Možnosti použití FFF/FDM 3D tiskáren zrakově postiženými (2. část)

Petr Dušek

V první části našeho povídání o 3D tisku pro zrakově postižené jsme si v článku Možnosti použití FFF/FDM 3D tiskáren zrakově postiženými (1. část) představili 3D tisk jako takový a seznámili se s 3D tiskárnou a různými materiály. V dnešním díle si zodpovíme zajímavé a časté otázky, které nám kladli účastníci workshopu na listopadové Agoře 2017.

Zajímavé a časté otázky

Workshop ukázal, že zájem o 3D tisk mezi lidmi se zrakovým postižením je značný. Ohromné množství otázek mě velmi překvapilo – nestihl jsem zcela odpovědět na jednu a již se objevila otázka další, někdy najednou několik z různých stran. A proto si dovolím uvést odpovědi na některé zajímavé či časté otázky méně chaotickým způsobem:

Jaké je rozlišení 3D tisku?

U běžných inkoustových či laserových 2D tiskáren se uvádí rozlišení v DPI – to je jeden z důležitých parametrů, který určuje kvalitu tiskárny. DPI (Dots Per Inch) uvádí, kolik obrazových bodů (tzv. pixelů) bude tištěno na jeden palec (inch – coul – palec je jednotka běžně používaná především v USA, jeho délka je 25,4 mm, značí se "), aby na papír byl vytvořen obraz. Máme-li rozlišení v ose X 1200 DPI a v ose Y také 1200 DPI, znamená to, že na čtvercové ploše o velikosti 1" × 1" (25,4 mm × 25,4 mm) je vytištěno 1200 × 1200 obrazových bodů. V zásadě platí, že čím více bodů bude na jednotku plochy vytištěno, tím bude obraz ostřejší. Ve skutečnosti u 2D tiskáren hrají roli i další parametry, ale to není pro naše úvahy podstatné.

V případě 3D tiskáren je vhodnější hovořit o velikosti prvku, který však nemá 2 rozměry (v osách X a Y), ale 3 (v osách X, Y a Z). Pokud bychom měli použít přirovnání k 2D tisku, pak si můžeme odvodit, že minimální velikost prvku při rozlišení 1200 DPI by byla 0,0212 mm (25,4 / 1200 = 0,0212), tedy přibližně 21 µm (mikronů) (lidský vlas má průměr 18 až 180 µm). U FFF 3D tiskáren se výrobci (a u Prusa Research tomu není jinak) při dotazu na rozlišení odkazují především na dva parametry – průměr trysky (jinak též heater či hotend) a tloušťku vrstvy. Průměr trysky souvisí s rozlišením v osách X a Y. Tloušťka vrstvy souvisí s rozlišením v ose Z. Já aktuálně používám trysku s průměrem 0,4 mm (dříve jsem používal průměr 0,5 mm) a minimální tloušťka vrstvy uváděná výrobcem je 0,05 mm (v maximu zpravidla nepřekračuje průměr trysky). Trysku lze měnit podle toho, jak jemné objekty chceme tisknout – standardní průměry na trhu dostupných trysek jsou 0,25 mm, 0,35 mm, 0,40 mm, 0,50 mm, 0,60 mm, 0,80 mm.

To, zda je 3D tiskárna schopna dosáhnout toho či onoho rozlišení (v případě FFF 3D tiskáren daného průměrem trysky a nastavenou výškou vrstvy) je ovlivněno dalšími vlastnostmi, mezi které patří především fyzické schopnosti (odvíjejících se např. od použitých ložisek, závitů, pohonů, extruderu), schopnosti použité elektroniky a tuhost (důležitý je především rám 3D tiskárny, ale nezanedbatelná je i pevnost spojů).

Zda pro 3D tisk použiji ten či onen průměr trysky a tu či onu výšku vrstvy je dáno požadavky, které si předem stanovím. Pokud chci tisknout rychle, pak použiji tloušťku vrstvy větší. Stejně tak, uvažuji-li o dodatečné povrchové úpravě lakováním. Ale když chci strukturu výsledného objektu mít jemnější, musím zvolit nižší tloušťku vrstvy a musím počítat s tím, že tisk potrvá déle. Mnou používané 3D tiskárny od Prusa Research z pohledu rozlišení jsou dostatečné pro běžné domácí použití i pro tvorbu objektů, které mají být vnímány hmatem. Jinak tomu samozřejmě může být v jiných oborech – např. ve zdravotnictví, kde požadavky na rozlišení a přesnost tisku jsou vyšší.

Kolik elektřiny 3D tiskárna spotřebovává?

V případě FFF 3D tiskáren elektřinu spotřebovává tryska (která taví materiál), vyhřívaná podložka (aby se zabránilo kroucení a zvedání tištěného objektu), krokové motory, chladící ventilátory a další elektronika. Hodnoty spotřeby se budou lišit podle typu FFF 3D tiskárny. Obecně se spotřeba elektřiny odvíjí od použitého materiálu, s nímž tiskárna pracuje. Proto třeba Prusa Research uvádí spotřebu podle různých materiálů: 70 W (tisk PLA), 110 W (tisk ABS).

