3D nyomtatás tematika

1. foglalkozás: Ismerkedés, a 3D nyomtatás rövid története

A foglalkozás első felében bemutatkoztunk a gyerekeknek, elmeséltük, hogy hogyan kötődünk a 3D nyomtatáshoz. Felmértük a diákok ismereteit a témával kapcsolatban. A válaszokból egyértelműen kiderült, hogy a korukhoz képest tájékozottak a 3D nyomtatással kapcsolatban. A csoport közel fele már hallott erről a technológiáról, többen közülük meg tudták fogalmazni, hogy szerintük mit is jelent a 3D nyomtatás kifejezés. Képesek voltak szemléletesen elmondani, a témában kevésbé jártas társaikkal megértetni, hogy mire alkalmazható ez az eljárás. Szemléletesképpen többféle 3D nyomtatott (FDM technológia) tárgyat is bemutattunk a gyerekeknek, akik nagy érdeklődéssel vizsgálták a testeket. A vizsgálat eredményeként megállapították, hogy a tárgyak

  • szilárdak,
  • felismerhetőek,
  • a felületük „csíkozott”,
  • műanyagból készültek,
  • többféle színűek, de minden tárgy csak egyszínű.

Ezt követően működés közben röviden bemutattuk a foglalkozássorozat egyik legfontosabb szereplőjét, a Makerbot Replicator Z18 FDM 3D nyomtatót (Szegedi Tudományegyetem Interaktív Természeti Tudástár).

Végül elmeséltünk néhány érdekességet a 3D nyomtatás történetéből, pl.:

  • hogyan született meg – egy elfelejtett ajándékvásárlás következtében – Scott Crump fejében a szálolvasztásos 3D nyomtatási technológia alapja,
  • a természet is képes 3D nyomtatásra (pl. üledékes kőzet, darázsfészek rétegek) – csak sokkal lassabban,
  • létezik egy csoportosulás, akik évek óta arra törekszenek, hogy olyan 3D nyomtatót állítsanak elő, mely képes saját magát kinyomtatni.

A foglalkozás alatt és azt követően is rengeteg kérdést kaptunk és folyamatosan tapasztaltuk a diákok kiapadhatatlan érdeklődését a témával kapcsolatban.

A foglalkozás végén mindenki választhatott egy 3d nyomtatott állatos pohárfigurát, melyet haza is vihetett.

2. foglalkozás: A 3D nyomtatás elméleti alapjai. 3D nyomtatás nyomtató nélkül.

Az elméleti alapok tisztázást a diákok életkorának és tudásának megfelelően építettük fel. Elsőként két rövid videót mutattunk be:

  1. hagyományos gyártás (fém tömbből alkatrész forgácsolása)
  2. 3D nyomtatás (Yoda mellszobor nyomtatása)

Megkértük a gyerekeket, hogy mondják el, milyen különbségeket láttak a két videóban. Sikeresen azonosították a következőket:

  1. hagyományos gyártás során a tömbi anyagból elveszünk, miközben sok hulladék keletkezik;
  2. 3D nyomtatás során csak annyi anyagot adunk hozzá a folyamatosan épülő tárgyhoz, amennyire szükségünk van;
  3. 3D nyomtatás során előállíthatunk tömör, részben kitöltött és üreges tárgyakat is.

A kérdésre, hogy a nyomtató honnan tudja, hogy mikor és hová kell anyagot lefektetnie, sok érdekes választ kaptunk. Végül sikerült közösen rájönnünk, hogy számtógép segítségével vezéreljük a nyomtatót. Ebből a megállapításból következik, hogy a nyomtatandó tárgyat digitális formában elő kell állítani. Ennek három módját ismerjük:

  1. egy számítógépes program segítségével térben megrajzoljuk a nyomtatandó tárgyat,
  2. amennyiben másolatot szeretnénk készíteni egy létező tárgyról, akkor azt
    1. a. beszkennelhetjük (röviden elmagyaráztuk a jelentését), vagy
    2. b. tér minden irányából lefényképezve

szoftverek segítségével állítjuk elő a nyomtatandó modell digitális változatát.

Ezt követi a nyomtatás. Itt megállapítottuk, hogy a nyomtató vízszintes szeletekből építi fel a tárgyat (ld. „csíkos” felületű tárgyak az első foglalkozáson). Bemutattunk egy szép, szabályos természetben készült tárgyat, a darázsfészket, melyet binokuláris sztereomikroszkóppal megvizsgáltunk és felfedeztük a vízszintes rétegeket. Tehát a darazsak is képesek 3D nyomtatásra. Hasonlóképpen dolgoznak a kőművesek, amikor téglából falat építenek. Szemléltettük, hogy a rétegvastagság csökkenésével, javul a nyomtatott tárgy felületi minősége. Felismertük, hogy levegőben nem lehet nyomtatni, hiszen a levegőbe elhelyezett anyag leesik, tehát ilyen esetekben alátámasztást kell használni. Ezt papírlapocskák segítségével tanulmányozták a gyerekek.

Az utolsó lépés az utómunka, amikor csiszolunk, ragasztunk, festünk, stb.

A foglalkozás utolsó szakaszában megkérdeztük a gyerekeket, hogy nyomtató nélkül tudnának-e tárgyakat rétegről rétegre felépíteni? A megoldást nem sikerült önállóan kitalálni, de végül papírlapok kivágásával és egymásra helyezésével képesek voltak egyszerűbb tárgyakat nyomtatni (létező, de már elavult technológia).

3. foglalkozás: A 3D nyomtatás folyamata. Mire alkalmazható a 3D nyomtatás? Milyen anyagokból nyomtathatunk?

A foglalkozás elején átismételtük a 2. foglalkozáson elhangzott ismeretanyagot, illetve újabb nyomtatott tárgyakkal tettük érthetőbbé, szemléletesebbé a foglalkozás anyagát.

