3D tisk ve výuce fyziky

PŘEDMLUVA

Publikace 3D tisk ve výuce fyziky je určena vyučujícím a žákům základních škol, víceletých gymnázií i středních škol. Využít ji však mohou i zájemci o 3D tisk či fyziku z řad veřejnosti. Doplňuje ji více než 40 videonávodů pro všechny, jimž se nedaří postupovat pouze podle tištěné publikace. Přístup k nim najdete na webových stránkách nakladatelství www.spn.cz

Kniha je rozdělena do 13 tematických kapitol, jejichž názvy odkazují na experiment v závěru dané kapitoly. V každé kapitole jsou přehledně a srozumitelně vysvětleny jednotlivé fáze i kroky procesu 3D tisku od tvorby 3D modelu přes slicování, tedy jeho přípravu k tisku, až po finální 3D tisk fyzikální pomůcky. Hlavním přínosem je především vytištění výrobků v libovolném množství a jejich následné využití při experimentování ve výuce fyziky, a to všemi žáky současně

Postup 3D tisku je popsán pro nejprodávanější, nejdostupnější a ve školách také nejběžnější tiskárnu Prusa i3 MK3S+ od českého výrobce Josefa Průši. Ta je k dispozici také jako stavebnice, kterou by žáci mohli sestavit sami. Program Onshape je využit pro fázi modelování, funguje bez instalace a je možné v něm pracovat v jakékoli učebně s připojením k internetu. Nastavení tisku (slicování) je připraveno v programu PrusaSlicer, který je dostupný zdarma a v českém jazyce. Jelikož principy 3D tisku jsou na různých tiskárnách obdobné, uvedené postupy lze aplikovat i na jiných zařízeních.

Jedním z podstatných momentů této učebnice je také zohlednění digitální gramotnosti a provázanost s dalšími předměty. V informatice žáci pracují s programem Onshape, v němž se naučí vytvořit 3D modely, které poté při slicování připraví k tisku na 3D tiskárně. Následně na ní v technických předmětech vytisknou samotné výrobky, jež mohou ještě podle potřeby povrchově či jinak upravit do konečné podoby. Ve fyzice pak tyto výrobky slouží jako pomůcky, které žáci využijí při 13 zajímavých experimentech.

Zpracoval Mgr. Vladimír Vochozka, Ph.D.

Lektoroval Mgr. Jaroslav Koreš, Ph.D. Obálku navrhla Kristýna Krahulíková

Vydalo roku 2022 SPN – pedagogické nakladatelství, akciová společnost, Ostrovní 30, 110 00 Praha 1

Odpovědná redaktorka RNDr. Soňa Samková Sazba Michal Špatz

Publikaci vytiskl Triangl, a. s., Beranových 65, 199 02 Praha 9

Počet stran 200

První vydání 6008

© Vladimír Vochozka, 2022

© SPN – pedagogické nakladatelství, akciová společnost, 2022

ISBN 978-80-7235-665-2

ÚVOD

Učebnice seznamuje čtenáře s 3D tiskem, tedy s procesem tvorby třídimenzionálních (3D) pevných objektů z digitální předlohy. Technologie 3D tisku byla vyvinuta v 90. letech 20. století. Z hlediska výrobního procesu se 3D tisk řadí mezi aditivní výrobu neboli přírůstkovou výrobní technologii. To znamená, že objekt je tvořen postupným pokládáním souvislých vrstev materiálu. Tento způsob výroby poskytuje prakticky neomezené možnosti tvarování. Další výhodou je, že nezůstává téměř žádný odpadní materiál.

Pojem 3D tisk

I když se může na první pohled zdát, že 3D tisk je složitá technologie, lze ho popsat jako sled fází, které se dají snadno pochopit a naučit. Přehled jednotlivých fází a dílčích fází ukazuje následující schéma:

Vytvoření

3D modelu

Úpravy výtisku

I S K

MODELOVÁNÍ

Exportování

3D modelu

Slicování

3D modelu Tisk G-kódu

Exportování G-kódu

Fáze (dílčí fáze):

Možná vás překvapuje, že naznačené fáze jsou v uzavřeném kruhu. Je tomu tak proto, že 3D tisk je chápán jako cyklus, který začíná návrhem modelu a končí hotovým výtiskem (ten může být ještě doplněn například na barvením). Pokud se ale na výtisku objeví ne dokonalosti, v návrhu se změní problémový rozměr a cyklus se opakuje. Cyklus se může opakovat také v případě, že původní návrh modelu pozměníme za účelem vytvoření ji ného výrobku.

