Aplikace 3D tisku pro tvorbu architektonických modelů

V architektonické tvorbě se i v současnosti stále uplatňuje výroba prostorových modelů, ať už se jedná o formu modelového projektování, nebo součást výstupu (zejména ve fázi studie), kdy fyzický model doplňuje vizualizaci. Vizualizace má nespornou výhodu v možnosti vytvoření mnoha barevných a materiálových variant pro totožný 3D počítačový model. Stále se však jedná pouze o 2D výstup, který může být nesrozumitelný a zavádějící (často dokonce cíleně). Naproti tomu fyzický model je bezesporu pro veřejnost čitelný stejně dobře jako pro odborníky i tvůrce samotného. Tvorba originálních fyzických modelů z tradičně používaných materiálů (papír, balza, dřevo, polystyren a jejich kombinace) je však časově i materiálově náročná a výsledkem bývá obvykle pouze jediný exemplář bez možnosti jednoduché replikace.

3D tisk jako moderní nástroj výroby modelů
Rozvoj v oblasti 3D tisku je v posledních letech relativně dynamický a předpokládá se, že počet uživatelů 3D tiskáren ještě výrazně poroste. Tvorba architektonických modelů představuje pak určitě jednu z možností praktického využití této technologie, která má svoje upotřebení už v současné době. Na rozdíl od tradičních pracovních postupů umožňuje tato technologie replikaci neomezeného množství modelů, možnost výroby kdekoli na světě a nastavení libovolného měřítka podle aktuální potřeby při použití stále stejného počítačového souboru.

Nevýhodou může být cena tiskového materiálu, která tvoří v porovnání s tradiční výrobou (papír, balza, polystyren) mnohem významnější složku celkových nákladů na výrobu modelu. Naopak cena práce architekta na modelu (a její podíl na součtu nákladů) klesá s každým dalším vyrobeným duplicitním modelem. Z uvedeného jasně vyplývá výhodnost takového postupu, zejména u modelu, který se skládá z více stejných částí - například urbanistické zpracování lokality s větším množstvím stejných domů.

Dobré uplatnění nachází 3D tisk při výrobě stafáže - zejména modely lidí v měřítku 1 : 100
jsou jinou technikou velmi náročné na ruční výrobu; čím menší osoby totiž potřebujeme do okolí umístit (například děti), tím se stává práce obtížnější, až téměř nemožná v rámci možností kanceláře nebo školní výuky.

Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích se snaží sledovat nejnovější trendy v různých oblastech. Pro výzkumné, studijní, ale i komerční využití se v ní používá tiskárna 3D Touch 3D printer s tiskovým prostorem přibližně 250 x 250 x 250 mm.

Tvorba 3D počítačového modelu
V současné době se stále více rozvíjí navrhování a projektování ve 3D prostoru, je však potřeba upozornit, že ne každý model lze jednoduše tisknout. Záleží nejen na použitém softwaru, správném uložení souboru do kompatibilního formátu, ale často i na konkrétním postupu modelace. Výrobci 3D tiskáren dodávají spolu s tiskárnou také programové vybavení pro její obsluhu a načítání 3D modelů (souborů v různých formátech - dobře použitelné jsou například soubory ve formátu STL). Tyto programy však často nejsou schopny upravit vygenerovaný soubor do tisknutelné podoby, pokud byl model vytvořen za jiným účelem (vizualizace) a nebyl brán zřetel na požadavky tisku. Pro potřeby vizualizace lze použít i model, který vykazuje nepřesnosti, je složen z mnoha částí apod. Model pro úspěšný import k tisku musí být celistvý, mít správné měřítko, všechny konstrukce musí být tvořeny objekty (nelze akceptovat sdružení ploch, nebo dokonce čar).

