Vzdělávání zrakově hendikepovaných s využitím 3D tisku

Konference Elixír do škol mi umožnila prezentovat aktivity, jež jsou mimo jiné podporovány střediskem Teiresiás, a jsou i součástí projektu Kvalita v inkluzi žáků se SVP. Jedná se o podporu výuky prostřednictvím technologií využívaných pro tzv. 3D tisk. Nemálo zkušeností jsem nabyl v rámci Centra kolegiální podpory na Gymnáziu Nad Alejí, kde 3D tisk při výuce zrakově hendikepovaných stále více nalézá uplatnění.

Avšak mnohem více zkušeností mám s astronomickým vzděláváním osob se zrakovým hendikepem, během něhož se mi technologie používané pro 3D tisk daří uplatňovat v neočekávané míře. Z toho důvodu jsem si pro Elixír do škol zvolil téma (dílnu) „3D tisk v astronomickém vzdělávání nejen osob se zrakovým postižením“.

Během dílny se účastníci mohli seznámit s hrubými základy tematického 3D tisku; mně odhalili některé důležité body týkající se uplatnění 3D tisku ve školách.

3D tisk

3D tiskem myslíme tzv. aditivní (tzn. přídavnou) výrobu, také se někdy setkáváme s pojmem additive manufacturing (AM), oblastí kterou se mj. zabývá ISO (International Organization for Standardization) v normě ISO/ASTM 52900 (Additive manufacturing – General principles).
Pojem „tisk“ je nepřesný, vhodnější by bylo hovořit o postupu syntetizace (slučování, uměle vyráběném). Nicméně výraz „3D tisk“ respektujme jako neformální konsensus aktuálního svébytného proudu popkultury. Byť lze sledovat i negativní důsledek takové nepřesnosti v přílišném srovnávání „3D tisku“ s tiskem na papír, jak ho známe například kancelářskými tiskárnami – hlouběji nezasvěcení si 3D tisk idealizují na „pouhé zmáčknutí tlačítka a doslova očekávají produkt do několika minut (tak dalece 3D tisk ještě nepokročil).

3D tiskem vytváříme trojrozměrné (zpravidla ve smyslu rozměrů kartézské soustavy souřadnic) objekty na základě digitálního vstupu – additive manufacturing file (AMF) – robotem „3D tiskárnou“.

Typy 3D tiskáren

Typů 3D tiskáren je značné množství a nalézáme je pod různými označeními:

  • FFF / FDM – Fused Deposition Modeling: Termoplastický materiál je tavnou tryskou nanášen vlákno vedle vlákna, až vznikne vrstva. Postupně je nanášena vrstva za vrstvou, až vznikne objekt.
  • SLA – Stereolithography: Vrstva tekuté fotosenzitivní pryskyřice je vystavena UV laserovému paprsku. Objekt je budován vrstvu po vrstvě – každá vrstva je vlivem UV světla vytvrzena.
  • DLP (SLA?) – Digital Light Processing: Na rozdíl od SLA vytvrzuje pryskyřici s pomocí digitálního projektoru a UV světla. Bliká obrázky celých vrstev na dně nádrže s pryskyřicí. Světlo je selektivně řízeno za pomoci mikrozrcadlového zařízení (stovky tisíc malinkých zrcadel – DMD).
  • LCD (SLA?) – Bliká také kompletní vrstvy na dně nádrže s pryskyřicí, na rozdíl od DLP UV světlo pochází z řady LED, které prochází přes LCD (obrazovka slouží jako maska, propouštějící jen pixely potřebné pro danou vrstvu).
  • SLS – Selective Laser Sintering: Obdoba SLA, ale místo tekuté pryskyřice je použit práškový materiál, který je spékán laserovým paprskem. „SLS“ se spíše používá pro slinování plastů, SLM (Selective Laser Melting) pro slinování kovů.
  • EBM – Electron Beam Melting – navařování materiálu (prášek, drát) roztaveného působením elektronového paprsku.
  • LOM – Laminated Object Manufacturing: lepené vrstvení plastových, papírových či kovovových laminátů postupně tvarovaných nožem či laserem.
  • BJ – Binder Jetting: tryskání pojiva; tekuté pojivo je nanášeno vrstva za vrstvou pro spojení práškového materiálu (kovy, keramika aj.).
  • MJ – Material Jetting: nanášení tryskáním; selektivní ukládání kapiček materiálů (polymery, vosky).
  • … Mohli bychom dále zmínit 3D tiskárny pro specifické účely: vyhotovování tělesných prvků (orgánů, kůže aj.), silnic, domů, jídla atd.

