IMPLEMENTACE 3D TISKU
pro tvorbu fyzických modelů reliéfu a povrchu
ÚVODNÍ INFORMACE
Autor: Radek Barvíř
Vedoucí práce: RNDr. Jan Brus, Ph.D.
Studijní obor: Geoinformatika a geografie
Místo a rok publikování práce: Olomouc, 2015
Katedra geoinformatiky, Přírodovědecká fakulta Palackého Univerzity v Olomouci
Práce se zabývá otestováním možnosti výroby fyzických modelů zemského reliéfu a povrchu pomocí 3D tiskárny Prusa i3. Jejím cílem je vytvoření postupu převodu výškopisných dat na fyzický model, nalezení vhodných nastavení pro toto specifické použití 3D tisku ověřené na několika modelech vytvořených z dostupných dat, jako jsou DMR 4G, DMR 5G, DMP 1G, NASA SRTM a ASTER GDEM. Dalším cílem práce je otestování možnosti výroby modelu složeného z několika částí na případu velkého modelu České republiky v měřítku 1 : 700 000. Na modelech je také testována možnost přidání textu a jiných kompozičních prvků mapy.
Předzpracování dat proběhlo v softwaru ArcGIS for Desktop 10.2 a ERDAS Imagine 2013. Výstupní rastr byl převeden na 3D objekt a upraven v modelovacím programu Rhinoceros 5. Pro rozřezání modelu na jednotlivé vrstvy a definici tiskových parametrů byla využita open-source aplikace slic3r. Ovládání tiskárny a finální korekce probíhaly za použití softwarů Pronterface a OctoPrint.
Výsledkem je celý postup práce od výběru a předzpracování dat přes vytvoření virtuálního 3D modelu použitelného pro metodu 3D tisku až po jeho vytištění ve formě navazujících kroků v použitém softwaru, dále vytvořená tisková nastavení a modely. Fyzické modely vzniklé během práce včetně složeného modelu České republiky jsou pak přiloženy jako přílohy stejně jako jejich digitální obdoby na nosiči CD. Přiložena jsou také vytvořená tisková nastavení.
CÍLE PRÁCE
Cílem práce je otestování nových možností 3D tisku při tvorbě fyzických modelů reliéfu a povrchu s využitím tiskárny Prusa i3. Praktická část bude zahrnovat práci nad reálnými daty (ASTER GDEM, NASA SRTM, DMR 4G, DMR 5G a DMP 1G). Výstupem práce bude několik 3D modelů a návrh optimalizace procesu tvorby modelu na uvedené tiskárně. Bude též provedeno testování možnosti tvorby většího modelu složeného z částí.
Mezi hlavní cíle tedy patří nalezení vhodné kombinace softwaru, která umožní zpracování běžných výškopisných dat do podoby 3D modelu vyrobitelného metodou 3D tisku technologií FDM a doplnění tohoto 3D modelu o další prvky, jako jsou např. text, měřítko a další kompoziční prvky mapy. Cílem práce je také vytvoření postupu práce zpracování dat, přípravy modelu pro tisk a samotného tisku modelů formou komplexního návodu určeného zejména pro další studenty a členy Katedry geoinformatiky pracující s tiskárnou Prusa i3.
Cílem tisku jednotlivých modelů pak je kromě vytvoření samotných výrobků také nalezení vhodných tiskových nastavení pro danou tiskárnu s důrazem na kvalitní, levnou, rychlou, a tedy i efektivní výrobu fyzických modelů reliéfu a povrchu, otestování tisku různých materiálů vhodných pro 3D tiskárny, jako jsou ABS, PLA či PET, a jejich barevných variant.
KAM DÁL?
- data – detailní výčet zdrojových výškopisných datových sad použitých pro výrobu modelů a jejich poskytovatelů
- software - popis použitých počítačových programů a jejich využití při procesu tvorby modelů a bakalářské práce
- tiskárna - představení využitého typu 3D tiskárny Prusa i3, jejích základních tiskových parametrů a výrobce
- postup - zjednodušený postup zpracování výškopisných dat do formy fyzického 3D modelu se schématem použitých nástrojů
- modely - tabulkovový výpis všech plánovaných, rozpracovaných i dokončených modelů s mapou lokalizace modelovaných oblastí
- galerie - fotogalerie dokumentující všechny úspěšně vytvořené modely přiložené k bakalářské práci formou volných příloh
- kontakt - kontaktní údaje na autora práce a Katedru geoinformatiky Univerzity Palackého v Olomouci, kde byla práce vytvořena
- summary - english summary describing the objectives of this thesis, the workflow and the software used in the process as well as the results
Data pro zpracování práce zapůjčil Zeměměřický úřad.
