

_____



strana 34

2) Evokace

1. Napište, jaký nástroj byste použili k vyřešení následujícího problému. Zvolit můžete posuvné měřítko, vodováhu, kalibr, svinovací metr nebo pásmo. • Zjištění délky podélného výkopu kolem vašeho domu? ___________________________ • Zjištěni rozměru strojní součástky, která má být velmi přesná? ___________________________ • Zákazník si nechal od vás vyrobit desku ze železa, ve které je několik přesných děr o různých rozměrech. Jaké měřidlo použijete pro jejich překontrolování? ___________________________ • Jdete po náměstí a vidíte skupinku dlaždičů, jak pokládají dlažbu. Jaké měřidlo uvidíte vedle nich? ___________________________ • Rozhodli jste se, že si domů pořídíte nový nábytek, ale nevíte, jestli se vám na požadované místo vejde. Čím ho přeměříte? ___________________________ • Doma přiděláváte skříňku na zeď, potřebujete si vzít správný průměr vrtáku. Čím ho přeměříte? ___________________________



strana 35

2. Jaké otázky vás napadají v souvislosti se základy konstruování? Zapište je zde:

3. Formulujte hypotézy týkající se výkresové dokumentace: ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________

4. Zapište vybrané otázky pro ověření: ________________________________________________________ ________________________________________________________ ________________________________________________________



strana 36

3) Uvědomění

1. Vysvětlete, kdy je dobré použít menší, větší nebo skutečné měřítko; své rozhodnutí odůvodněte:



strana 37

________________________________________________________ ________________________________________________________ _______________________________________________________ 2. Zakreslete nárys a bokorys zobrazených součástí, následně zakótujte:



strana 38

3. Vytvořte dvojici s dalších studentem. Za pomocí společného bádání zakreslete nárys, půdorys a bokorys některé ze zobrazených „těžších“ součástí, následně zakótujte:



strana 39

4. Zakreslete výrobní výkres (nárys, půdorys, bokorys) pro součást, kterou jste dostali od pana učitele. Součást správně okótujte podle pravidel technické dokumentace („konstruktér“). Součást vyrobte z plastelíny („dělník“).

Počet chybějících údajů _____ .



strana 40

4) Reflexe

5. Zapište odpověď na vybranou výzkumnou otázku, a zda se vám potvrdila hypotéza: _________________________________________________________ _________________________________________________________ _________________________________________________________

6. Zamyslete se, zda existují nějaké modely, které nepotřebují výkresovou dokumentaci. (Nápověda: součástky volně k dostání.) Své nápady zapište:



Je možné naskenovat člověka? Cíl lekce: Cílem lekce je seznámit žáky s problematikou bezkontaktní optické digitalizace objektů. Žáci by si měli osvojit a zapamatovat základní pojmy a terminologii z oboru optické digitalizace a pochopit základní principy optického snímání 3D obrazu. Žáci se dozvědí, k čemu lze v praxi využít optickou digitalizaci, porozumí tomu, proč některé povrchy jsou dobře a některé hůře skenovatelné nebo jak provést digitalizaci rozměrných součástí.

Prostředí Školní třída, laboratoř. Hlavní myšlenka lekce Bezdotykové optické skenery jsou určeny k rychlé a přesné digitalizaci reálných dílů. Zásadní otázka/y lekce K čemu lze použít tzv. 3D skener? Jaký je princip vidění ve 3D? Jak spojit více snímků do jednoho celku? Jaké povrchy umí skener naskenovat?

strana 41


A B 180

min.

I.-XII. Několik předmětů s různým povrchem (matný, lesklý, světlý, černý). Optický 3D skener. Vstupní požadavky na žáky Žáci znají základy geometrie, vědí, co je pravoúhlý souřadný systém, osa X, Y, Z apod., znají základy práce na PC.

Příprava lekce PC, dataprojektor, tabule, fixy. Ukázky PC modelů vzniklých optickou digitalizací. Prázdná PET lahev, tužka (více ks). Pracovní listy, nůžky.



strana 42

1) Motivace

Cíl aktivity Žáci odhalí, že lekce se týká 3D optického skenování těles, a tím budou motivování k dalším činnostem. 15 min. Pomůcky Ukázky obrázků a 3D modelů, dataprojektor, PC, pracovní list.

5. Učitel promítne s pomocí dataprojektoru nebo ukáže na monitoru PC několik různých obrázků a modelů a zeptá se žáků, jak si myslí, že byly obrázky a modely vytvořeny. Některé obrázky jsou ve 2D (fotoaparát, 2D skener), jiné ve 3D (CAD program, 3D skener). 6. Žáci společně s učitelem diskutují, na co by použili fotoaparát, 2D skener, CAD program a na co je výhodnější použít 3D skener. 7. Žáci dostanou pracovní list a učitel se jich ptá, zda si myslí, že člověk vidí ve 3D a proč ano či ne (jak funguje 3D TV, 3D kino)? Jakým způsobem by si usnadnili situaci, pokud by měli rozebrat a znovu složit puzzle nebo např. rozstříhat velkou mapu a pak ji opět složit dohromady? Proč si myslí, že povrch některých předmětů lze skenovat dobře, jiný špatně a některý vůbec (pracovní list)?



strana 43

2) Evokace 6. Žáci dostanou pracovní list, ve kterém mají několik otázek a jejich úkolem je odpovědět, jaký z dříve diskutovaných nástrojů by k vyřešení problému použili. Cíl aktivity Žáci si kladou otázky, které je v souvislosti s problematikou optického 3D skenování napadají. Společně s učitelem hledají výzkumné otázky a formulují ověřitelné hypotézy. 30 min. Pomůcky Pracovní list, tabule, fixy.