A „Mire alkalmazható a 3D nyomtatás?” kérdésre nagyon sok válasz érkezett. A válaszok mellett a gyerekeknek meg kellett indokolni, hogy miért 3D nyomtatóval állítanák elő az adott tárgyat. Nagyon sok ötlettel álltak elő, felmerült többek között a hős bábuk, pénz, arany, makettek nyomtatása is. Megbeszéltük, hogy a 3D nyomtatásnak nagyon sok alkalmazási lehetősége van. Lehet egyénre szabott cipőt, okos gipszet, szerszámot, alkatrészt vagy akár ételt is nyomtatni. Erről a témáról sokat beszélgettünk.

Tisztáztuk, hogy nagyon apró (hajszál vastagságánál kisebb) vagy nagyon nagy (pl. házak) tárgyakat is nyomtatni. Ezt videóval is szemléltettük.

Azt is megbeszéltük, hogy sokféle anyagot használhatunk a nyomtatáshoz: műanyagot, folyadékokat, melyek fénnyel megvilágítva megszilárdulnak (gyanták), fémporokat, csokit és élő sejteket is. Mivel még nem tanultak biológiát, ezért a sejtekről beszélgettünk egy keveset, volt aki tudta, hogy sejtekből áll a szervezetünk. Ebben a témában érkezett egy nagyon érdekes kérdés: atomot lehet nyomtatni (4. osztályos gyerekekről van szó!)? Sajnálattal közöltem, hogy nem lehet, mire a kisfiú mosolyogva felkiáltott, hogy nem baj, majd ő feltalálja! (Az atomokról olvasott, onnan ismeri a kifejezést.)

A foglalkozás végén megkértük a gyerekeket, hogy a következő alkalomra gondolkodjanak el azon, hogy mit szeretnének megtervezni és kinyomtatni a következő hetekben.

4. foglalkozás: A 3D nyomtatás alkalmazási lehetőségei (ipar, egészségügy, oktatás, stb.) Ötletbörze: mit nyomtassunk?

Az előző foglalkozáson megismertük a 3D nyomtatás főbb lépéseit. Az óra kezdetén ezt ismételtük át néhány kérdés segítségével. A tervek szerint ezen a foglalkozáson a 3D nyomtatás lépéseit tekintettük volna át, de úgy ítéltük meg, hogy ennek részletes ismertetése felesleges ebben a korosztályban. Ezért a foglalkozáson ötletbörzét tartottunk: mit tervezzünk és nyomtassunk ki a tanév végére?

Több lehetőség is felmerül a gyerekek részéről:

  • Marvel hősöket,
  • űrbázist,
  • babákat,
  • várost, stb.

Végül közös megegyezéssel a város mellett tettük le a voksunkat. Megkértük a diákokat, hogy mindenki rajzolja le, hogy miből áll egy település. Nagyon sok ötlet és rajz született, pl.:

  • házak,
  • bolt,
  • cukrászda,
  • iskola (!),
  • park,
  • játszótér,
  • templom,
  • pékség,
  • űrhajó kikötő,
  • sportpálya,
  • emberek, stb.

Közösen megnéztük mindenki rajzát, s szintén közösen ötleteltünk még egy város "kellékeiről".

5. foglalkozás: Számítógépes alapismeretek. Ötletbörze – projektmunka kiválasztása.

A tárgyak megtervezéséhez számítógépes ismeretekre van szükség, és a résztvevők, hogy a foglalkozásokon hasonló alapokkal meg tudják valósítani a tervezett feladatokat, így alapozó informatikai ismeretekre van szükség. Ezt a foglalkozást az alapok bemutatására, gyakorlására szántuk. Itt szembesültünk azzal, hogy ez a korosztály jellemzően érintőképernyős eszközöket (táblagép, okostelefon) használ, így az egér használatával sincsenek tisztában.

A gyerekek a következőket gyakorolták a foglalkozás alatt:

  • számítógép bekapcsolása,
  • bejelentkezés az operációs rendszerbe (azonosító és jelszó használata),
  • alkalmazás megnyitása egérrel (Paint),
  • az egér használat (rajzolás Paint-ben),
  • rajt elmentése, beolvasása,
  • alkalmazás bezárása,
  • kilépés az operációs rendszerből,
  • számítógép kikapcsolása.

6. foglalkozás: Ismerkedés a CAD szoftverrel I.

A 3D nyomtatás első lépése a tárgy digitális másának elkészítése. A három lehetőség közül a 3D tervezéssel foglalkoztunk. Számos ingyenes és fizetős tervező szoftver található az interneten. A korosztály sajátságait figyelembe véve választásunk a TinkerCAD ingyenes, népszerű, lelkes felhasználói körrel rendelkező programra esett. Nagy előnye, hogy támogatja a csoportmunkát, így a diákok közösen is tervezhetnek, illetve az elkészült terveket megoszthatják egymással, valamint egyszerű alakzatokat használva építhetnek bonyolultabb terveket. Mivel az ilyen korú gyerekek általában nem rendelkeznek saját e-mail címmel, így egyedileg nem tudnak regisztrálni. Ezért kialakítottunk egy osztálytermet, ahová a hallgatókat önálló regisztráció nélkül hozzáadtuk. Mindenki kapott egy saját azonosítót, amit nyomtatva megkaptak, hogy akár otthonról is tudják folytatni a foglalkozásokon elkezdett munkát.

Mielőtt belekezdtünk volna a szoftveres gyakorlásba, olyan alapvető fogalmakat kellett tisztáznunk, mint pl. a forgatás, mozgatás a tér három irányába, stb. Ezeket először számítógépek nélkül, magunkon, illetve a gyerekeken szemléltettük. Ezt követően A TinkerCAD honlapján elérhető tanuló feladatokat (leckéket) oldottuk meg. A foglakozás során a következő leckéket gyakoroltuk:

  • tárgyak hozzáadása, elhelyezése a munkafelületen
  • térbeli nézetek változtatása

(kétdimenziós kijelzőn háromdimenzióban látni elsőre nem egyszerű feladat)

  • tárgyak mozgatása a munkafelületen
  • tárgyak forgatása a X, Y és Z tengelyek körül

(Ezen a foglalkozáson a forgatás okozta a legtöbb gondot. Véletlen irányokba történő forgatás mindenkinek ment, viszont egy adott tengely mentén történő elforgatás sok esetben gondot okozott.)