Celou textovou část bakalářské práce je možné zobrazit a stáhnou ve formátu PDF.
ZÁVĚR
Práce byla zaměřena na otestování možnosti využití 3D tiskárny Prusa i3 pro výrobu fyzických modelů reliéfu a povrchu. Hlavními cíli bylo vytvoření celého postupu převodu výškopisných dat do podoby reálného 3D modelu, nalezení vhodných tiskových nastavení a možností tiskárny zkoušených na výrobě různorodých modelů z dostupných výškopisných dat a následně vytvoření modelu České republiky v měřítku 1 : 700 000 složeného z několika částí. Tyto cíle byly v průběhu práce rozšířeny o nalezení vhodného způsobu přidání textu a kompozičních prvků mapy do modelu.
V prvotní fázi vypracování práce byla provedena rešerše současného stavu řešené problematiky a z několika možností byl vybrán vhodný software pro zpracování dat. Následně proběhlo shromáždění zdrojových dat a vytvoření prvních modelů z ABS materiálu. Tyto modely však mohly být vlivem specifických vlastností ABS materiálu vyrobeny pouze v omezené velikosti odpovídající polovičním horizontálním rozměrům oproti původnímu plánu 19x19 cm blížícímu se velikosti tiskové podložky.
Tisk z PLA pro výrobu větších modelů se s originální konfigurací tiskárny nedařil. Proto byly pro obě tiskárny zakoupeny nové extrudery s intenzivnějším chlazením podavače materiálu. Mezi tím probíhala příprava dalších modelů pro tisk včetně složeného modelu ČR. Pozornost byla zaměřena i na doplnění modelu o další kompoziční prvky tak, aby byly čitelné a zároveň minimálně narušovaly povrch modelu. První fáze celého procesu zpracování sestávala z převodu dat do rastrové podoby, jejich dalšímu předzpracování ve formě převzorkování, ořezání, shlazení nebo převedení do celočíselné podoby pomocí GIS nástrojů. Následně byl rastr v modelovacím nástroji Rhinoceros 5 převeden do podoby 3D tělesa s plochou podstavou vhodnou pro 3D tisk metodou FDM. Vzniklý základní 3D model pak byl doplněn o některé z dalších prvků, jako jsou titul, měřítko, tiráž, legenda, směrovka či hodnotové měřítko. Rozsah a způsob provedení těchto prvků se lišil v závislosti na konkrétním modelu. Složený model ČR zde byl také rozdělen na devět mapových listů. Výsledný model byl vždy exportován do formátu STL a načten do aplikace slic3r, kde došlo k nastavení parametrů tisku a převodu do souboru programovacího jazyka G-code. Ten byl následně pomocí aplikací Pronterface nebo OctoPrint po přípravě a kalibraci tiskárny vytištěn.
Rozpracovaný stav řešení problematiky, zejména postup zpracování dat a dosažené výsledky nízkonákladového 3D tisku, byl prezentován na konferenci GIS Ostrava 2015 – Surface models for geosciences v rámci příspěvku Coping with integrating low-cost 3D printing and surface models: A case study od Prusa i3.
Během únorové praxe v rámci bakalářského studia byla pozornost věnována vhodnému nastavení tiskových parametrů tak, aby výroba byla co nejrychlejší, nejúspornější a zároveň model byl dostatečně pevný a měl kvalitní povrch. Zahájena byla také výroba velkých modelů s rozměry základny do 18x18 cm, které se ukázaly jako maximální reálně využitelná tisková plocha. Během čtyř dnů nepřetržité denní výroby byl na jedné tiskárně vyroben i složený model ČR. Jeden z modelů byl připraven z materiálu PET. Zbylý čas byl věnován přípravě datového CD, webových stránek k bakalářské práci a zanesení metadat do Metainformačního systému Katedry geoinformatiky.
Hlavním výsledkem práce je detailní postup práce doplněný o konkrétní příklady, dosažené výsledky a jejich fotografie, který umožní zejména studentům geoinformatiky porozumět způsobu přípravy a výroby fyzických modelů metodou 3D tisku. Model ČR i některé další výrobky mohou sloužit při výuce, provádění jednoduchých analýz, vizualizaci území, nebo pro reprezentaci katedry při různých popularizačních akcích.
© Radek Barvíř 2014-2015