7. Nyní vyučující rozdá žákům obrázek (Obrázek plný otázek – viz příloha A). Žáci jsou požádáni, aby si každý sám zapsal otázky, které je k obrázku napadají. Následně nechá učitel sdílet otázky ve skupině 3 – 4 žáků; každá skupina má za úkol vybrat cca pět nejzajímavějších otázek. TOP otázky jsou následně učitelem zapsány na tabuli a diskutovány spolu s možnými odpověďmi v rámci celé třídy. 8. Nezodpovězené problémy spolu s dalšími otázkami, které třídu v souvislosti s problematikou optického 3D skenování napadají, si žáci zaznamenají do pracovních listů. Např. Proč jsou na skenovaném předmětu a všude kolem nalepeny černobílé tečky? Na co vše lze 3D skenery využít? Lze oskenovat i pohyblivé předměty? Záleží na barvě skenovaného objektu? Jak oskenovat velké předměty, které skener nevidí celé? 9. Žáci formulují ověřitelné hypotézy týkající se 3D skenování. Např.: „Lze skenovat jen světlé matné povrchy“. 10.Společně jako třída s učitelem vyberou výzkumné otázky a hypotézy, které v další fázi ověří experimentem.



strana 44

3) Uvědomění

Cíl aktivity Žáci na základě provedených experimentů a pokusů zjistí, jaké předměty lze a jaké nelze skenovat. Ověří možnost spojování dílčích skenů při skenování velkých objektů a uvědomí si principy 3D vidění. 105 min. Pomůcky Prázdná PET lahev, tužka, pracovní list, nůžky, několik předmětů s různým povrchem (matný, lesklý, světlý, černý), optický 3D skener.

5. Žáci společně s učitelem diskutují své odpovědi z prvního bodu předchozí fáze lekce a snaží se formulovat, v jakých oblastech je optická digitalizace užitečná a kde se využívá. Učitel vypisuje jednotlivé oblasti na tabuli, uvádí příklady z praxe a žáci si poznamenávají poznatky do pracovních listů. 6. Nyní žáci společně s učitelem provedou pokus, při kterém si ověří prostorové vnímání. Učitel vyzve žáky, aby hlasovali, jestli si myslí, že i při pohledu jedním okem vnímají svět kolem sebe prostorově (ve 3D). Výsledky zapíše učitel na tabuli. Následuje pokus, kdy se každý z žáků snaží do hrdla před sebe postavené PET lahve trefit tužkou. Nejprve má obě oči otevřené, následně pokus opakuje s jedním okem zavřeným. Výsledky si každý zapisuje do pracovního listu a následně vyhodnotí úspěšnost a definuje závěr (je předpoklad, že při pohledu jedním okem bude podstatně méně platných pokusů). 7. Proběhne diskuze a vysvětlení principu 3D vidění, principu funkce 3D televize a vnímaní 3D prostoru pomocí optických 3D skenerů (optická triangulace, stereovidění, fotogrammetrie, Fridge projection apod.) 8. Další pokus vysvětlí princip spojování dílčích snímků (skenů) do jednoho celku s pomocí referenčních bodů. Žáci si vystříhají obrázky ve svých pracovních listech. Následně zamíchají jednotlivé dílky a poté se pokusí obrázek složit. Přitom si měří čas a výsledky zapíší do tabulky. Následně diskutují, proč stejný obrázek jednou složili rychleji a jednou pomaleji. Snaží se formulovat, jak by zjištěné poznatky bylo možné použít při skenování velkých ploch. Následně je vysvětlen princip a použití referenčních bodů (kódovaných a nekódovaných) při skenování 3D objektů (analogie k obrázku s čísly – body) a způsob spojování snímků s pomocí



strana 45

metody BestFit (analogie k obrázku bez bodů – spojování na tvar). 9. Poslední z pokusů v této části lekce by měl ukázat, jaký má vliv povrch modelu na možnost skenování. Žáci si zvolí předměty odlišných povrchových vlastností (světlý / tmavý, matný / lesklý apod.) a s pomocí učitele provedou 3D sken uvedených modelů – vzorků. Zhodnotí kvalitu získaného 3D obrazu ve škále 1 – 5 (1 - výborně oskenováno, 5 - zcela neoskenováno) a zapíší si výsledky do svých pracovních listů. Zhodnotí, které povrchy bylo možné skenovat bez problémů a u kterých bylo zachycení obrazu problematické. V závěru žáci formulují obecnou definici, které látky je možné skenovat a které nikoli.



strana 46

4) Reflexe 5) Žáci zapíší odpověď na výzkumnou otázku a na otázku, zda se jim potvrdila hypotéza. Cíl aktivity Žáci si ujasní, že povrchové vlastnosti objektů hrají významnou úlohu při optickém skenování těles. Přemýšlejí, jak by bylo možné upravit povrch objektů tak, aby i nevhodné materiály bylo možné opticky digitalizovat. Žáci prezentují výsledky zjištěné svým bádáním. 30 min. Pomůcky Pracovní list, video s ukázkou nanášení antireflexního nástřiku, předmět s nanesenou antireflexní vrstvou apod.