Výhodné je tedy modelovat požadovanou konstrukci (dům) od počátku s ohledem na možnosti a omezení konkrétní technologie 3D tisku - v takovém případě se omezíme na finančně dostupné domácí a poloprofesionální tiskárny, které pracují na principu tavení plastového drátu (z materiálu ABS, PLA). Při modelování domu je potřeba zvážit budoucí vzhled modelu, požadavky na jeho rozebíratelnost, případně kompaktnost, požadavky na dodatečné úpravy, cenu spotřebovaného materiálu a prostorové možnosti dané tiskárny - obvykle je tiskový prostor běžně dostupných zařízení krychlový s hranou 200-300 mm, už v menších měřítcích je tedy často potřeba rozmýšlet vhodné rozdělení modelu na více tiskových souborů. Tiskárna tvoří součást procesu řízeného počítačem, i v tomto případě platí, že možné je téměř vše, ale je potřeba úkoly správně definovat, aby se výsledkem práce nestal drahý a nevzhledný model.

Generovaný model, potřeba tiskových podpor
Uvažovaný druh tiskárny vytváří model postupným nanášením velmi tenkých vrstev - podkladní deska se vždy po nanesení jedné vrstvy v ploše posune o úroveň níže a celý proces se opakuje, tisková hlava tedy zůstává stále ve stejné výškové poloze. V počáteční úrovni není tedy tvar nijak omezen, přechod na další úrovně však nemá být více než pod úhlem 45? (maximálně 30?). To však neznamená, že by bylo možné bez použití podpor vytvořit například obrácenou pyramidu, je potřeba také uvažovat určitý podíl podstavy v poměru k celému modelu. Bez použití podpor lze tedy vytvářet jen omezené tvary konstrukcí - výhodou je však nulová potřeba úpravy modelu po dokončení procesu tisku. Pro vyhotovení vodorovných konstrukcí ve vyšších vrstvách (například nadpraží, stropy atd.) je zapotřebí použít tiskových podpor, které se po dokončení tisku mechanicky (ručně) vylámou.

Laboratoř VŠTE je také vybavena ultrazvukovou odstředivkou, která může za splnění určitých podmínek (například použití průhledného plastu) odstranění podpor zajistit. Tyto podpory generuje software dodaný k tiskárně a není je tedy potřeba pracně ?vymýšlet?. Nevýhodu použití podpor při tisku představuje ztráta materiálu a nutnost dočištění modelu po jejich odlomení - čím je tedy model drobnější, tím větším problémem se stává jeho dočišťování. Z uvedeného plyne, že se musí uvažovat o výrobním procesu již při modelaci domu v návrhovém softwaru, tak aby výsledný model co nejvíce odpovídal požadavkům. Není nezajímavé, že vytvořené podpory v generovaném modelu v podstatě odpovídají budoucí potřebě podepření konstrukcí v reálném stavebním procesu. Pokud nezadáme generování podpor, přestože jsou potřeba, model se může částečně zhroutit.

Závěr
Výroba architektonických modelů pomocí technologie 3D tisku v prostředí jednotlivých kanceláří nebo školních zařízení je v současné době možná, i když s sebou nese určité problémy a omezení. Pro potřeby výuky lze pak rozšířit využití mnohem dále než jen pro architektonické modely. Jednoznačnou výhodu představuje možnost vyrobit větší množství modelů, přitom účast architekta (nebo jiného odborného modeláře) je potřebná pouze u prvního originálního kusu (vytvoření původního tiskového souboru), samotná výroba pak už probíhá automaticky (pouze formou provozní obsluhy tiskárny). Jako problematická se jeví cena tiskového materiálu, zvláště citelná u velkých modelů (s vyšší hmotností), náročnost celého procesu (zejména uspokojivé vytvoření tiskového modelu), kdy je potřebné získat zkušenosti nejen s tvorbou modelů, ale i se samotnou obsluhou tiskárny. Lze tedy předpokládat, že masivní rozšíření technologie bude záviset zejména na vývoji ceny nejen zařízení pro tisk, ale i tiskového materiálu.

Autor:
Ing. Martin Kovář
asistent na VŠTE v Českých Budějovicích a student postgraduálního studia na Fakultě arcihtektury ČVUT v Praze