A gyerekek eltérő készségekkel rendelkeztek, az utolsó két lecke sok gyakorlást igényelt elsősorban az egér megfelelő használata miatt. Megkértük a gyerekeket, hogy akinek van lehetősége (otthoni számítógép) ismételjék át az első négy leckét.

7. foglalkozás: Ismerkedés a CAD szoftverrel II. Egyszerű alakzatok tervezése, szükséges geometriai ismeretek áttekintése.

A foglalkozás elején átismételtük az első négy leckét. Szerencsére már sokkal otthonosabban mozogtak ebben a szoftveres környezetben. A 7. foglalkozáson a következő leckéket gyakoroltuk:

  • tárgyak átméretezése, kicsinyítés, nagyítás eltérő és azonos arányokkal

(rendszeresen felmerülő probléma volt a véletlenül megfogott élek, sarkok elhúzásából bekövetkező méretvesztés, amit gyakorlással sikerült minimalizálni)

  • több tárgy csoportba foglalása, egyesítése

(ez a gyakorlat fontos művelet elsajátítására alkalmas, hiszen bonyolultabb tervek előállítása több tárgy összegzésével, kivonásával állítható elő a TinkerCAD szoftverben)

  • tárgyak másolása
  • tárgyak sokszorozása

(térbeli tárgyszekvenciák előállítására alkalmas eljárás; pl. lépcső)

  • tárgyak elrejtése
  • tárgyak igazítása

(nagyon fontos alapművelet, több alakzatból álló testek tervezésénél kihagyhatatlan lépés)

A gyerekek sokkal magabiztosabban kezelték a szoftvert és az egeret, többen képesek voltak önállóan feldolgozni a leckéket. A legtöbb probléma a két vagy több tárgy egymáshoz igazítása során merült fel.

8. foglalkozás: Ismerkedés a CAD szoftverrel III. Összetett alakzatok tervezése

A foglalkozás elején átismételtük a problémás leckéket, több esetben egyéni segítséget nyújtva.

A 8. foglalkozáson a következő leckéket gyakoroltuk:

  • tárgy kivonása másik tárgyból (lyukak, furatok készítése)
  • egyszerű gyűrű tervezése
  • szívecskés gyűrű tervezése
  • tárgy lekerekítése, furatok elhelyezése
  • tárgy feliratozása
  • szabad rajzolás

Annak ellenére, hogy a tervezett tematikában ezen egyszerű feladatok elvégzésére csak 2x60 percet szántunk, indokoltnak tarjuk a 6x60 perc erre fordítását. A gyakorlások nélkül kivitelezhetetlen lett volna a bonyolultabb alakzatok megtervezése. A gyereket sokat fejlődtek, nem veszítették el a lelkesedésüket, kíváncsian várták a nehezebb feladatokat.

9. foglalkozás: Összetett alakzatok tervezése II.

Az eddigi leckék során a gyerekek a TinkerCAD eszköztárában megtalálható egyszerű térbeli alakokat használták a leckék megoldásához. Ahhoz, hogy megfelelő minőségben, anyagtakarékosan nyomtathassunk tárgyakat, meg kell ismerkedni a tervezés egyes alapszabályaival. Ezek a következők:

  • Tömör tárgyat csak akkor tervezzünk és nyomtassunk, ha az indokolt (pl. mechanikai sajátságok). Ezt az elvet egy kockaház megrajzolásával szemléltettük, ahol beláttuk, hogy tömör kocka nyomtatásához sokkal több anyagra van szükség és ebben a formában nem lehet helyiségeket kialakítani.
  • Törekedjünk a legegyszerűbb megvalósításra. Egy kockaházat elkészíthetünk téglatestekből formált falak egymáshoz illesztésével is (átméretezés, forgatás, igazítás), de egyszerűbb egy téglatestet kivonni a másikból. Ajtónyílással rendelkező falat elkészíthetünk három téglatest egymáshoz illesztésével és igazításával, vagy két téglatest egymásból kivonásával.

A foglalkozás során feladat volt:

  • azonos falvastagságú tető nélküli épület tervezése, (testek igazítása, kivonása)
  • a falakon túlnyúló, üreges sátortető tervezése (méretezés, igazítás, kivonás).

A feladatokat a gyerekek önerőből, az előző foglalkozásokon elsajátított ismeretek felhasználásával oldották meg. Természetesen ha kértek, kaptak segítséget, de a megoldásra nekik kellett rájönniük. A diákok a feladatokat nagy lelkesedéssel és kitartással oldották meg.

10. foglalkozás: Összetett alakzatok tervezése III.

Összetetteb alakzatok tervezése az eddig tanult technikák alkalmazásával lehetséges. Ez kiváló lehetőséget nyújtott az eddig tanultak átismétlésére, a tudás elmélyítésére.

A foglalkozás során feladat volt:

  • azonos falvastagságú, ablak- és ajtónyílásokat tartalmazó tető nélküli épület tervezése,
  • lépcső tervezése,
  • csillagvizsgáló kupola tervezése (üreges kupola, távcső és vágat a távcső mozgatásához),
  • ferde támlás pad tervezése (ülőke: 2 téglatest, háttámla: 3 téglatest, ferde síkban).

Az utóbbi feladat megoldásához szükséges a munkasík áthelyezése, amit a foglalkozás elején mutattunk be. A foglalkozás a diákok részéről több kreativitást, elszántságot, kitartást igényelt, amiben nem szenvedtek hiányt.

11. foglalkozás: 3D szkennelés alapjai.

A csoport kialakulásakor ezt a témát nem akartuk bemutatni, mert megértése nehézkes lehet a gyerekek számára. Az együtt töltött 10 foglalkozás során azonban kiderült, hogy nagyon szerencsések vagyunk, hiszen nyitott gondolkodású, szorgalmas és értelmes gyerekekkel van dolgunk, így röviden érintettük a tárgyak digitalizálásának ezt a lehetőségét is.