SLICOVÁNÍ

Modelování (vytvoření 3D modelu + exportování 3D modelu)

Slicování (slicování 3D modelu + exportování G kódu)

Tisk (tisk G kódu + úprava výtisku)

3D tisk je nejčastěji spojován s pojmem rapid prototyping , což znamená rychlé prototypování. Jsou jím označovány technologie vytvářející výrobek neklasickými postupy, a to obvykle vrstveným procesem

Rapid prototyping

Při tomto způsobu výroby se neodebírá z polotovaru materiál (jako při obrábění) ani se materiál nevlévá najednou (jako při odlévání). Výroba prototypu slouží především k vyhodnocení vhodnosti návrhu, u kterého se předpokládá, že u něj dojde k několika dalším změnám. Tento postup vede ke zkrácení doby mezi jednotlivými fázemi v produkci prototypů. Předností těchto technologií je rychlost, s jakou je možné prototyp vyrobit. Rapid prototyping slouží ke zhodnocení vizuální i funkční podstaty produktu (výrobku, výtisku). Na základě zkušenosti s prototypem lze lépe posoudit design, otestovat technologii či analyzovat základní principy funkčnosti produktu. Pokud budete navrhovat své vlastní prototypy, pravděpodobně také projdete úkony, které budou začínat 3D modelováním a končit úpravou výtisku. Tyto fáze se budou opakovat při tvorbě každého produktu.

1

Fáze 3D tisku

Nyní si popíšeme jednotlivé fáze (a dílčí fáze) co nejjednodušeji, abyste získali přibližnou představu o tom, co se skrývá pod pojmem 3D tisk

Modelování

Vytvoření 3D modelu

Proces 3D modelování je tvarování a vytváření 3D modelu. Těleso je popsáno jako mnohostěn zcela určený svými hranicemi (stěnami, hranami a vrcholy). Modely mohou být vytvořeny programem CAD (Computer Aided Design, počítačem podporované projektování) nebo třeba na základě dat získaných 3D skenerem. Modely se konstruují ze základních geometrických těles (koule, kvádru, válce, kuželu atd.) s pomocí operací nazvaných sjednocení, průnik a rozdíl.

Exportování 3D modelu

Ať zvolíte jakýkoli postup k získání 3D modelu (tvorbu v CAD programu, 3D skenování či například stažení z veřejné databáze), vždy se nabízejí tři nejčastější typy souborů, do kterých je vhodné 3D model exportovat nebo ve kterých si ho lze stáhnout Jedná se o STL , 3MF a AMF. Nejběžnější je formát STL.

Slicování

Slicování 3D modelu

Máte li už 3D model vytvořený, můžete přejít k  přípravě pro jeho tisk . 3D objekt je nutné správně natočit, přidat podpěry (pokud je to nutné) a vhodně nakonfigurovat tisková nastavení

Exportování G kódu

Pokud jste s náhledem slicovaného modelu spokojeni (tj. vidíte, že vytisknutý model bude velmi podobný simulaci v programu), přistoupíte k dalšímu kroku, kterým je exportování G kódu1. Data tak vygenerujete do jednoho souboru. Ten nahrajete do datového úložiště (např. na SD kartu) a vložíte do tiskárny nebo otevřete v programu v počítači, který je spojen s 3D tiskárnou.

Tisk

Tisk G kódu

Do tiskárny zavedete tiskovou strunu a spustíte tisk . 3D tiskárna si sama nastaví teplotu trysky v extruderu (tiskové hlavě), případně teplotu vyhřívané tiskové plochy, a následně provede veškerý tisk.

Úpravy výtisku

Výtisk je možné různě upravovat – slepit jednotlivé díly, vyztužit namáhané díly armaturou, kytovat, brousit či nabarvit povrch.

Stručné vysvětlení G‑kódu naleznete v kapitole 1 Vyteče voda z lahve, či nevyteče? ve Slicování – Exportování G kódu, str. 33

Struktura tematických kapitol

Publikace obsahuje třináct tematických kapitol seřazených podle náročnosti tvorby fyzikálních pomůcek (od jednoduchých modelů až po modely nejsložitější). První tematická kapitola poskytuje nejpodrobnější návod a detailní popis všech dílčích fází a kroků, které vedou k výtisku dané pomůcky. V dalších kapitolách jsou pak vysvětlovány jen nové (složitější) kroky nutné ve fázích modelování nebo slicování, případně tisku.