Populárními se staly 3D tiskárny FFF / FDM, které pro svou rozšířenost lze považovat za domácí 3D tiskárny. Velmi populárními se staly také DLP či LCD 3D tiskárny, jejichž zastoupení mezi lidmi je podstatně menší než FFF / FDM.

I pokud bychom se soustředili jen na FFF / FDM, DLP či LCD 3D tiskárny, zjistíme značné množství výrobců i distributorů, jejichž produkce jsou různě kvalitní a přinášející netušená rizika – pod marketingovým tlakem či podceněním racionálního výběru i škola může pořídit 3D tiskárnu:

  • Příliš hlučnou.
  • Příliš nebezpečnou:
    • Požár.
    • Poškození zdraví: elektrickým proudem, mechanickými součástmi, popálením, poleptáním, poškozením zraku UV zářením, inhalací různých organických těkavých látek (Volatile Organic Compounds, VOC).
    • Z dlouhodobějšího hlediska příliš provozně drahou: náklady na opravy či upgrady, závislost na jednom výrobci materiálů, rychlé zestárnutí 3D tiskárny aj.

Zájemce o 3D tiskárnu by měl volit pořízení 3D tiskárny kvalitní, zvážit všechna pro a proti a více než na rady samotných producentů 3D tiskáren dát na rady zkušenějších nezávislých 3D tiskařů. Zvolí-li dobře, pak ho čeká zajímavá cesta procesem 3D tisku.

Pro těžce zrakově hendikepované na trhu k dispozici není jednoznačně přístupná 3D tiskárna; jistě si lze představit, že by i zcela prakticky nevidící člověk 3D tiskárnu ovládal (osobně znám několik takových lidí), avšak tito lidé patří spíše mezi výjimky, navíc většinou o zrak přišli až poté, co získali nemalé technické dovednosti alespoň v oboru blízkém (například ve strojírenství, informačních technologiích). Nicméně v České republice postupně vzniká, za podpory Světlušky – Nadačního fondu Českého rozhlasu a střediska Teiresiás (MUNI), služba, která má umožnit zrakově hendikepovaným 3D tisk prostřednictvím 3D tiskařské služby, v současnosti hostované v rámci širšího projektu Nesmír.

Proces 3D tisku

3D tisk obnáší 3 základní kroky: 1. příprava digitálního vstupu, 2. 3D tisk, 3. dokončení. Každý z těchto kroků je specifický pro použitou technologii. Protože postupy pro samotný 2. 3D tisk a 3. dokončení se velmi liší podle použité 3D tiskárny, dále se zmíním pouze o přípravě digitálního vstupu.

Příprava digitální vstupu

Digitální model pořizujeme nejčastěji ze sdíleného úložiště, CAD (computer aided design – počítačem podporované navrhování), 3D skenováním.

Ze sdíleného úložiště

Sdílených úložišť je hodně – postupně je doplňujeme na www.nesmir.cz/3d/dalsi-zdroje-3d-modelu, kde je členíme na specializovaná úložiště, všeobecná úložiště, všeobecné vyhledavače, všeobecné obchody. Velmi mnoho modelů lze získat zdarma, jiné nikoliv. Rizika použití 3D modelů pořízených ve veřejných úložištích, vyplývající také pro školy, jsou:

  • Porušování autorských práv. Na každý i sdílený model se vztahují konkrétní autorská práva, která někdy mohou zájemci bránit zcela volnému užití.
  • Není zaručena kvalita modelů. Snadno lze narazit na modely diletantů, polotovary či jinak pro výuku zcela nevhodné.