A bemutatóhoz egy Artec Eva szkenner állt a rendelkezésünkre, melyet az Szegedi Tudományegyetem Interaktív Természeti Tudástára bocsátott a rendelkezésünkre.

A foglalkozás első felében ismertettük az elméleti alapokat, elsősorban a fény (lézer) és a felület kölcsönhatásait taglaltuk. Természetesen felmerült a lézerkard problémája is (miért nem halad át két lézerkard pengéje egymáson, ha két zseblámpa fénye sem akad el egymásban), amit – a diákok legnagyobb bánatára – sajnos nem volt lehetőségünk a valóságban is tesztelni. Bemutattuk a szkenner által generált pontfelhőt feldolgozó szoftver működését is. Itt láthatták a diákok, hogy a szkennelés során számos hibalehetőség adódik, így a tökéletes modell megalkotása nem csak a megfelelően precíz szkennelésből, hanem a sokszor rengeteg apró-cseprő javításokkal tarkított szoftveres utómunkálatokból is áll. A foglalkozás során a tanulóknak lehetősége volt kézbe venni és felügyelet mellett működtetni a szkennert, így maguk is megtapasztalták, hogy sok esetben a számítógépes tervezés jobb modellt szolgáltat. A fotogrammetriás megvalósítás bemutatására nem maradt időnk.

12. foglalkozás: Tárgyak digitalizálása 3D szkennerrel

Itt láthatták a diákok, hogy a szkennelés során számos hibalehetőség adódik, így a tökéletes modell megalkotása nem csak a megfelelően precíz szkennelésből, hanem a sokszor rengeteg apró-cseprő javításokkal tarkított szoftveres utómunkálatokból is áll. A foglalkozás során a tanulóknak lehetősége volt kézbe venni és felügyelet mellett működtetni a szkennert, így maguk is megtapasztalták, hogy sok esetben a számítógépes tervezés jobb modellt szolgáltat. A fotogrammetriás megvalósítás bemutatására nem maradt időnk.

13. foglalkozás: Egyéni projektek kiválasztása, megbeszélése.

A 4. foglalkozáson a gyerekekkel közösen eldöntöttük, hogy mi legyen a csoport projekt. A 12. foglalkozás keretében egyéni és/vagy kiscsoportos projekteket osztottunk ki, elsősorban a tanulók vállalásai alapján. Ehhez segítségül hívtuk a 4. foglalkozás során született rajzokat, ezekből a tervekből választhattak a diákok. Négy 2-3 fős kiscsoport alakult, a többiek egyénileg dolgoztak. A foglalkozás elején ismertettük a tervezés alapfeltételeit:

  • tömör tárgyakat csak indokot esetben nyomtatunk,
  • a tárgyak mérete nem haladhatja meg a 10x10x10 cm-t,
  • hiába tervezik a tárgyakat többszínűre, csak egy színben tudjuk azokat kinyomtatni.

Miután mindenki kiválasztotta, hogy mit szeretne tervezni, megvizsgáltuk, hogy minden fontos elem megtervezésre kerül. Minden kiscsoport és egyéni tervező is több objektum megtervezését vállalta. A miniprojekteket közösen megbeszéltük, a gyerekek adhattak ötleteket egymásnak a tervezéssel kapcsolatban.

13-15. foglalkozás: A miniprojektek megtervezése.

Ezek voltak a legnépszerűbb foglalkozások, hiszen a gyerekek szinte korlátlanul (ld. 12. foglalkozás, alapfeltételek), a saját fantáziájukra, kreativitásukra támaszkodva alkalmazhatták az eddig megszerzett tudásukat. A tanulók nagyon szépen dolgoztak, senkit nem kellett noszogatni, hogy végezze a feladatát. Természetesen előfordult, hogy egyszerűbb („Elrontottam, hogyan tudom visszacsinálni?”) vagy kicsit komplikáltabb problémákban („Hogyan tudom ezt a 4 szívecskét pontosan a háztetőre helyezni?”) segítségre szorultak, a de a vállalt munkájukat odafigyelve, fegyelmezetten elvégezték. Több diák esetében is előfordult, hogy nem csak a foglalkozások alatt, hanem otthon is a TinkerCAD-ot nyúzta. Az egyik fiú büszkén mondta, hogy a számítógépezésre fordítható időt korábban játékokkal töltötte, most viszont egy transzformátor állomással ellátott bánya megtervezésével van elfoglalva.

Az eredeti tervekben csupán két foglalkozást szántunk a tervek elkészítésére, de érthető módon ezek a 10-11 éves gyerekek lassabban haladtak, mint a 13-18 évesek tették volna.

16. foglalkozás: A megtervezett miniprojektek bemutatása, megvitatása.

Ezen a foglalkozáson mindenki izgult: a munkájuk minősítésre várt, amit nem elsősorban mi, oktatók, hanem diáktársaik tettek meg. Utólag azonban belátták, hogy felesleges volt az izgalom, mert nagyon jól teljesítettek. Apróbb megjegyzések szinte minden esetben elhangzottak („Miért kell a háztetőre szív?”), jelentős tervmódosításra ritkán volt szükség. Komolyabb tervezési hibák az alábbiak voltak:

  • egymáshoz nem igazított, nem egyesített elemek
  • nem megfelelő méret (akár a megadott méret 5-10-szerese is előfordult)
  • tömör elemek

Az utóbbi két probléma elsősorban figyelmetlenség eredménye volt, ezeket a tervezők maguk javították. Az első esetben más tervezők vagy az oktatók beavatkozása is szükséges volt.

Összességében elmondható, hogy ötletes, a lehetőségekhez képest szépen kidolgozott, kreatív tervek születtek.

17. foglalkozás: Ingyenes 3D terveket közzé tevő weboldalak bemutatása, keresés, letöltés.