6) Žáci jsou ve dvojicích vyzváni, aby popsali (prezentovali) postup svého bádání. Žáci zhodnotí, k jakému závěru dospěli, zda se jim podařilo odpovědět na výzkumnou otázku a jestli se jim potvrdila stanovená hypotéza. Každá z dvojic popíše jednu z dílčích oblastí. Např. skenování velkých objektů, povrchy vhodné pro 3D skenování, materiály nevhodné pro 3D skenování apod. 7) Žáci jsou vybídnuti, aby se zamysleli, jak by bylo možné upravit povrch objektů tak, aby i nevhodné (lesklé, černé, průhledné) materiály bylo možné opticky digitalizovat. Následuje diskuze, příklady a ukázky z praxe (ukázka ošetřeného povrchu, video nanášení antireflexního nástřiku apod.). 8) Žáci dostanou za úkol, aby si na příští lekci o 3D skenování přinesli jeden předmět, který by bylo možné zdigitalizovat. Vhodné je, aby při volbě předmětu uvažovali, k jakému účelu by takto získaný PC bylo možné dále využít (reflexe na používání 3D digitalizace v praxi)



strana 47

5) Problémový výklad Cílem této části (problémového výkladu) je přiblížit učiteli problematiku bezkontaktní optické digitalizace objektů a dále odpovědět především na tyto otázky: • • • • •

Jaké základní pojmy a terminologie se užívají v oboru optické digitalizace? Jaké jsou základní principy optického snímání 3D obrazu? K čemu lze v praxi využít optickou digitalizaci? Proč jsou některé povrchy dobře a některé hůře skenovatelné? Jak provést digitalizaci rozměrných součástí, resp. jak spojit více snímků do jednoho celku?

„Dvakrát měř, jednou řež“ praví staré české pořekadlo. Význam těchto čtyř slov poukazuje na důležitost procesu měření při výrobě či kontrole součástí. V dnešní době to platí dvojnásob. Průmyslová výroba by bez užívání metrologických postupů v silném konkurenčním prostředí neuspěla. Proto je nezbytné, aby každý výrobní podnik měl útvar věnující se této problematice. Stejně jako ve všech odvětvích, tak i v oblasti měření a kontroly je možné získat konkurenční výhodu používáním nejmodernějších zařízení. Z tohoto důvodu jsou v průmyslu v současnosti konvenční způsoby měření (jako např. posuvné měřítko, mikrometr, dotykové souřadnicové měřící stroje apod.) stále častěji nahrazovány speciálními bezkontaktními měřícími systémy. Ty se pak dělí podle principu práce na laserové, optické, ultrazvukové či rentgenové. Tato měřící zařízení, často označovaná jako 3D skenery, umožňují převést fyzický reálný tvar objektu do podoby počítačového virtuálního 3D modelu. Po nasnímání objektu je tedy vytvořen počítačový model, se kterým lze dále pracovat. Protože tento výukový modul je zaměřen především na zástupce 3D skenerů pracujících na optickém principu, bude další výklad soustředěn tímto směrem. •

K čemu lze tedy bezdotykové optické skenery použít?

Bezdotykové optické skenery jsou určeny k rychlé a přesné digitalizaci reálných dílů o velikosti centimetrů až metrů a přenosu jejich povrchu do 3D grafického rozhraní počítače, kde je možné je dále upravovat a modelovat. Výsledkem skenování objektů je tzv. mrak bodů (resp. kvalitní optimalizovaná polygonální síť (*.STL)). Jsou to body v souřadnicích X, Y a Z ležící na povrchu skenovaného objektu. Vzhledem k velkému množství bodů na povrchu součásti může být vyhodnocení měření velmi komplexní, a může tedy poskytovat informace o každém místě povrchu objektu, což dotykové měření s relativně málo body nezajišťuje. Po dalším zpracování specializovanými SW lze vytvářet



strana 48

plošné nebo objemové modely, které je pak možné zpracovávat v CAD/CAM programech. Přehled oblastí využití optického skenování v praxi: Digitalizace libovolných objektů, jako jsou např. formy, nástroje, výlisky. Takto získaná data mají široké využití především v oblastech CAD a CAM (konstrukce s podporou počítače, výroba podporovaná počítačem), simulaci vstřikování plastů či tažení plechu. Lze provádět kontroly kolizí dílů a funkčnosti celků nebo ověření smontovatelnosti jednotlivých komponentů pomocí virtuálních sestav apod. Kontrola rozměrů, analýzy, inspekce - grafické porovnání CAD modelu a nasnímaných dat. Lze vytvářet tzv. barevné mapy odchylek aktuálního modelu (měřeného) vůči modelu nominálnímu (CAD modelu) při různém způsobu ustavení. Odchylky jsou zobrazeny na aktuálním skenu, přičemž dle odstínu barvy určujeme velikost chyby v daném místě. Pokud jsou barvy do teplého odstínu (do červené), je měřený díl v tomto místě nad CAD plochou, tedy je zde odchylka do plusu. V případě studených barev (do modré) je odchylka naopak záporná a měřená plocha se nachází pod nominální. Dále můžeme vytvářet řezy, obrysové a kontrastní křivky, odchylky bodů, tolerance tvaru a polohy, měření tloušťky plechu, deformací, výrobních defektů apod.