Různá sdílená úložiště jsou zrakově hendikepovaným komplikovaně přístupná, z podstaty hendikepu jim obrazové náhledy jsou skryty, textové informace mohou být nedostatečné, tak jsou obvykle odkázaní na pomoc vidících lidí. Přesto k dispozici jsou také kvalitní veřejné zdroje 3D modelů – patří mezi ně například NASA 3D Resouces, A Touch of the Universe, Embodi3D, The British Museum a řada jiných.

CAD (computer aided design – počítačem podporované navrhování)

Je-li uživatel znalý v oblasti počítačového 3D navrhování, tak má poměrně velkou svobodu ve své tvůrčí činnosti. Na druhou stranu takové 3D navrhování nemusí vyhovovat každému – je obvyklé, že grafik pro takovou svou práci používá i několik desítek různých programů, z nichž mnohé sice jsou zdarma, ale nemusí dostačovat jakékoliv tvorbě. Navíc mnohá 3D tvorba vyžaduje zvýšené požadavky na počítač, jehož cena někdy výrazně převyšuje cenu 3D tiskárny.

Učitele lze bez obav odkázat na program OpenScad, který je zdarma, umožňuje tvorbu mnoha zajímavých objektů, navíc i ze strany učitelů má nemalou podporu (Doporučuji dvě publikace od autorů Horvath, Joan, Cameron, Rich: 1. 3D Printed Science Projects: Ideas for your classroom, science fair or home, 2. 3D Printed Science Projects Volume 2: Physics, Math, Engineering and Geology Models).

3D skenováním

Skenování různých reálných objektů patří mezi čím dál oblíbenější způsoby pořizování digitálního 3D modelu. Tvůrce by se měl vyhnout nekvalitním (a zpravidla levným) skenerům, jež jsou pro potřebnou praxi nepoužitelné. Střední třída skenerů, kterou lze s úspěchem využít také pro učitelskou praxi, začíná na desetitisících Kč, pro lepší výsledky je nutné pořídit skenery minimálně okolo jednoho sta tisíc Kč. 3D skenování také vyžaduje práci se speciálním SW, čímž je opět kladen důraz na nemalou 3D grafickou zdatnost.

Fotogrametricky

Pořídit model cestou fotografie sice vyžaduje jistou trpělivost, nicméně přináší někdy překvapující výsledky. Domnívám se, že i pořízení lepšího SW pro zpracování fotografií nemusí být příliš drahé – například Agisoft Photoscan Profesional. Je vhodné mít kvalitnější digitální fotoaparát, čímž se cena navyšuje. K dispozici je několik mobilních aplikací pro fotogrametrickou tvorbu – ty však zatím nepřinášejí zásadní uspokojivé výsledky.

Modely získané fotogrametricky či 3D skenováním obsahují mnoho chyb, které je nutné před dalším použitím ošetřit. CAD modely obsahují chyb minimum anebo prakticky žádné.

Fotografie stojánku

Obrázek 1. Slabozrakým se hodí stojánek pro mobilní lupu vytištěný na 3D tiskárně [1]

Mezi učiteli se vzácně nalézají jedinci, jejichž počítačová zdatnost je nadprůměrná; na druhou stranu je mezi učiteli stále docela hodně těch, jejichž počítačová gramotnost je velmi nízká, někdy prakticky nulová. Stále více se však setkávám s učiteli, kteří se i pro téma navrhování 3D modelů dokáží nadchnout a tvořit zajímavou produkci.

Je-li učitel schopen 3D model navrhovat (či upravovat naskenovaný objekt), v případě pomůcek určených pro prakticky nevidomé musí myslet na některá základní doporučení pro ztvárňování informací pro vnímání hmatem (částečně je možné vycházet z principů pro tvorbu taktilní grafiky například dle Jesenského [2, str. 25]):