Mielőtt belefogtunk volna egy újabb, nehéz témájú foglalkozásba, megmutattuk a gyerekeknek, hogy bizonyos honlapokon sok esetben ingyen lehetőségük van kész 3D tervek letöltésére.

Elsőként a TinkerCAD honlapján kínálkozó lehetőségről számoltunk be. A főmenüben a Projektek menüpont alatt van lehetőségünk az oldalon regisztrált felhasználók által megosztott tervek között keresni, illetve azokat letölteni, vagy módosítani. Ez az egyik legjobb forrás a korosztály számára, hiszen sok, velük egykorú gyermek tervei között megtalálják a számukra érdekeset.

A másik népszerű, de elsősorban felnőtt tervezők által megosztott 3D-s tervek oldala a Thingiverse. Ezen az oldalon az érdeklődők találhatnak figurákat, játékokat, gépjármű modelleket, de akár különböző alkatrészeket is. Az oldal böngészése elsősorban szülői felügyelet mellett ajánlott.

A TinkerCAD oldalán mutattuk meg a keresés és a projektek letöltésének mikéntjét. Itt kell megjegyezni, hogy az oldalon jellemzően angol nyelvű projektleírásokkal találkozhatnak a gyerekek, ami segíti a nyelvtanulásukat is.

A foglalkozás végén mindenki megkereshette a kedvenc akcióhős figurája, vagy egyéb tárgyak modelljeit.

18. foglalkozás: Különböző fájl formátumok áttekintése (mesh, G-kód), konvertálása,

A leggyakoribb 3D-s nyomtató fájlformátuma az .STL fájl. Úgy vélik, hogy a fájlformátumot a 3D rendszerek hozták létre az ST ereo L ithography CAD szoftverekből és gépekből. Mint sok fájlformátum, más magyarázatok is vannak arra vonatkozóan, hogy ez a fajtafájl megérkezett-e: Standard Tessellation, ami többé-kevésbé geometriai formák és minták csempézését vagy rétegzését jelenti.

Mi az STL fájlformátum? Az STL fájlformátum könnyen érthető definíciója egy 3D-objektum háromszög alakú ábrázolásának magyarázata.

A legfontosabb dolog talán az, hogy melyik formátumot mire kell használni.

Ha egy színű nyomatban utazunk és egy fejünk van, akkor STL-nél több nem kell. Ha már kettő vagy több filamentszálat is bele tudunk szuszakolni a fejünkbe, mert alkalmas rá, akkor a PLY vagy a 3MF formátum lesz a barátunk. Mert ezek már színeket vagy texturákat is tárolnak az objektum mellett.

Ha formátumról beszélünk akkor ez szintén egy text állomány, vagyis egyszerű notepad-ben szerkeszthető file. De a tartalma miatt hívjuk G-Code formátumnak.

Már előzőleg írtam róla pár szót. Most kibővítjük ezt a tudást.

A G-Code egy szöveges állományban található, újsor/kocsivissza(CRLF manapság ENTER) karakterekkel elválasztott(soronként értelmezendő) leíró fájl.

Ennek a formátumnak is van szabványa és vannak dialektusai is, így nem biztos, hogy bármely G-Code mindenhol ugyan azt jelenti majd.

A soronként értelmezhető azt jelenti, hogy amikor az adatokat feldolgozzák belőle, akkor nem kell minden sort betölteni ahhoz, hogy elinduljon a feldolgozás. Soronként is lehet értelmezni és végrehajtani a feladatokat. Ezt azért találták ki, mert régen a NC/CNC(numerical control/computer numerical control vagyis számokkal irányított) szerszámgépeknek és marógépek vezérlésében lévő CPU-k alkalmatlanok voltak a memória kicsiny mérete miatt egy nagyobb feladat betöltésére, így soronként olvasták be a háttértárról(akkoriban még floppy volt a szép neve) a feladat lépéseit, és soronként is hajtották végre.

19. foglalkozás: Szeletelő szoftverek bemutatása

Ez a téma alapvetően meghaladja egy általános iskolás diák számára előírható ismeret kereteit. Azonban a csoport tehetséges és lelkes tanulókból állt, ezért úgy döntöttünk, hogy megismertetjük őket a sikeres nyomtatás kivitelezéséhez elengedhetetlen lépés alapjaival.

Miért van szükség szeletelő szoftverekre?

  1. A nyomtatók nem tudják értelmezni a különböző 3D tervező szoftverek kimeneti fájljait.
  2. Ahogy azt a 2. foglalkozáson megtanultuk, a 3D nyomtatók a tárgyakat alulról felfelé, egymásra épülő szeletekből állítják össze.
  3. Optimális orientáció kiválasztása.

A szeletelő szoftverek elkészítik a nyomtatásra szánt tárgy szeletelt verzióját és azt lefordítják arra a nyelvre, amit a 3D nyomtatók is megértenek (ezt G-kódnak hívják; középiskolás diákok esetében egy egész foglalkozást szenteltünk volna a G-kóddal kapcsolatos ismereteknek, de negyedikes gyerek esetében ennek nincs értelme).

Ezen felül ezekben a szoftverekben forgathatjuk a nyomtatásra szánt tárgyunkat abba a pozícióba (orientáció), ami a nyomtatás szempontjából a legjobb. A gyerek számára ezt a problémát a T betű nyomtatásával tettük érthetővé. A nyomtatás alulról felfelé halad, ezért ha a T betűt állva (T) tervezzük nyomtatni, a kalapjához érve az első réteget a levegőbe helyezi el a nyomtató, így az lezuhan. Így jár a többi, a betű kalapját formáló réteg is. Hogy ne zuhanjanak le, a kalapot több helyen alá kell támasztani, ami plusz anyagfogyást eredményez. Elkerülhető a támasztékok alkalmazása a megfelelő nyomtatási pozíció megválasztásával? Természetesen: a T betűt a hasára vagy a hátára kell fektetni, így egyelten réteg sem kerül a levegőbe és nem kell extra anyagot használni a támasztékok építésére. A gyerekek ezt a példát könnyedén megértették.