Obr.1: Kontrola přesnosti dílu – tzv. barevná mapa odchylek Rychlá výroba kovových nebo 3D tisk, přímé CNC obrábění lekcích). Reverzní inženýrství (Reverse převod do 3D CAD dat (pro

plastových prototypů (Rapid Prototyping – - více o této problematice v následujících Engineering) - digitalizace reálných dílů a získání chybějící výkresové dokumentace,



strana 49

fyzikální zkoušky apod.), převod ručně vyrobených designérských modelů (např. hliněných návrhů, koncepčních studií) do 3D grafické podoby k dalšímu zpracování. Tímto způsobem je často navrhován např. design nového osobního automobilu. Hlavním stavebním materiálem je modelářská „hlína“, ze které se ručně vytvoří model automobilu a za pomoci 3D skenování se digitálně zpracuje.

Obr.2: Koncepční studie - hliněný model auta VisionC Další využití 3D skenování je v dokumentaci a archivaci dat historických předmětů, soch, reliéfů. Kromě technických oborů nachází široké uplatnění např. v umění, kultuře, architektuře či lékařství. •

Proč jsou některé povrchy dobře a některé hůře skenovatelné? Jaké jsou výhody a nevýhody optického bezkontaktního 3D měření?

Výhodou optického bezkontaktního 3D měření je především to, že nezáleží na tuhosti měřené součásti, protože mezi měřicím zařízením a součástí nedochází k žádnému dotyku. K dalším výhodám patří vysoká rychlost snímání bodů, často stovky tisíc až miliony bodů během několika vteřin. K nevýhodám naopak patří nemožnost přímo měřit neviditelné (např. průhledné) objekty, lesklé nebo naopak tmavé povrchy (při promítání vzoru proužků na těleso dochází na lesklých plochách k odrazu, kamera nevidí povrch a chybí zde data). Tuto nevýhodu lze částečně eliminovat používáním antireflexních nástřiků (křídový sprej apod.). Po takovémto ošetření ploch již odlesky nevznikají, a přitom je lze přesně naskenovat. Dále není možné snímat povrchy v místech, kam skener nevidí, typicky hluboké dutiny, otvory apod.



strana 50

Obr.3: Aplikace antireflexního nástřiku na měřenou součást [1]

•

Jaké jsou základní principy optického snímání obrazu?

Systém optického 3D skenování je nejčastěji založen na triangulačním principu – kdy projektor skeneru promítá na měřený objekt různé vzory proužků, které jsou snímány dvěma kamerami s CCD čipem (podobně jako čip v obyčejném digitálním fotoaparátu). Software tyto obrazy zpracuje a vypočítá prostorové souřadnice jednotlivých bodů. V každém obraze mohou být dle rozlišení CCD čipu stovky až miliony změřených bodů na povrchu součásti. Automatické složení jednotlivých záběrů do jednoho celku je zajištěno nejčastěji pomocí tzv. referenčních značek (viz dále). Za účelem naskenování celého objektu lze pohybovat skenerem i měřeným objektem.



•

strana 51

Obr.4: Rastr proužků světla na měřeném modelu při 3D skenování Jak provést digitalizaci rozměrných součástí, resp. jak spojit více snímků do jednoho celku?

Zpravidla není možné měřený objekt naskenovat na jeden snímek (pozici skeneru) a k úspěšné kompletní digitalizaci celého modelu je třeba provést několik záběrů z různých stran a úhlů. Aby software, který zpracovává data ze skeneru, dokázal jednotlivé dílčí snímky správně složit dohromady, používá se systém tzv. referenčních značek (černobílé samolepky), které se aplikují přímo na měřený objekt, případně měřící desku či rámeček. Tyto body pak skener dokáže ve vyhodnocovaném obraze rozeznat, a pokud se nám v jednotlivých překrývajících snímcích vyskytují alespoň tři stejné referenční body, provede SW automatickou transformaci a dílčí skeny spojí v jeden celek. Zjednodušeně řečeno jde o podobný proces, jako když vytváříme panoramatickou fotografii z několika dílčích překrývajících se fotek (zde ale pracujeme pouze ve 2D prostoru, zatímco 3D skener pracuje v 3D prostoru). Tento postup je studentům demonstrován v kapitole 3 – Uvědomění, bod 3 – skládání obrázku. Podrobněji se též pravidlům pro umisťování referenčních bodů věnuje druhá lekce.

Zdroje: [1] Systém ATOS: výukový modul. VUT V Brně. ÚK: ústav konstruování [online].[cit. 2015-01-03]. Dostupné z: http://dokumenty.uk.fme.vutbr.cz/FRVS/atos.pdf [2] KELLER, P., R., MENDŘICKÝ, P., ZELENÝ, P., POKORNÝ. Porovnání metod 3D měření a digitalizace rozměrů strojních součástí. In. Proceedings of 8th Annual International Conference Manufacturing Systems Today and Tomorrow 2014, Liberec: TU v Liberci/KVS 2014, ISBN: 978-80-7494-150-4. [3] HOFMAN, M. Analýza přesnosti 3D digitalizace s využitím optických skenerů. Liberec, 2013. Thesis. Technical University of Liberec. Department of Mechanical Engineering.



strana 52

6) Přílohy A) Obrázek plný otázek Napiš jakoukoli otázku (týkají se tématu 3D skenování, digitalizace), která tě k níže uvedenému obrázku napadá.