  • větší důraz na bezpečnost (oproti taktilní grafice): mechanická zranění (ostré hrany, příliš špičaté objekty), cizí tělesa v kůži (nevhodné opracování), příliš malé objekty (vdechnutí), ne/potravinový materiál, …,
  • princip lakoničnosti: informačně a funkčně nepodstatné detaily do díla nezahrnujme (např. někdy nezobrazujeme detaily architektury – okna, antény, odlesky, …),
  • akcentace základních prostředků smyslového podráždění: zvýrazňujme informačně důležité části díla (např. Saturnův prstenec, struktura kráteru),
  • zvýraznění struktury: zvýrazňujme podstatné prvky, které určují strukturu díla (např. zvýraznění tvaru galaxie, křivky zdůrazňující pohyb),
  • osamostatnění: oddělujme relativně nezávislé informace (např. řez planetou zobrazující její strukturu, oddělení popisků, …, ale klidně i zcela osamostatnit znázornění dráhy planety, komety, …),
  • zobecnění a unifikace: dílo racionálně zobecňujme, používejme značky a symboly pokud možno unifikované (např. jasnost hvězd (od do) v podobě různě velikých kotoučků),
  • princip fázovosti: haptizujeme-li nějaké procesní informace, dostatečně vyjadřujme jednotlivé fáze (např. Manhattan před a po 11. září 2001, fáze zatmění Slunce, …),
  • využívání běžných asociací, stereotypů a mnemotechniky: je-li to možné, navozujme přirozený vztah mezi dílem a realitou (Slunce má vyšší teplotu než planety, hvězdy viděné pozorovatelem ze Země jsou na pomyslné sféře, …).

Obrázek vysokého reliéfu SLuneční soustavy

Obrázek 2. Mezi nevidomými oblíbený vysoký reliéf Sluneční soustavy [3]

Školám a dalším vzdělávacím institucím zabývajícím se vzdělávání zrakově hendikepovaných chceme v rámci www.nesmir.cz/3d/ postupně vyjít vstříc, umožnit jim značnou část procesu 3D tisku přeskočit a získat pomůcku, v tom nejoptimálnějším případě na pouhé kliknutí. Již dnes 3D tiskem vyhotovujeme pomůcky třeba pro hvězdárny a planetária či vybraná gymnázia.

Výstupem práce grafika je 3D model – soubor, obvykle ve formátu STL (ale používají se i jiné, například 3MF). Do přípravy digitálního vstupu také patří uzpůsobení vytvořeného digitálního 3D modelu pro samotnou 3D tiskárnu. To nejčastěji probíhá tzv. slicováním (slice = plátek, řez), kterým je 3D tiskárně sdělováno, v jakých vrstvách, jak rychle, za jakých teplot atd. 3D tisk samotný má probíhat. Výstupem slicování obvykle bývá (ale nemusí to být vždy) GCODE soubor. Slicování je prováděno v programu pro to určeném (např. Slic3R) a bývá dodáván s 3D tiskárnou.

Shrnutí

3D tisk přináší pro školu určitá rizika, která nejsou běžně diskutována a nemusí se týkat jen rizik finančních. O rizicích souvisejících s 3D tiskem je zapotřebí informovat (zvláště zdraví je zapotřebí chránit), protože děti, učitelé (a další zaměstnanci školy), žáci, studenti, … si je málokdy plně uvědomují.

Nicméně 3D tisk nám otevírá dříve netušené možnosti nejen v případě astronomického vzdělávání osob se zrakovým hendikepem. Získané poznatky postupně přenášíme na další pomůcky, jejichž tvorba sama o sobě je mnohdy fascinující. Hmatové 3D modely ve výuce oceňují nejen zrakově hendikepovaní, ale též ostatní studenti.

Proto 3D tiskem buďme nadšení, ostatně je velmi užitečný zvláště pro výuku nevidomých, vytvářejme však povědomí nejen o kladech, ale i o možných záporech.

Literatura


Elixír do škol

Článek byl převzat ze sborníku z dílen konference Elixíru do škol (vydavatel Matfyzpress).



3D tiskAPIVNesmír


Petr Dušek
Petr Dušek
Petr několik let pracoval na úchvatné pozici pozorovatele meteorů v Oddělení meziplanetární hmoty Astronomického ústavu Akademie věd ČR. V současnosti se úspěšně zabývá SW vývojařinou, zejména na úrovni zajištění kvality, testování, bezpečnosti a to primárně v oblasti komerčního sektoru.