Tisk ve 3D
9. 9. 2011
Vynález knihtisku, připisovaný Johannu Gutenbergovi v 15. století, je považován za jeden z nejvýznamnějších v dějinách lidstva. Současný projekt Gutenberg zaměřený na šíření elektronických knih však dnes Michaela přivedl k moderní laserové tiskárně. Pomocí práškového toneru a silného neodymového magnetu vám předvede pozoruhodné fyzikální úkazy. Ale nakonec se vypravíme do budoucnosti. Uvidíte, jak se z plastu tisknou prostorové objekty. Michael také ukáže, že jednoduchou 3D tiskárnu si můžete postavit doma sami.
Michael: Minulý týden jsem během natáčení mluvil se zajímavých člověkem, který mi doporučil, abych se na internetu podíval na toto.
Tereza: Je to projekt Gutenberg. Knihovna více než 36 000 elektronických knih, na které se nevztahují autorská práva a je možné zdarma je stáhnout.
Filip: Projekt získal jméno po tomto muži – Johannu Gutenbergovi. Ten může za začátek tohohle všeho. Vynalezl totiž knihtisk.
Tereza: Mechanický knihtisk pomocí pohyblivých liter přispěl k nástupu renesance. Významně usnadnil publikaci vědeckých děl a stal se jedním z předpokladů pozdější vědecké revoluce.
Filip: Napomohl také k rozšíření vzdělanosti mezi široké vrstvy obyvatelstva.
Michael: O tisku se skutečně tvrdí, že patří k nejcennějším vynálezům všech dob. Mnozí
z nás používají tiskárny v práci i doma každý den. Dokonce je velká pravděpodobnost, že náš Michaelův experiment teď sledujete z místa, od kterého se tiskárna nachází ne více než deset metrů.
Filip: Ne-li pár centimetrů. Třeba máte zrovna takovou, tahle konkrétně je laserová. Jo, s tou by se Gutenbergovi tisklo, jedna báseň. No jo, ale co se v té plastové krabici odehrává, když tiskne?
Michael: Tak především všechny obrázky, texty a fotky, které chceme vytisknout z počítače, jsou zakódovány do jazyka tiskárny – to je soubor matematických hodnot, které popisují geometrické tvary a vektory.
Filip: Informace vstoupí do tiskárny, kde jsou přeměněny na takzvanou „bitmapu“, což je soubor doslova popisující řadu bodů.
Michael: Takže tiskárna už ví, co má tisknout. Ale jak to udělá?
Well, the primary principle at work in a laser printer is static electricity.
Hlavním pomocníkem laserové tiskárny je statická elektřina.
Filip: To je ta elektřina, která způsobí, že balónek, pokud ho nabiju, bude držet i na Michaelově triku… Jo!
Michael: Statická elektřina je prostě elektrický náboj, obklopující izolovaný předmět…
Filip: … jako je například můj balónek.
Michael: Laserová tiskárna využívá tento jev jako „dočasné lepidlo“. A funguje to takhle. Hlavní součástí této tiskárny je tento otáčivý pás.
Filip: Vyrábí se z materiálu, citlivého na světlo, a vybíjí fotony.
Michael: Nejdříve má pás kladný náboj všude.
Filip: A jak se otáčí, tiskárna ho osvětluje tenkým laserovým paprskem, který některé body vybije – podle naší bitmapy.
Michael: Přesně! A takto tiskárna „maluje“ písmenka a obrázky jako předlohy z elektrických nábojů. Je to elektrostatický obrázek.
Tereza: Tiskárna pak válec potáhne jemným práškem – tonerem, který se přichytí
jen na záporně nabitých oblastech. Jako když napíšeme něco na tuhle plechovku lepidlem, pak ji vyválíme v mouce – ta se přilepí jen na místa s lepidlem. A můžete číst.
Michael: Whilst on the subjects of laser printers – there is a lovely little experiment that you can do in a comfort of our very own homes, using this. It´s a Magnetic Ink Character Recognition toner for laser printers.
Když už se bavíme o laserových tiskárnách: v pohodlí našich domovů můžeme udělat krásný experimentík s tímhle. Je to magnetický inkoust pro rozeznávání znaků do laserových tiskáren.
Filip: Ty myslíš tady ten černý hnusný prášek?
Michael: Tento černý hnusný prášek obsahuje, kamaráde, nanočástice oxidu železa.
Tereza: To, že jsou magnetické, dokáže silný neodymový magnet.
Filip: Tonerový prášek je opravdu jemný, proto jsme si nasadili ústní roušku a opatrně jej trošku nasypali do nádobky.
Tereza: Prášek jsme smíchali s trochou rostlinného oleje a vznikla ferokapalina – kapalina s magnetickými vlastnostmi.
Filip: Podle klipů na YouTube jsme se těšili, že pomocí silného magnetu z této ferokapaliny vykouzlíme úžasné tvary, připomínající ježky. Ale nějak nám to nechtělo fungovat. V čem byla chyba?
Michael: To je asi tak všechno, co jsme dokázali udělat doma.
However I do have a friend and colleague, who is an expert at nanoparticles of iron oxide. Michal Babič, who will certainly be able to improve the results of my experiments. Michale…?
Mám ale přítele a kolegu, který je na nanočástice oxidu železa expertem. Michal Babič, a ten bude jistě moci výsledky mých pokusů zlepšit.
Ing. Michal Babič, Ústav makromolekulární chemie AV ČR: Michaele, ty jsi prostě zapomněl, že připravuješ magnetickou kapalinu, takže jsou důležité hydrodynamické vlastnosti. Nenastavil jsi je optimálně. Prostě dal jsi tam moc oleje. Já ti ukážu, jak to vypadá v ideálním případě.