Kompletnímu přístupu k problematice 3D tisku odpovídá i uspořádání tematických kapitol v této učebnici. Následující schéma ukazuje strukturu učiva, která se opakuje v každé kapitole.

Proces 3D tisku:

FÁZE

A KTIVITY

K ROKY

MODELOVÁNÍ

SLICOVÁNÍ

TISK

Využití výtisku k experimentu:

EXPERIMENTOVÁNÍ

základní aktivity rozšiřující aktivity základní aktivity rozšiřující aktivity základní aktivity rozšiřující aktivity základní aktivity rozšiřující aktivity

názorné zobrazení modelu

simulace vzhledu výtisku

náhled hotového modelu nákres modelu postup tvorby modelu postup nastavení sliceru

videonávod videonávod

základní nastavení tisku

fotodokumentace výtisků povrchové úpravy zadání úkolu postup provedení pokusu

TENSEGRITNÍ STRUKTURY JDE O LEVITACI?

Pojem tensegrity (česky tensegrita) vznikl spojením anglických slov tension (napětí) a integrity (celistvost). Jedná se tedy o stabilní celistvé (spojité) struktury obsahující navzájem se nedotýkající prvky namáhané tlakovými silami v síti tvořené mechanickým napětím (tahovými silami). V praxi se nejčastěji jedná o několik nedotýkajících se tyčí propojených předepnutými lany, která zajišťují stabilitu celého systému. Prvotně se tensegrita využívala hlavně v umění a architektuře, avšak následně se rozšířila i do dalších odvětví.

Tensegritní struktury mohou být dále děleny na čisté a nečisté. Čisté tensegrity splňují definici uvedenou výše, tj. tyče, z nichž jsou zkonstruovány, se vzájemně nedotýkají. U nečistých tensegrit se tyče dotýkají, bývají spojené do různých geometrických tvarů. Ve školním či domácím prostředí jsou pro výrobu jednodušší nečisté tensegrity.

1. Na první pohled levitující horní část tensegrity

Zjistěte, jaké jsou základní prvky tensegritní konstrukce a co ovlivňuje její stabilitu. Jedná se o levitaci1?

Pomůže vám následující text v této kapitole. Pomocí něho vymodelujete, vytisknete jednotlivé díly na 3D tiskárně a z nich si sestavíte tensegritu podle zadání.

Na základě získaných zkušeností můžete pak zkusit navrhnout i vlastní tensegritní konstrukce.

1 Levitace je situace, kdy se nějaký předmět vznáší v gravitačním poli bez viditelné podpory okolních předmětů.

Postup tvorby modelu

Nový dokument

1. V ytvořte nový dokument s názvem „Tensegrita“.

Skica 1

2. Na horní rovině nakreslete plně určenou skicu profilu podstavy tensegrity podle Názorného zobrazení modelu či Nákresu modelu. Protože je podstava symetrická podle svislé osy procházející středem podstavy, je vhodné nakreslit nejdříve polovinu skici tu plně určit, a poté ji zrcadlit podle osy.

Přidat vysunutím 1

3. Nakreslenou skicu vysuňte směrem dolů o 10 mm.

a) Ve stromu prvků, Features, označte skicu profilu skica 1, Sketch 1

b) Zvolte volbu vysunout, Extrude

c) V yberte záložku těleso, Solid, a podzáložku nové, New U volby hloubka, Depth, zadejte hodnotu 10 mm. Obraťte směr vysunutí kliknutím na ikonu opačný směr, Opposite direction

Opačný směr, Opposite direction, využijete, pokud potřebujete například provést vysunutí opačným směrem, než které vám nabídne program jako výchozí.

Přidat vysunutím 2

4. Ze stejné skici vysuňte dva profily tvaru čtverce směrem vzhůru o 50 mm.

a) Zobrazte skrytou skicu profilu podstavy, skica 1, Sketch 1

b) Ve stromu prvků, Features, klikněte pravým tlačítkem na skicu profilu skica 1, Sketch 1, a zvolte volbu zobrazit, Show

Zobrazit, Show, povolí zobrazení skici, která se automaticky skryla po aplikaci prvku (například vysunutí). Pokud chcete ze stejné skici vysunout jinou část skici než při první aplikaci prvku, je nezbytné zapnout její zobrazení. Funkce s krýt, Hide, je inverzní operací.

c) O značte postupně oba čtverce.

d) Zvolte volbu vysunout, Extrude

e) V yberte záložku těleso, Solid, a podzáložku přidat, Add U volby hloubka, Depth, zadejte hodnotu 50 mm.