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. Vzdělávání pro efektivní transfer technologií a znalostí v přírodovědných a technických oborech, reg. číslo CZ.1.07/2.3.00/45.0011


strana 53

Lekce 3 – pracovní list 1) Motivace

4. Označte předměty, o kterých si myslíte, že je bude vzhledem k jejich povrchu možné skenovat optickým skenerem. Které ne a proč?



strana 54

2) Evokace

7. Napište, jaký nástroj byste použili k vyřešení následujících problémů. Zvolit můžete fotoaparát, 2D skener, CAD program nebo 3D skener. • Pořízení snímku vašeho psa pro účely umístění na Facebook: ___________________________ • Vytvoření PC modelu kolečka pro účely jeho výroby na CNC stroji: ___________________________ • Vytvoření PC modelu keramické vázy, kterou vymodelovala vaše kamarádka, pro účely výroby její kopie z průhledného plastu na 3D tiskárně: ___________________________ • Pořízení digitální kopie staré papírové ČB fotografie pro účely jejího poslání mailem kamarádovi do ciziny: ___________________________ • Vytvoření digitálního modelu sochy na Karlově mostě z důvodu případné budoucí opravy nebo rekonstrukce v případě jejího zničení: ___________________________ • Pořízení digitálního modelu nárazníku automobilu za účelem kontroly, zda je díl přesně vyroben: ___________________________



strana 55

8. Jaké otázky vás v souvislosti s 3D skenováním napadají? Zapište je sem:

9. Formulujte výzkumnou otázku a hypotézu týkající se skenování materiálů s různým povrchem: ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________

10. Formulujte výzkumnou otázku a hypotézu týkající se spojování jednotlivých skenů do jednoho celku: ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________



strana 56

3) Uvědomění

5. Vypište oblasti, kde se uplatňuje optická digitalizace (3D skenery): ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________

6. Zapište platné pokusy, kdy se žák přesně trefil tužkou do hrdla PET lahve.

Platné pokusy:

Platné pokusy:



strana 57

7. Ve dvojicích vystříhejte níže zobrazené části obrázku a pokuste se z nich složit obrázek celku. Čas skládání prvního a druhého obrázku zaznamenejte do tabulky.



strana 58



strana 59

Časy: Obrázek bez bodů: Obrázek s body:

Formulujte, jak byste zkušenosti z předchozího experimentu využili při skenování velkých objektů: ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________

8. Ve dvojicích vyberte min. čtyři předměty odlišných povrchových vlastností (světlý/tmavý, lesklý/matný, průhledný apod.). Následně třída vybere jednotlivé vhodné zástupce a s pomocí učitele provede oskenování vybraných předmětů. Sledujte, jak kvalitně je povrch naskenován a výsledek zapište do tabulky (stupnice 1 – 5, 1 zcela zachyceno, 5 – zcela nezachyceno). Zhodnoťte, které povrchy bylo možné skenovat bez problémů a u kterých bylo zachycení obrazu problematické. Definujte, které látky je možné skenovat a které nikoli. Předmět

Materiál

Povrch

Kvalita skenu



strana 60

Bezproblémově skenovatelné povrchy:

Problematicky skenovatelné povrchy:

Povrchy (materiály) nevhodné pro 3D skenování:



strana 61

4) Reflexe

1. Zapište odpověď na výzkumnou otázku č. 1, a zda se vám potvrdila hypotéza: _________________________________________________________ _________________________________________________________ _________________________________________________________

2. Zapište odpověď na výzkumnou otázku č. 2, a zda se vám potvrdila hypotéza: _________________________________________________________ _________________________________________________________ _________________________________________________________

3. Prezentujte ve dvojicích postup svého bádání a také to, zda jste si odpověděli na výzkumnou otázku a zda se vám potvrdila hypotéza. 4. Zamyslete se, jak by bylo možné upravit povrch objektů tak, aby i nevhodné materiály bylo možné opticky digitalizovat. Své nápady zapište:



Vytvořte si vlastní model Cíl lekce: Cílem lekce je seznámit žáky s problematikou a základními principy 3D tisku. Žáci by si měli uvědomit vhodnost využití této technologie. Dále by si měli osvojit a zapamatovat základní pojmy a terminologii. Žáci získají praktické zkušenosti z RP (Rapid Prototyping) a vyzkouší si, jak taková 3D tiskárna na principu FDM (Fused Deposition Modeling) funguje.

strana 62


A B 180

min.

I.-XII. Prostředí Laboratoř, třída. Hlavní myšlenka lekce 3D tiskárny jsou určeny pro rychlou výrobu přesných a pevných prototypových modelů. Zásadní otázka/y lekce K čemu lze použít 3D tiskárnu? Jaký je princip FDM 3D tiskárny? Je možné vytisknout složité a převislé tvary?

Příprava lekce PC, dataprojektor, tabule, fixy. Ukázky počítačových 3D modelů. Různé druhy vytištěných modelů. Prázdné papíry, tužky, nůžky, plastelína. Model 3D tiskárny. 3D tiskárna. Vstupní požadavky na žáky (volitelné) Žáci znají základy geometrie, vědí, co je pravoúhlý souřadný systém, osa X, Y, Z apod., znají základy PC modelování v CAD programech.



strana 63

1) Motivace

Cíl aktivity Žáci odhalí, že lekce se týká 3D tiskáren, a tím budou motivování k dalším činnostem. 20 min. Pomůcky 3D modely, dataprojektor, PC, pracovní list.