A foglalkozás során a Makerbot MakerPrint szoftverét mutattuk be, mivel ez a nyomtató nem működik másik szeletelő szoftverrel. Nem ismertettük a részletes beállításokat, csupán a tárgyak platformra helyezését, megfelelő pozícionálást és a rétegvastagság beállítását mutattuk be.

A gyerek számára érdekes volt a foglalkozás, hiszen már közvetlenül a nyomtatóval, illetve annak szoftverével dolgozhattak.

20. foglalkozás: A szálolvasztásos (FDM) 3D nyomtató felépítése, működése, alapanyagok bemutatása.

Az egyik legizgalmasabb, de a legtöbb türelmet kívánó foglalkozás. Izgalmas, mivel a gyerekek végre közvetlenül a nyomtatóval foglalkozhattak. Szükséges a türelem, mivel csak egy nyomtatónk van, csak kiscsoportokban tudjuk az egyes alkatrészeket, folyamatokat a gyerekeknek megmutatni. Ennek megfelelően a gyerekeket hat kiscsoportra osztottuk és minden lépést a közös magyarázatot követően csoportonként, külön mutattuk meg. A lépések a következő voltak:

  1. A nyomtató ismertetése (méretek, nyomtatható tárgy maximális mérete, milyen technológiával működik, be- és kikapcsolás, számítógéphez kapcsolás). Ezt a lépést a diákok a helyükről figyelték.
  2. A nyomtató részei (nyomtatóasztal/platform, nyomtatófej, fúvóka, Z-tengely, nyomtatószál tároló).
  3. A nyomtató előkészítése:
    1. a nyomtató szintezése,
    2. a nyomtatóasztal szintezése,
    3. fúvóka tisztítása,
    4. nyomtatóasztal tisztítása.
  4. A nyomtatószál befűzése, betöltése a nyomtatófejbe (ekkor mutattuk meg a nyomtatószálat és beszéltünk a különböző tulajdonságú anyagokról).
  5. A nyomtatófej felmelegítése.
  6. A nyomtatószál kinyomása a fúvókán keresztül.
  7. A szeletelt tárgy átküldése a nyomtatóra, a nyomtatás anyaghasználatának és a nyomtatási időnek kiszámítása.
  8. A nyomtatás indítása.

A 120 perc éppen elegendő volt a lépések bemutatására. A tanulók a 7. lépésnél döbbentek rá, hogy a 3D nyomtatás sokkal lassabb, mint pár oldalt kinyomtatni egy hagyományos nyomtatón. Az általuk tervezett, átlagos tárgy kinyomtatása hozzávetőleg 2,5 órát vett igénybe. Azt is itt ismerték fel, hogy a tárgyak számának növelésével a nyomtatási idő lineárisan nő (a linearitás fogalmát nem ismerték, de két tárgy kétszer hosszabb idő példát könnyedén feldolgozták).

A helyükön ülő gyerekekkel a nem a nyomtató mellett szolgálatot teljesítő kollégák a felépítendő város elrendezését beszélték meg.

Természetesen a nyomtató nem csak a foglalkozások ideje alatt dolgozott, hiszen ebben az esetben a projektet nem tudtok volna a tervezett időben befejezni.

21. foglalkozás: A 3D nyomtató előkészítése, beállítása nyomtatásra.

A 3D nyomtatáshoz elkészíteni egy 3D modellt kicsit más mint egy általános 3D tervezési folyamat. 3D nyomtatáskor ahhoz, hogy áthidalásokat, illetve vízszintes furatokat is ki lehessen alakítani, a test felépítésén kívül szükség van támasz építésére is a nyomtatás során. Ez azért fontos, mert alátámasztás nélkül nem áll meg a levegőben a megfelelő réteg magasságában az olvasztott műanyag. Ennek okán a szükséges helyekre támaszték kerül nyomtatásra, amely a nyomtatás folyamán biztosítja a modellanyag alátámasztását. (A nyomtatás végeztével a támasztékot eltávolítjuk.) A támaszték kiszámítását a nyomtatóhoz tartozó szoftver végzi el az általunk megadott paraméterek segítségével.

Tervezésnél érdemes figyelembe venni, hogy minél kevesebb a támaszték nyomtatása, annál rövidebb a nyomtatási idő. Ehhez érdemes az éles kiszögelések helyett 45 fokos töréseket alkalmazni illetve ívben átvezetni a kiszögelést.

  • A 3D modellnek zárt formának kell lennie ahhoz, hogy nyomtatható legyen. Érdemes a modellezés folyamán figyelni az ‘open edge’-k bezárására.
  • Maximális nyomtatási méret: 305 x 305 x 457 mm
  • Ideális falvastagság 2 mm-nél kezdődik, minimum fal vastagság 1 mm.
  • Amennyiben üreges testről van szó, a belső támasztékanyagot nehezen vagy egyáltalán nem tudjuk eltávolítani.
  • Nagy lapos felületeknél előfordul a vetemedés, ezt a modellezés során meg lehet előzni. A forma kialakítása előtt érdemes konzultálni szakembereinkkel.
  • Illesztéshez a ráhagyás minimum 0,2 mm.
  • Fontos továbbá még, hogy a tervezés utolsó lépéseit se kapkodjuk el, ugyanis sok hiba ilyenkor keletkezik. Ezen utolsó lépések egyike az stl fájl készítés. Az esetek többségében a hibás stl fájlok ezen utolsó lépés elkapkodásából származnak. Érdemes az stl file exportálásánál nagy felbontást és gazdag részletek beállítását választani.

22. foglalkozás: Utómunkálatok - bemutató.

Minden, 3D nyomtatással foglalkozó szakember szemében az utómunkálatok a legunalmasabbak, ugyanakkor nem megfelelő kivitelezésük jelentősen ronthatja a kinyomtatott termék esztétikai és mechanikai minőségét, ezért precíz elvégzése nagyon fontos feladat. Éppen ezért ezt a lépést a foglalkozásokon résztvevő gyerekek számára is be kellett mutatni.