Exportování

9. M odel pojmenujte a exportujte.

OK V ytvořili jste jednu polovinu modelu pravoúhlé tensegrity.

TENSEGRITA

Videonávod

Modelování tensegrity

Slicování

K tvorbě tensegrity je potřeba dvou stejných těles, dvou výtisků stejného modelu. Díly je možné tisknout postupně nebo tisknout oba výtisky současně v rámci úspory času, který je nezbytný k sundání prvního výtisku a spuštění tisku druhého výtisku. Pokud se dva objekty nevejdou na tiskovou plochu vaší tiskárny, proveďte u jednoho objektu natočení o 180° kolem osy Z. Je vhodné nastavit nízkou hustotu vnitřní výplně (10 %), aby spojení tensegrity (provázky) kompenzovalo co nejmenší tíhu výtisku.

Simulace vzhledu výtisku

5. Simulace vzhledu modelu před tiskem

Videonávod

Slicování tensegrity

Základní nastavení tisku

Orientace modelu k tiskové ploše podstavou Filament PLA Výška vrstvy 0,30 mm Hustota vnitřní výplně 10 %

Zadání úkolu

Zjistěte, co ovlivňuje stabilitu tensegritní struktury. Pomůcky

va vytisknuté modely tensegrity,

provázek,

nůžky,

s ada závaží.

Postup provedení pokusu

J eden model položte na desku stolu.

8. Pomůcky k pokusu

Provázek protáhněte okem nejkratšího výstupku obou modelů a zavažte, délku volte libovolně.

P řebytečné části uzlu vždy odstřihněte nůžkami.

N yní provlékněte provázek dalšími otvory podle obrázku.

Uzly na obou kusech provázku uvažte tak, aby jejich délky byly stejné a vypnuté.

6. Na horní díl postupně umisťujte závaží od nejlehčího k nejtěžšímu.

7. Vysvětlete chování tensegrity.

8. Využijte i zbylé otvory pro umístění dalších dvou provázků.

9. Zopakujte postupné umisťování závaží na horní díl (od závaží nejlehčího k nejtěžšímu).

10. Pokuste se popsat, co se změnilo v chování soustavy dvou dílů tensegrity.

OK N yní již můžete vyslovit tvrzení, zda se jedná, či nejedná o levitaci.

Na první pohled se může zdát, že tensegrity popírají gravitaci. Po prozkoumání struktury je patrné, že se nejedná o levitaci, ale „pouze“ o aplikaci fyzikálních zákonů. Na vytisknuté díly, stejně jako na každé hmotné těleso na Zemi, působí tíhová síla. Lana (v našem případě spojení tvořená ústřižky provázků) jsou mezi tyčemi natažena pod určitým napětím. Aby se struktura nezřítila, musí být velikost napětí na lanech v rovnováze se silami působícími na jednotlivé díly. V praxi to znamená, že lana napínáme do té doby, než tensegrita zůstane držet bez vnějšího zásahu.

Většinu tíhy horního dílu kompenzuje prostřední lano. Jde o rovnovážnou polohu vratkou, těleso je podepřené pod těžištěm. Proto jsou použita další dvě lana, která omezují převrácení, a ubírají tak stupně volnosti pohybu.

SEZNAM KLÍČOVÝCH POJMŮ

Úvod

exportování 3D modelu 6 exportování G-kódu 6

Onshape 10 Original Prusa i3 MK3S 11 proces 3D modelování 6

PrusaSlicer 11 rapid prototyping 5 slicování 3D modelu 6 tisk G-kódu 6 úpravy výtisku 6  1 V yteče voda z lahve, či nevyteče?