8. Učitel vyzve nadšené žáky, aby se rozdělili do skupin o 3-4 členech. Každá skupina si následně losem určí svého mluvčího, který bude veřejně prezentovat výsledky diskuze celého týmu. 9. Každá skupina žáků obdrží svůj specifický model vytisknutý na 3D tiskárně – mělo by se jednat o nějaký složitější objekt. Na první pohled by nemělo být zřejmé, k čemu daný model slouží – např. vytisknutý model reflektorového skla automobilu, model náustku dýchací masky, model části nárazníku automobilu, … 10.V každém týmu mezi sebou žáci diskutují o přiděleném modelu. Na konci motivační části lekce by měl být mluvčí týmu schopen představit daný produkt ostatním týmům. Např. by mohl ztvárnit roli obchodního zástupce a představit svůj produkt. 11.Žáci dostanou pracovní list, do kterého zapisují výsledky týmové diskuze ohledně obdrženého předmětu. Mají za úkol vymyslet, k čemu daný předmět slouží, jak a z čeho byl vyroben, a odhadnout, jak dlouho jeho výroba trvala. 12.Výsledky týmové diskuze následně zbytku třídy přednesou mluvčí jednotlivých skupin.



strana 64

2) Evokace

Cíl aktivity Žáci si kladou otázky, které je v souvislosti s problematikou 3D tisku napadají. Společně s učitelem hledají výzkumné otázky. 30 min. Pomůcky Plastelína, model, videoukázky, prezenční technika, pracovní list, tabule, fixy.

11.Každá ze skupin, vytvořených v motivační části lekce, obdrží od vyučujícího plastelínu a předlohu vybraného tělesa. Mělo by se jednat o model tělesa, které lze poměrně snadno z plastelíny vymodelovat. 12.Následně dostanou jednotlivé týmy za úkol, aby dané těleso vytvořily z plastelíny, dle vlastního uvážení. 13.Žáci poslouchají výklad učitele o různých technologiích 3D tiskáren; výklad je doplněn o video a praktické ukázky práce těchto strojů v laboratoři. Žákům je představena též předtisková příprava dat (preprocessing) a také finální úprava modelu (postprocessing). 14.Žáci si do pracovních listů zaznamenávají své poznatky z výkladu a odpovídají na zadané otázky. 15.Třída společně s učitelem vybere výzkumné otázky a hypotézy, které v další fázi ověří experimentem.



strana 65

3) Uvědomění

Cíl aktivity Žáci na základě provedených experimentů a pokusů zjistí, na jakém principu funguje 3D tiskárna. Dále si uvědomí, jaké jsou její výhody a nevýhody. 100 min. Pomůcky Plastelína, modely, prázdné papíry, tužky, prezentační technika.

10.Žáci společně s učitelem diskutují nad provedením modelu z plastelíny dle zadání z evokační části lekce. Zadáním bylo vytvořit z plastelíny model dle předlohy (nějaké těleso, např. válec, jehlan aj.). Předpokládá se, že žáci vytvořili jednolitý tvar. 11.Nyní žáci společně s učitelem provedou pokus, při kterém si vysvětlí a vyzkouší, jak taková 3D tiskárna funguje. Nejprve učitel připomene/ukáže princip FDM 3D tisku na modelu tiskárny, případně na videu. 12.Učitel vyzve žáky, aby opět vytvořili pracovní skupinky. Následně rozdá role – 2x příprava materiálu, tisková hlava, řízení 3D tiskárny. 13.Následně dostanou jednotlivé týmy za úkol, aby obdržený model tělesa vytvořily z plastelíny tak, jako by byl vytisknutý na 3D tiskárně. 14. „Příprava materiálu“ má za úkol výrobu stavebního vlákna – tenké válečky z plastelíny. „Tisková hlava“ má za úkol vrstvení stavebního vlákna. „Řízení 3D tiskárny“ má za úkol řídit a dohlížet na tiskovou hlavu a také na přípravu materiálu. 15.V průběhu práce se role v týmu několikrát vymění, aby si každý vyzkoušel všechny role. 16.Je důležité, aby si žáci předem rozmysleli, s jakou orientací budou daný model stavět, jak budou vypadat jednotlivé vrstvy, jestli budou potřebovat nějaký podpůrný materiál atd. Celý tým by se tedy měl dle svých rolí chovat jako skutečná 3D tiskárna.



strana 66

4) Reflexe 9) Žáci zapíší odpověď na výzkumnou otázku a na otázku, zda se jim potvrdila hypotéza. Cíl aktivity Žáci si ujasní výhody a nevýhody 3D tiskáren. Žáci prezentují výsledky zjištěné týmovým bádáním. 30 min. Pomůcky Pracovní list, video s ukázkou dalších technologií 3D tiskáren, vytištěné modely.

10) Žáci jsou ve dvojicích vyzváni, aby popsali (prezentovali) postup svého bádání. Žáci zhodnotí, k jakému závěru dospěli, zda se jim podařilo odpovědět na výzkumnou otázku a jestli se jim potvrdila stanovená hypotéza. Každá z dvojic popíše jednu z dílčích oblastí. Např. výhody a nevýhody 3D tiskáren, technologie 3D tiskáren, příprava dat atd. 11) Učitel společně s žáky projde pracovní list a odpoví na dotazy, případně doplní výklad, pokud žáci něco nevědí. 12) Žáci jsou vybídnuti, aby se zamysleli, jak by bylo možné zlepšit povrch vytisknutých modelů, jak efektivně odstranit podpůrný materiál, zlevnit výrobu, … Následuje diskuze, příklady a ukázky z praxe.



strana 67

5) Problémový výklad Cílem této části (problémového výkladu) je přiblížit učiteli problematiku 3D tisku a dále odpovědět především na tyto otázky: • • • •

Co to je Rapid Prototyping? Jaký je základní princip 3D tisku? Je potřebná nějaká příprava před zahájením tisku? Jaké technologie 3D tisku se používají?