Jak dlouho trvá 3D tisk?

Soustředím se na FFF 3D tiskárny. Příprava tiskárny řádově minuty. Do toho počítám zavedení filamentu, přípravu podložky (očištění, případné nanesení separátoru).

Po spuštění tisku se zahřívá podložka a tryska, následně se tiskárna automaticky kalibruje. To je dalších několik minut.

Je-li všechno v pořádku, probíhá tisk, jehož doba záleží na několika základních parametrech:

1. velikost výsledného výtisku (čím větší, tím delší doba tisku),
2. použitá výplň (čím plnější, tím delší doba tisku),
3. tloušťka vrstvy (čím tenčí vrstva, tím delší doba tisku),
4. rychlost nastaveného tisku (pozor na to, čím se výrobci chlubí – zpravidla není reálné uváděné rychlosti plně využít),
5. vlastnosti extruderu (resp. maximální rychlost výstupu materiálu).

Doba tisku téhož objektu může trvat hodinu, ale klidně i půl dne či déle (pokud třeba zbytečně vyplňuji materiálem anebo tisknu se zbytečně nízkou vrstvou).

Jak dlouho trvá vyhotovení návrhu digitální podoby objektu?

Digitální podobu 3D modelu mohu realizovat několika způsoby:

1. Stáhnu si hotový soubor z některého veřejného úložiště. V takovém případě záleží na mé šikovnosti konkrétní model nalézt. Někdy ho získám během několika minut, jindy prohledávám třeba 10 úložišť a hledání mi zabere klidně i 2 hodiny.
2. Model si vyhotovím v CADu (computer aided design – počítačem podporované navrhování, např. OpenSCAD). Velmi jednoduché objekty lze zhotovit během řadově minut. Složitější v řádu hodin. A někdy se může jednat o vývojářský projekt, nad kterým pracuje někdy několik lidí i po dobu mnoha dní.
3. Fotogrametricky. Zjednodušeně řečeno, z několika úhlů vyfotím objekt, který potřebuji mít v digitální podobě. Vhodným programem fotografie upravím a vygeneruji 3D model – pro tyhle účely používám Agisoft PhotoScan Professional. Nad fotografováním, úpravou fotografií a generováním 3D modelu tak strávím zpravidla min. hodinu, někdy i desítky hodin.
4. 3D skenerem. Skenerem pořízený 3D model zpravidla je nutné upravit. Hodně záleží na kvalitách 3D skeneru. Výstupy lze získat během minut, ale i za desítky minut až několik hodin.
   Dále je nutné k získanému 3D modelu připravit tisková data pro tiskárnu (např. v programu Slic3r). To jsou další řádově minuty.

Jaký formát souboru tiskárna zpracovává?

3D modely potřebuji zpravidla ve formátu STL, OBJ, AMF apod. Ty použiji pro nastavení tiskových dat v programu Slic3r. Následně generuji soubor ve formátu G-code, který je určen přímo pro 3D tiskárnu.

Mají veřejná úložiště nějaké hodnocení 3D modelů?

Je nemalé množství veřejných zdrojů, kde je možné si model stáhnout. Např. Thingverse, YouMagine, GRABCAD, Tinkercad, The British Museum (Sketchfab), Louvre Museum, NASA 3D Resource atd. V těchto úložištích uživatelé někdy mohou vložit komentář anebo přiřadit tzv. „like“ či počet hvězdiček. Ale ani jedno nepřináší nějaké objektivní měřítko té či oné kvality. To, že někdo dá „like“ nějakému modelu, protože se mu líbí, vůbec neznamená, že se totéž bude líbit někomu jinému. Také to neznamená, že ten někdo si model vůbec vytisknul.

Určité informace, třeba o chybovosti modelu, je někdy možné zjistit z diskusí, nicméně ne vždy a navíc nemusí být lehké zjistit konkrétní informaci.

Je možné si vytisknout třeba vlastní tvář?

Ano, jistě to možné je. Samozřejmě s určitými limity – pochybuji, že se v současnosti někomu 3D tiskem podaří efektivně vytvořit něco takového, jako je jemnost pleti, dostatečně věrné obočí či vlasy, zabarvení a jiné náležitosti obličeje. Nicméně mám za to, že lze vytvořit řadu rozmanitých a individuální výrazů tváře, které jsou specifické pro jejího nositele a jež nejsou jen chladnou napodobeninou skutečnosti.