Tereza: Ano, pro vás doma bude tím pravým experimentem najít správný poměr mezi množstvím toneru a oleje, aby i vám díky magnetickým siločarám vznikaly tyto úžasné tvary.
Filip: Ale tohle všechno je už minulost. To už je pasé. Ale jaká je budoucnost? Jak vývoj půjde dál?
Michael: Dobrý den, pánové. Tak to je ten stroj?
Josef Průša, vývojář projektu RepRap, student VŠE v Praze: Ano, tohle je RepRap, 3D tiskárna.
Michael: A tady máte design na počítači už připravený.
Josef Průša, vývojář projektu RepRap, student VŠE v Praze: No, ten budeme jednou tisknout.
Filip: Nad čím se tu sešla a kutá tahle skupinka nadšenců?
Michael: The future of printing in fact now is no longer restricted, limited to two-dimensional world. No. We can now print in 3D. And this is a machine that can do it.
Budoucnost tisku už nebude omezena na dvourozměrný svět. Teď můžeme tisknout ve 3D. A tenhle stroj to umí.
Tereza: Začínáme pronikat do světa objektů, které vznikají na těchto podivných stroječcích.
Filip: Teda, když nám řekli, že tu bude tiskárna na 3D objekty, tak jsem tomu vůbec nemohl uvěřit. A teď ji vidíme na vlastní oči. Naštěstí tady vedle nás je Pepa Průša, hlavní vývoj tohoto projektu. Tak nám prozraď, jak to celé funguje, na jakém principu.
Josef Průša, vývojář projektu RepRap, student VŠE v Praze: Tak tady to je tiskárna mého návrhu, jmenuje se RepRap Prusa Mendel. Je to vlastně úplně jednoduchý robot, který se umí hýbat ve všech třech osách, v jedné, v druhé a ve třetí. A na jeho hlavně je přidělaná tryska, která je vlastně high-tech verze pistole na tavné lepidlo. Tam se vrchem přivádí plast, tady máme zrovna ABS, ze kterého se vyrábí taky třeba Lego. Je ho možné sehnat, je ve více barvách. Je to ve formě takového drátu. Není to nic složitého. V té trysce se to zahřívá a vytlačuje. A tím pak vlastně kreslíme ty objekty vrstvu po vrstvě.
Tereza: Zblízka s napětím sledujeme, jak linka po lince, vrstvička po vrstvičce postupně roste celý objekt.
Filip: Tak tiskárnu, tu už jsem pochopil. Ale jak ten předmět vzniká? Nebo kde se vezme? Kde je ten počátek?
Josef Průša, vývojář projektu RepRap, student VŠE v Praze: Tak buďto objekt navrhneš v počítači. Tady to kolečko je nakreslené v CADu v počítači. (To jsou takové funkční součástky.) Nebo můžeme vycházet z reality. Máme tady třeba zrovna 3D skener, 3D kameru, a můžeme naskenovat Michaela. Michaele, usmívej se.
Filip: Učesat!
Josef Průša, vývojář projektu RepRap, student VŠE v Praze: A už ho tady vlastně máme, Jenom klikneme na export.
Filip: Tak Michael dopadl dobře. Seš si podobnej. Ale to nestačí. Co dál?
Josef Průša, vývojář projektu RepRap, student VŠE v Praze: Teď musíme nechat počítač spočítat ty vrstvy, kudy se ta hlava bude hýbat a jak bude ten objekt vytvářet. Tady na to máme free software, který je tedy taky open-source. Jen Michaela tady někde najdeme v té haldě souborů. Tak, už ho tady máme nařezaného, jsou tu krásně vidět ty vrstvy…
Michael: Už to začne.
Josef Průša, vývojář projektu RepRap, student VŠE v Praze: Tak a budeme tisknout Michaela.
Tereza: My jsme Michaelovo vytisknutí výrazně zrychlili a zkrátili. Ve skutečnosti 3D tisk jeho portrétu trval dvacet minut. I s Michaelovým delikátním nosíkem.
Michael: Vidíte to? To jsem já. Alespoň moje kopie. Totiž stejně tak, jak tiskárna umí
dělat kopie mne, taky umí dělat kopie sama sebe. Jak vidíte.
Tereza: Pod rukama zdejších nadšenců vznikají nejrůznější objekty. Konstruktéři zatím musejí bojovat s některými nedokonalostmi svých mašinek. Ale vývoj probíhá závratnou rychlostí.
Filip: Vrstvičky jsou stále tenčí, tiskárny mohou vytvářet stále menší detaily. Vyvíjejí se také nové materiály, použitelné pro tisk.
Tereza: Už dnes se tiskne třeba i z kukuřičného škrobu. Takové objekty jsou pak snadno rozložitelné!
Filip: Tiskne se už i z keramiky a z kovu. Mohou tak vznikat funkční elektrické obvody.
Tereza: A dokonce i text v prostorovém Braillově písmu pro nevidomé.
Filip: Pokud si chcete takovouhle mašinku doma, není problém. Stačí, když navštívíte tyto internetové stránky. Je pravda, že i zkušenému montérovi to trvá jeden den. Ale tam jsou popsány jednotlivé kroky a možná to zvládnete.
Michael: Anebo přijďte sem, …
Filip: …do Kulturního centra Vltavská v Praze.
Michael: Jsou tu každé úterý večer.
Tereza: A zítřek? Tiskárny, které budou vytvářet samy sebe. A jako naše DNA přitom opravovat vlastní chyby. Anebo z živých buněk tisknout funkční náhradní orgány pro lidské tělo!
Autoři: Vladimír Kunz, Michael Londesborough