V dnešní době je již materiál jako plast a plastové výrobky nedílnou součástí našeho života a jen těžko si bez nich dokážeme představit moderní společnost. S rozvojem a průnikem plastů do našeho každodenního života bylo zapotřebí vyvinout i potřebné technologie, které by byly vhodné pro zpracování a zkoumání těchto materiálů. Vedle velkoobjemových technologií, jako je vyfukování, vstřikování apod., bylo zapotřebí vyvinout i metody pro kusovou a malosériovou výrobu, které zlevní a zjednoduší návrh a testování produktů v počáteční fázi vývoje a výroby.

Obr. 1: 3D počítačový model Právě k těmto účelům slouží komerční 3D tiskárny, které nám umožňují vytvářet relativně rychlý a kvalitní prvotní model. S jejich využitím se tak náčrty konstruktérů mění v reálné objekty s mnohem nižšími náklady na konečnou výrobu prototypu oproti ostatním způsobům výroby. Nicméně pořizovací cena komerčních tiskáren je i v dnešní době stále ještě vysoká a též náklady na provoz nejsou zanedbatelné. Vznikají tedy i dostupnější alternativy ke komerčním tiskárnám, a tak se 3D tisk dostává ze sfér průmyslu i do některých menších firem, případně domácností. •

Co to je rapid prototyping?



strana 68

Jedná se o skupinu technologií, které se používají k rychlému vyrábění fyzických modelů nebo jejich součástí pomocí CAD dat. K vytváření reálných součástí se obvykle využívají 3D tiskárny. První techniky se staly dostupnými ke konci osmdesátých let 20. století, avšak ve větším měřítku jsou používány až posledních 20 let. Z této nejprve ojedinělé záležitosti se brzy stala uznávaná a rozšířená pomůcka při konstruování, protože byla opravdu schopna urychlit proces vývoje a snížit finanční náročnost. Původní techniky představovaly pouhé vrstvení křehkých pryskyřičných materiálů. Na počátku šlo tedy pouze o vizuální stránku modelů, která díky fyzické interpretaci vedla k lepší představě a urychlila proces schvalování. Později se začaly křehké materiály nahrazovat pevnějšími, což vyústilo až do možností vytvářet modely z plastu, keramiky, hlíny a dokonce i kovu. Díky stále lepší odolnosti použitých materiálů pro výrobu modelů je možné vytvářet funkční a pevné prototypy, které lze použít i k prvotnímu testování výrobku. •

Obecný princip a proces 3D tisku:

Obecně můžeme říct, že všechny způsoby 3D tisku jsou založené na stejném principu. Na počátku výroby je potřeba mít počítačový 3D model, který chceme vyrobit. V podstatě máme na výběr ze dvou základních přístupů – model si v libovolném CAD programu nakreslit či naprogramovat, případně využít např. 3D skenování. Dále je potřeba tento počítačový model převést do formátu STL, který se stal jakýmsi standardním formátem mezi CAD systémy a systémy rapid prototypingu. Export do formátu STL je podporován ve většině CAD programů. Exportovaný 3D model v tomto formátu je reprezentován jako trojúhelníková sít (obrázek 2), kde je každý trojúhelník definován třemi vrcholy a normálou, která určuje rub a líc vzniklé plochy.

Obr. 2: Zobrazení trojúhelníkové sítě



strana 69

Dále je potřeba ve speciálním softwaru (který je zpravidla dodáván ke konkrétní tiskárně) připravit tisková data pro 3D tiskárnu. Jelikož víceméně všechny technologie 3D tisku pracují na principu kladení jednotlivých horizontálních vrstev na sebe, je potřeba 3D počítačový model na tyto vrstvy předem nařezat (obrázek 3). 3D tisk je tedy víceméně skládání jednotlivých 2D řezů vrstev modelu na sebe – tím vznikne výsledný 3D objekt.

Obr. 3: Horizontální průřezy modelu Proces výroby pomocí 3D tisku lze rozdělit do tří základních částí: 1) Preprocessing – přípravné práce, příprava tiskových dat Jedná se o první stádium výroby, které souvisí především s přípravou výrobních dat. Počítačový 3D model je z CAD exportován do formátu STL. V ovládacím softwaru 3D tiskárny je možné model naorientovat dle požadovaných mechanických vlastností, velikosti tiskové plochy atd. Dále můžeme určit umístění objektu, můžeme upravit velikost v jednotlivých osách, přidat podpůrné struktury. Pokročilejším nastavením můžeme ovlivnit vnitřní strukturu modelu – výplň, formu výplně, kvalitu vytisknutého modelu – výšku jednotlivých tisknutých vrstev, rychlost tisku atd. Výstupem jsou řídící data pro tiskárnu, v nichž je obsažena informace například o tom, kam a o kolik se má jednotlivá osa fyzicky posunout, kolik materiálu je třeba aplikovat aj. 2) Processing – proces výroby V tomto procesu nastává již samotná výroba modelu na 3D tiskárně. Dle zvolené technologie probíhá cyklické nanášení jednotlivých vrstev na sebe. Po započnutí tisku většinou zařízení pracují zcela automaticky – není tedy nutná asistence obsluhy. Někdy však může nastat situace, kdy je potřeba zasáhnout do probíhajícího procesu – např. pokud dojde tiskový materiál, případně pokud tištěný model neodpovídá modelové předloze – došlo k chybě.