Základní p ojmy G-kód 33 izometrické zobrazení 14, 21 kartézská soustava souřadnic 23 kružnice 18 normálový vektor 23 náhled hotového modelu 14 nákres modelu 15 názorné zobrazení modelu 14

Onshape 16, 20 pravoúhlé promítání 15 prvky 20 průměr kružnice 19 rotační válec 20 slicer 29 STL 22 triangulovaný povrch 23 Modelování editovat 27 exportovat 22 izometrický pohled 21 kolmo k 17 kóta 19 nový dokument 16 počátek souřadného systému 17 přejmenovat 22 přidat vysunutím 20 rovina 16 horní 17 pravá 17 přední 17

seznam částí 22 skica 18 střed kružnice 18 Slicování exportovat G-kód 33 filament (tisková struna) 30 informace o slicování 32 přidat 29 slicovat 31 umístit plochou na podložku 30 výška vrstvy 30 zobrazení 3D editoru a náhled 31 Slicování – rozšiřující aktivity manipulace s objektem 34 přidat instanci 36 přidat tvar 34 rozměr 34 uspořádat 35 řezat 37 Tisk – rozšiřující aktivity průsvitný filament 38 Experimentování atmosférický tlak 40 hydrostatický tlak 40 povrchové napětí 40

2 Může klidná hladina vody p ohnout loďkou? Základní p ojmy kruhový oblouk 45 podstava 45 rovnoramenný trojúhelník 47 stupeň volnosti 46 tečna 47 trojúhelník 47 úsečka 46 Modelování konstrukční přímka 44 plně určená entita 46 přímka 44 středový oblouk 45 zaoblit skicu 47 zrcadlit entitu 46 částečně určená entita 46

Experimentování povrchové napětí 50

3 Jak vysunout válec bez použití r ukou či gravitace?

Modelování odebrat vysunutím 53 zaoblit 54 zkosit 56

Slicování hustota vnitřní výplně 58 jezdec posuvníku vrstev 58 uspořádat 58

Slicování – rozšiřující aktivity manipulace se skupinou 59 měřítko 59

Experimentování Bernoulliho rovnice 60 proudící vzduch 60

4 Kdy se těleso překlopí? Základní p ojmy drážka 65 obdélník 63 osová souměrnost 64 rovinná souměrnost 64 středová souměrnost 64 symetrie 64

Modelování obdélník s počátkem ve středu 63 skrz vše 66, 68 zrcadlit prvek 66, 67 Slicování manipulace s částmi 73 modifikátor 73 pozice 74 přesunout 74 přidat modifikátor 72 rozměr 73 vzor výplně 71

Experimentování těžiště 77

5 Spadne oblouk? Zhroutí se? Základní p ojmy lichoběžník 80

3D TISK VE VÝUCE FYZIKY

Vladimír Vochozka

Publikace je připravena pro vyučující a žáky ZŠ a SŠ. Využít ji však mohou i zájemci o 3D tisk z řad veřejnosti. Učebnice přehledně a srozumitelně provádí celým procesem 3D tisku, od 3D modelování přes slicování, tedy přípravu tisku, až po finální 3D tisk výrobku. Výrobkem je vždy pomůcka pro fyzikální pokusy, kterou lze vytisknout v libovolném počtu. Pokusy tak mohou provádět všichni žáci současně s vyučujícím. Publikace je doplněna o více než 40 videonávodů, které umožňují lepší pochopení výkladu. Přístup k nim najdete na webových stránkách www.spn.cz.

Cenným přínosem této učebnice je zohlednění mezipředmětových vztahů. V  informatice se žáci pomocí programu Onshape učí vytvářet 3D modely, které pak při slicování v PrusaSliceru připravují pro 3D tisk. V technických předmětech následně provádějí vlastní tisk výrobků, jež mohou ještě podle potřeby povrchově či jinak upravovat do konečné podoby. Ve fyzice pak výrobky využijí k praktickým pokusům uvedeným ve 13 tematických kapitolách.

Postup 3D tisku je popsán pro tiskárnu českého výrobce Prusa i3 MK3S+, která se ve školách používá nejčastěji. Ta je k dispozici také jako stavebnice, a žáci si ji proto mohou sestavit i sami. Uvedené postupy lze však snadno aplikovat i na jiných zařízeních, neboť principy 3D tisku jsou na různých tiskárnách obdobné.

Hlavní výhody využití 3D tisku ve škole

Zábavná a tvořivá forma výuky

Podpora samostatného myšlení žáků

Provázanost informatiky, techniky a fyziky

Vlastní tvorba pomůcek na 3D tiskárně

Nízké náklady na pomůcky

Provádění pokusů všemi žáky současně