Nejdříve je nutné pořídit digitální podobu tváře. Toho lze dosáhnout například fotogrametricky nebo 3D skenerem. Obě metody mají své výhody i nevýhody. Prakticky ani v jednom případě digitální výstup není natolik přesný, aby nebylo nutné provádět vizuální úpravy. Dostatečně přesné skenery jsou svými cenami nedostupné běžným uživatelům (dostačující by mohl být HP 3D Scan / David, jehož cena začíná na přibližně 87 000 Kč). Levněji vychází fotogrametrie s použitím fotoaparátu (nebo soustavou fotoaparátů) a vhodného softwaru (např. Agisoft PhotoScan), nicméně obecně se mi fotogrametrie jeví pracnější. V obou případech je nutné počítat s určitou mírou fixace skenovaného objektu, takže pokud jde o naskenování tváře anebo celé bysty, je nutné po určitou dobu nepohnout hlavou. Je nutné také počítat s tím, že se prakticky nepodaří dosáhnout přesného skenu či tisku např. vlasů, obočí apod.

Měli by zrakově postižení získávat finanční příspěvky na pořízení 3D tiskárny?

Myslím, že ano, pokud nějaká taková možnost existuje. Objekty vytvořené 3D tiskárnou mohou významně pomoci snižovat informační deficit. Samozřejmě mohou se vyskytnou pochybnosti nad tím, zda 3D tisk je lidem se zrakovým postižením natolik přístupný, aby ho byli schopni využít. Avšak nepřístupnost 3D tiskáren roste s mírou zrakového postižení a nelze tvrdit, že všem lidem, kteří mají nějaké zrakové postižení, je 3D tiskárna naprosto nepřístupná. Navíc i ti, kterým je příliš nepřístupná, mohou mít ve svém okolí někoho, kdo s 3D tiskem pomůže.

Možná problematická místa 3D tiskárny

Přestože mezi lidmi se zrakovým postižením existuje nemalé nadšení z 3D tisku, je nutné nezaujatě upozornit na klíčové problematické oblasti. Nelze přitom tvrdit, že něco z toho je nepřekonatelné, zvláště proto, že řada FFF 3D tiskáren má tzv. otevřený design (open design), což nám umožňuje 3D tiskárnu relativně snadno upravit a doplnit.

• Bezpečnost: 3D tiskárna má množství pohybujících se částí (extruder, podložka, motory, ventilátor), rozžhavenou trysku a rozehřátou podložku – to všechno může více či méně ublížit. Bez ohledu na to, že je možné docílit určitých ochranných opatření, zásadní je nutná opatrnost uživatele.
• Ovládání: S ovládacím terminálem si neporadí prakticky zcela nevidící člověk. Jako řešení se nabízí připojení počítače a ovládání například přes program Printrun. Možné řešení lze spatřovat také v ovládání na dálku přes webovou aplikaci (např. OctoPrint) – to je možné využít také pro případnou asistenci vidícím člověkem (je nutné zapojit kamerku namířenou na 3D tiskárnu). Předpokládám, že příliš náročná není ani realizace zvukového výstupu ovládacího terminálu.
• Sledování tisku: V praxi jsem velmi často sledoval, zda se první vrstvy tisknou správně, protože na prvních vrstvách závisí celá zbývající část výtisku. K tomu je zapotřebí vizuální kontroly a nelze si činit iluze, že kontrolu bude uživatel provádět hmatem za běhu tiskárny. Myslím si, že důsledným dodržováním postupu pro přípravu podložky (zejména očištění) a nastavením správné rychlosti je možné dosáhnout bezproblémového tisku prvních vrstev. Pro případnou kontrolu hmatem je možné tiskárnu pozastavit, avšak v takovém případě nedoporučuji teplotu podložky nastavovat na příliš vysoké hodnoty. K případné kontrole by mohla pomoci i vzdálená asistence (např. viz výše uvedený bod).
• Sundávání výtisku z podložky: U mnoha FFF 3D tiskáren dochází k tomu, že výtisk přilne k podložce natolik, že se nedaří ho sundat. Jednou jsem se při neopatrném sundávání nemálo zranil. Tento nedostatek je řešen u tiskárny Original Prusa i3 MK3, u které se tiskne na speciální magnetickou podložku, kterou lze po dokončení tisku sundat a malým ohnutím oddělit od výtisku.
• Různá kvalita digitálních 3D modelů na veřejných úložištích: Na veřejných úložištích jsou tisíce zajímavých objektů. Ale různě kvalitní. Je poměrně riskantní tisknout něco, o čem nevím, jak to ve skutečnosti vypadá. Na popisky v diskusích k danému 3D modelu není možné se spolehnout. Na počet hvězdiček či laiků také ne. Doporučuji využít buď dostatečně ověřeného zdroje anebo využít asistenci vidícího člověka.

Závěr

Zkušenost z Agory mi potvrzuje, že různá využití mainstreamového 3D tisku mezi lidmi se zrakovým postižením je zapotřebí prezentovat a mj. i tak zjišťovat nejen jeho přednosti, ale i limity.

Možná právě taková zjištění stávající limity posunou o kus dál. Množství různých výtisků, které se mi doma pomalu kupí, poodhaluje i fakt, že nás brzy čeká jiné veliké téma – vytváření hmatových iluzí skutečných 3D objektů (které mi nebudou zabírat místo ve skutečném světě).