strana 70

3) Postprocessing – potisková úprava modelu Jedná se o poslední fázi, při které dochází k finálnímu zpracování vytištěného modelu. Některé použité metody 3D tisku vyžadují mechanické či jiné odstranění podpůrných konstrukcí, případně další opracování modelu. Vzniklá stupňovitá struktura vytištěného modelu totiž nemusí být vždy žádoucí a je nutné model pro další využití např. zbrousit, zatmelit, naleptat, nabarvit. •

Základní technologie 3D tisku Technologií 3D tisku dnes již existuje celá řada. Umožnují nám jak zpracování tradičních plastických materiálů, keramiky, kovů, tak i netradičních – např. čokolády. 1) Stereolitografie (SLA) Jedná se o vůbec první metodu rapid prototypingu, která je však i v dnešní době stále velmi používanou. Samotná tvorba modelu probíhá vytvrzováním jednotlivých vrstviček tekutého fotopolymeru pomocí UV laseru, který je polohován a zaostřován soustavou x-y zrcátek. Výhodou této technologie je relativně velká přesnost vytištěných modelů, nevýhodou je poměrně pomalý proces výroby a také malá tepelná odolnost modelů. 2) Selective Laser Sintering (SLS) Oproti předchozí metodě má tato výhodu v odolnosti a celkové pevnosti výsledného modelu. Při stavbě je opět využíván laserový parsek (někdy i více paprků), který spéká jednotlivé vrstvy materiálu, jež jsou nanášeny ve formě jemného prášku. Pomocí této metody se tak dají vytisknout i kovové předměty. 3) Fused Deposition Modeling (FDM) V současné době se jedná asi o masově nejrozšířenější a nejpoužívanější technologie 3D tisku. Oproti předchozím metodám se zcela odlišuje svojí technologií tvorby modelu i použitou formou tiskového materiálu. K vytváření jednotlivých vrstev dochází nanášením roztaveného materiálu, který je protlačován skrze trysku definovaného průměru. Tiskový materiál vstupuje do tiskové hlavy (extruder) nejčastěji v podobě tiskové struny o daném průměru - většinou 3 mm, nebo častěji 1,75 mm. Posuvným mechanismem je dávkován a protlačován skrz topnou část a trysku na podkladovou desku, případně na již hotovou předchozí vrstvu.



strana 71

Obrázek 4: Schéma tiskové hlavy [3] Mezi používané tiskové materiály patří hlavně termoplasty, případně různé druhy vosků. Nejčastěji se můžeme setkat s ABS, jehož vlastnosti jsou pro výsledné modely ve většině případů ideální. Dalším velice oblíbeným materiálem je ekologicky odbouratelné PLA. Modely vytvořené touto metodou vynikají poměrně dobrými mechanickým vlastnostmi – hlavně tedy v kolmém směru k vrstvám. Mezi nevýhody patří především horší povrchová kvalita modelů a případná nutnost dalšího opracování pro dosažení lepších vizuálních vlastností. Zdroje: [1] COOPER, Kenneth G. Rapid prototyping technology selection and application. New York: M. Dekker, 2001. ISBN 978-082-4745-240. [2] KŘÍŽ, Kristián. Návrh a konstrukce stolní 3D tiskárny. Design and construction of desktop 3D printer. Liberec: TU v Liberci, 2013. [3] LEMIO. Extruder. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA):Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2013-05-10]. Dostupné z: http://reprap.org/mediawiki/images/f/fc/Extruder_lemio.svg



strana 72

Lekce 4 – pracovní list 1) Motivace 13.Úkolem vašeho týmu je co nejlépe popsat obdržený předmět. Dále

máte za úkol zjistit, k čemu daný předmět slouží, jak a z čeho byl vyroben, a odhadnout, jak dlouho jeho výroba trvala. Na závěr vystoupí týmový mluvčí před zbytkem třídy a představí obdržený předmět tak, jako by byl obchodní zástupce nějaké firmy.

K čemu předmět slouží?

Jak byl předmět vyroben?

Z čeho je předmět vyroben?

Jak dlouho se předmět vyráběl?



strana 73

2) Evokace

11. U následujících předmětů uveďte, zda si myslíte, že je lze snadno na 3D tiskárně vytisknout či nikoliv, a sdělte důvody, proč si to myslíte.

12.

Jaké otázky vás v souvislosti s 3D tiskem napadají? Zapište je sem:



strana 74

13. Formulujte výzkumnou otázku a hypotézu týkající se tisknutí modelů s členitým povrchem:

14. Formulujte výzkumnou otázku a hypotézu týkající se technologií 3D tiskáren:



strana 75

3) Uvědomění

9. Vypište oblasti, kde se uplatňuje rapid prototyping: ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________

10.Popište princip FDM 3D tiskárny, uveďte základní části tiskárny:



strana 76

4) Reflexe

5. Zapište odpověď na výzkumnou otázku č. 1, a zda se vám potvrdila hypotéza:

6. Zapište odpověď na výzkumnou otázku č. 2, a zda se vám potvrdila hypotéza:

7. Prezentujte ve dvojicích postup svého bádání, zda jste si odpověděli na výzkumnou otázku a zda se vám potvrdila hypotéza.



strana 77

8. Zamyslete se, na čem závisí doba tisku 3D tiskárny. Své nápady zapište:

9. Zamyslete se, co ovlivňuje orientace modelu při tisku. Své nápady zapište:


45

Recommend Documents