Mivel a nyomtatások folyamatosan zajlottak, így nem volt mindenkinek lehetősége arra, hogy a saját produktumán végezze el az utómunkálatokat. Erre a foglalkozássorozat végén szántunk még időt.

Ezen a foglalkozáson bemutattuk az utómunkálatok különböző formáit. Ezek a szálolvasztásos nyomtatás esetén a következők:

  • a nyomtatott objektum eltávolítása a nyomtatóasztalról – ez nagyobb tapadási felülettel rendelkező tárgyak esetében valamilyen lapos eszközzel, egyéb esetben kézzel történik (ezt a lépést csak szóban, illetve képekben mutattuk be, a nyomtató még nem fejezte be az aktuális nyomtatást)
  • támasztékok eltávolítása – nagyon fontos és sokszor időigényes folyamat (bemutattuk a különböző eszközöket, azok használatát, a támasztékok után maradt anyagfelesleg eltávolításának lehetőségeit)
  • több részben nyomtatott testek összeszerelése – ez jellemzően ragasztást, esetleg csavarozást jelent (erről szintén csak szóban magyaráztuk el)
  • felületkezelés – csiszolás, polírozás, vegyszeres vagy hőkezelés (csak szóban, illetve képekkel illusztrálva került bemutatásra)
  • festés – csak szóban mutattuk be, hiszen a tanulóknak a projekt végén lesz lehetősége a saját termékük festésére

A csiszolást, festést érdeklődve hallgatták és várakozóan tekintettek a gyakorlati kihívásokra.

23. foglalkozás: A kinyomtatott termékek minősítése, esetleges hibák megbeszélése. Felmerülő tervezési hibák megbeszélése.

Még szakemberek esetében is előfordul, hogy egyes tervezési hibákra csak a kinyomtatást követően derül fény. Éppen ezért fontosnak tartottuk, hogy néhány, már kinyomtatott tárgyat közösen megvizsgáljunk és megkérjük a diákokat, hogy értékeljék azok minőségét. Hibák észrevétele esetén megkértük őket, hogy tegyenek javaslatot a hiba kijavítására. Optimális esetben ezt a tárgy tervezője tette meg, ha neki nem volt ötlete, bárki tehetett javaslatot. A foglalkozáson 23 tárgyat vizsgáltunk meg alaposan. (Tervezési hiba miatt újra tervezésre javasolt 4 terv.) Mindegyiket értékeltük, nem csak a hibákat, hanem a jó tulajdonságokat, tervezési ötleteket is megvitattuk.

Nagyon jó volt látni, hogy a diákok milyen sokat fejlődtek a foglalkozások során. Legtöbb esetben korukhoz, tapasztalatukhoz méltó módon tettek javaslatot a hibák javítására, vagy dicsértek meg szép, okos megoldásokat.

24. foglalkozás: Termékek továbbfejlesztése, újra tervezése

Ez a foglalkozás a korábban megszokott mederben zajlott azzal a különbséggel, hogy azok a tanulók, akik nem kényszerültek a terveik javítására, választásuk szerint vagy segítettek másoknak a tervezésben vagy új terveket állítottak elő.

A tervezéshez továbbra is a TinkerCAD online felületét használták, ahol az oktatók nyomon követhették a haladásukat.

25. foglalkozás: A végleges termékek nyomtatása, utókezelése

Ezen a foglalkozáson az korábban hibás, javításra szoruló tervek kerültek újra kinyomtatásra.

26. foglalkozás: A megvalósított projektmunkák bemutatása, értékelése.

Ezen a foglalkozáson a nyomtatott tárgyak funkcióját, a településen betöltött szerepét beszéltük meg. Mivel minden résztvevő diák esetében legalább egy tárgy kinyomtatásra került, így mindenkinek lehetősége volt elmondani gondolatait, illetve javaslatot tehetett mások elképzeléseivel kapcsolatban. Általánosságban elmondható, hogy a diákok pozitívan álltak egymás elképzeléseihez, több esetben bátorító hozzászólásokkal illették mások munkáit.

A második részben megterveztük a települést: milyen lesz az alakja, hol lesznek az utak, a folyó, az egyes lakó-, üzletinegyedek, játszóterek, egyéb létesítmények. Elfogadásra került, hogy a település alapját csomagoló papírra rajzolják a kis művészek és ezt az alapot népesítik be a nyomtatott tárgyakkal. Megállapodtunk abban, hogy az utómunkálatok során a felmerülő igények szerint akrilfestékkel színezik a kinyomtatott objektumokat.

27. foglalkozás: SLA, SLS és bionyomtatás technológiák bemutatása

A szelektív lézerszinterezés a legnagyobb formai szabadságot adó, fejlett additív gyártástechnológia, amelyet gyártók, mérnökök és tervezők előszeretettel alkalmaznak az ipar számos területén. Ebben a cikkben részletesen bemutatjuk a szelektív lézerszinterezés (SLS nyomtatás) folyamatát, a különböző, elérhető rendszereket és alapanyagokat, alkalmazási területeket és körbejárjuk azokat az eseteket, amikor az SLS nyomtatást érdemes választani szemben más nyomtatási vagy hagyományos gyártástechnológiákkal.

A SZELEKTÍV LÉZERSZINTEREZÉS (SLS) FOLYAMATA

A szelektív lézerszinterezés egy additív gyártástechnológiai eljárás, amely során nagyon finom szemcseméretű polimer por rétegeit olvasztja össze egy lézersugár, ezáltal felépítve a szilárd munkadarabokat. Alacsony alapanyagköltség, magas termelékenység, és elfogadott, megbízható alapanyagok jellemzik, amelyek mind hozzájárulnak népszerűségéhez az egyedi prototípusgyártási feladatoktól a termékek kis sorozatú nyomtatásáig. A gépészet, az alapanyagok és a szoftverek fejlődése a közelmúltban egyre szélesebb körben elérhetővé tették az SLS nyomtatást, lehetőséget teremtve ezzel arra, hogy egyre több vállalkozás alkalmazhassa házon belül ezt az ipari 3D nyomtatási technológiát.

SLS nyomtatás során a finom polimer port egy henger teríti el vékony rétegben a munkatér platformjára. A nyomtató az alapanyag olvadási pontjának közelébe fűti a munkateret és a felhordott port, amely megkönnyíti a lézer számára, hogy a gyártandó 3D modell keresztmetszeteiben kicsit megemelve a hőmérsékletet összeolvassza a tárgyat alkotó rétegeket. A lézer éppen az egzakt olvadási pont alá vagy pont oda fűti a porréteg megfelelő területeit. Az össze nem olvasztott porszemcsék nyomtatás közben alátámasztják a készülő tárgy részleteit, amelynek köszönhetően szelektív lézerszinterezés során nincs szükség támaszstruktúrák felépítésére, valamint a teljes munkatér kihasználható, hiszen egymás fölé is elhelyezhetünk tárgyakat az előkészítés során. Egy elkészült réteg után a nyomtató platform egy rétegnyit süllyed (jellemzően 50-200 mikron között) és a folyamat megismétlődik.

Az SLA nyomtatás UV fényre térhálósodó műgyantákból dolgozik. Lézer szilárdítja meg a nyomtató kádban lévő folyékony fotopolimer rétegeit. A műszaki jellemzőket tekintve szintén széles alapanyagválaszték jellemzi, emellett az SLA technológia biztosítja a lehető legnagyobb felbontást, pontosságot és részletességet. Fő felhasználás: prototípusok, mesterminták, öntőformák, szerszámbetétek, izotróp  alkatrészek, áttetsző modellek, művészeti & ékszer modellek, fogtechnikai alkalmazások

A szelektív lézerszinterezés során egy lézer szinterezi össze a felhordott termoplasztikus műanyag por rétegeit. Nagy geometriai szabadság, termelékenység és alacsony darabköltség jellemzi. Kevésbé széles anyagválaszték, azonban funkcionális, erős alapanyagok jellemzik. Az alacsony darabköltséghez az is hozzájárul, hogy szinte nincs alapanyag veszteség – a nyomtatás során visszamaradó port felfrissítve újra használhatjuk egy következő gyártási folyamathoz. Többek között az eljáráshoz szükséges nagy-teljesítményű lézernek köszönhetően az SLS nyomtatók jellemzően drágábbak, csak ipari felhasználásuk jellemző. Fő felhasználás: funkcionális prototípusok és végtermékek, beépülő elemek kisszériás gyártása

28. foglalkozás: Látogatás az SZTE IKIKK 3D Központjába

Az utolsó előtti héten lehetőségünk nyílt meglátogatni a Szegedi Tudományegyetemen működő 3D Központot, ahol akár gyerekszoba méretű nyomtatóval is találkozhattunk. A 3D nyomtatásban jártas szakemberek kalauzolásában láthattunk egy olyan 3D szkennert működés közben, amellyel egy kisebb csavart vagy akár egy kamion utasfülkéjét is gond nélkül be lehet szkennelni. Mutattak olyan 3D tervező szoftvereket, melyekkel akár működő rakétahajtóművet is meg lehet tervezni. Megmutatták, hogy egy CT felvételből hogyan készíthetjük pl. a gerincünk vagy egy csigolyánk 3D modelljét, amit ki is nyomtathatunk. Végül a már jól ismert szálolvasztásos nyomtatók mellett láthattunk folyadékból fény segítségével szilárd testek nyomtatására alkalmas nyomtatókat (SLA nyomtatók). Egy másik teremben pedig egy kisebb szoba méretű fémnyomtató működési elvét ismertették.

29-31 foglalkozás: Csoport projekt megalkotása

Az egyik legjobban várt foglalkozás: mindenki a saját megvalósult tervét kézbe vehette, elképzelése szerint alakíthatott rajta (csiszolás, ragasztás) és színezhette. A két foglalkozás alatt mindenki a saját kezével vagy diáktársa segítségét igénybe véve véglegesítette a több héttel ezelőtt még csak az elméjében létező tervet. Szorgosan csiszoltak, festettek – néha saját magukat is – és a második foglalkozás végére megszülettek a remekművek (ld. csatolt fényképes dokumentáció). Aki gyorsabban végzett csatlakozott a város alapjait megrajzoló művészekhez, akik igen remek munkát végeztek. Elkészültek a festett épületek, játszóterek, sportpályák és – igaz csak 2D-ben – megszületett a település alaprajza is!

Ezen foglalkozásokon felkészültek a diákok a kiegészítő tevékenységre, ahol a meghívottaknak is lehetőség volt megtekinteni a mérnöki alkotásokat.

A kiegészítő tevékenység, interaktív foglalkozás ehhez a témakörhöz kapcsolódott. Erre az alkalomra az SZTE Juhász Gyula Pedagógusképző Kar 3D előadótermében került sor érdeklődő szülők és kollégák jelenlétében. A hosszú tanári asztalon a gyerekek berendezték a települést. A foglalkozásokat vezető oktatók pár szóval összefoglalták a féléves munka tanulságait, eredményeit. Kiemelték, hogy a résztvevő gyerekek nagyon kreatívak, ügyesek, érdeklődők voltak, nagyon jól érezték magukat a foglalkozások során. Ezt követően a gyerekek mondták el saját szavaikkal a foglalkozásokkal kapcsolatos észrevételeiket. Az egyik legmeghatóbb hozzászólás az volt, amikor az egyik kisfiúnak az okozta a legnagyobb örömet, hogy látta a többiek milyen ügyesek és milyen szép dolgokat alkottak.

A foglalkozássorozat végén mindenki hangot adott azon reményeinek, hogy olyan sikeres volt és hiánypótló a témaválasztás, hogy a későbbiekben folytatni kellene az elkezdett munkát.

További dokumentumok

Biológiai - fizika tematika

3D nyomtatás tematika