Výroba reliéfních krajin na 3D tiskárně je efektní a jednoduchá | Dnes si to vyzkoušíme s modelem AW3D30 | Všechno za nás udělá webová aplikace od geografů z Iowy

S nebohým Českem jsme už na Živě.cz provedli hromadu nepěkných věcí. Nejprve jsme jej zatopili oceánem a z Prahy udělali hlubokomořský příkop, no a později z jeho mapy smazali úplně všechno až na české, moravské a slezské hřbitovy. A protože jsme země hřbitovů, nakonec to skoro nebylo poznat.

Biblická potopa Česka! Co se stane, když nás zatopí oceán

Dnes si naši republiku opět vezmeme na paškál, celou ji totiž vytiskneme na barevné 3D tiskárně! Vyrobíme si model reliéfu republiky ve formátu STL, který snadno zpracujeme v jakémkoliv řezacím softwaru pro 3D tisk počínaje Ultimaker Cura a konče tuzemským PrusaSlicer.

Máte raději video? Podívejte se na videočlánek o tisku České republiky:

Mapu Česka pro 3D tisk vyrobí TouchTerrain

Hotové dílo jsme vám nedávno představili v Týdnu Živě a dnes si prakticky ukážeme, co tomu všemu předcházelo. Vlastně to není žádná věda, s tvorbou výškového modelu zemského povrchu ve formátu STL pro 3D tisk nám totiž pomohla webová stránka TouchTerrain.

Mimochodem, nemusíte tisknout hned celou republiku. Stejně tak si můžete nechat vygenerovat třeba výškový model Řípu, masivu Krkonoš anebo třeba Mallorky.

Třicetimetrový výškový model ALOS World 3D

Na mapě se nejprve přesuneme nad oblast zájmu – v našem případě tedy nad Českou republiku – a v roletce Terrain Settings v pravém panelu zvolíme vhodný výškový model, který aplikace použije k vytvoření terénu. Jelikož chceme mít republiku v nejvyšším možném detailu, nabízí se v podstatě jen model AW3D30 (ALOS World 3D), který obsahuje terénní výšková data (bez budov a vegetace) pro celý svět v rozlišení 30 metrů.

Tvar České republiky

V dalším kroku vybereme oblast zájmu, která bude představovat půdorys tiskového objektu. Když klepnete v roletce Area Selection Box na tlačítko Re-center box on map, uprostřed mapy zobrazí červený obdélník, který můžete přemístit a upravit jeho rozměry.

V roletce je nicméně ještě volba Optional Polygon KML file, pomocí které můžeme do webové aplikace nahrát vlastní soubor ve formátu KML, který bude obsahovat hranice s libovolným tvarem.

Kde ho vzít? Začátečníci mohou ručně obkreslit a exportovat kýženou oblast třeba v desktopovém programu Google Earth, no a zkušení domácí mapaři si tuzemské hranice v KML vygenerují třeba z bezplatných vektorových dat ČÚZK pomocí kartografického softwaru QGIS.

Nebojte se, vše jsme už udělali za vás, takže mírně zjednodušený tvar Česka v KML stáhnete z této adresy

Korektně nahraný polygon se poté v mapě zobrazí žlutou barvou.

Parametry tiskového modelu

Fajn, takže výškový model a půdorys máme a teď ještě ten model v STL. K přípravě tiskového modelu slouží roletka 3D Printer Options. Nastavíte zde rozměry tiskového objektu v milimetrech pode šířky (Width) a opravdu velké modely, které by se nevešly na tiskovou desku, můžete dokonce rozdělit (Tiles to print) a po vytištění je třeba slepíte.

Dále nechybí konfigurace tloušťky základny (Model Base thickness), na které se bude tisknout samotný reliéf. Ve výchozím stavu je to rovný milimetr, můžete ji ale navýšit až na 5 mm. Pokud budete tisknout s tryskou o jiném průměru než 0,4 mm (standardní velikost pro domácí tiskárny), nezapomeňte ji vybrat v parametru Nozzle diameter. Aplikace to vezme v potaz a některé detaily reliéfu pak mohou vypadat lépe.

Umělé zvýšení terénu

Nejdůležitějším parametrem je Vertical Exaggeration (Z-scale). Je to vlastně měřítko výšky terénu. Když jej ponecháte na výchozí hodnotě 1, terén bude prakticky odpovídat realitě, ale náš tiskový objekt bude příliš plochý.

Když naopak hodnotu zvýšíte třeba na desetinásobek (×10), reliéf se protáhne do výšky a Krkonoše už budou mít na tiskovém modelu vůči základní rovině výšku několika milimetrů. Hotová mapa pak bude pěkně plastická.

Správná výška modelu a tloušťka tiskové vrstvy

Výšku reliéfu volte podle toho, jakou tloušťku vrstvy nastavíte při samotném tisku. Dejme tomu, že terén naší republiky bude mít včetně základny tloušťku 5,29 milimetrů. Kdybyste spěchali a zvolili hrubou tiskovou kvalitu s tloušťkou vrstvy 0,3 mm, na celý výškový profil od moravských úvalů po vrchol Sněžky to dělá jen 18 tiskových vrstev, ve kterých se ztratí mnohé reliéfní detaily.

Když ale zvolíte detailní tisk s tloušťkou vrstvy 0,1 mm, rázem získáme rozlišení terénu na 52 vrstev! Nutno ale podotknout, že nám také dramaticky poskočí doba tisku a tiskárna musí mít perfektně seřízenou rovinu.

Máme hotovo, teď už jen stačí klepnout na zelené tlačítko Export Selected Area and Download File a spustí se samotný výpočet, na jehož konci si budete moci stáhnout balíček ZIP. Podle nastavených parametrů a samozřejmě geografické i fyzické velikosti modelu to může zabrat desítky sekund až celé minuty.

Tiskový materiál za nás bude měnit MMU2S

Fajn, model máme, takže ho pojďme vytisknout. Jednobarevný tisk zvládne každý, ten multimateriálový je už otázkou konkrétní platformy. Mnohé mašiny podporují G-CODE instrukci pro ruční výměnu tiskové struny, při které se pozastaví tisk, my ale využijeme automatického výměníku MMU2S pro mašinu Prusa MK3S+.

Samotné nařezaní 3D modelu do formátu G-CODE pro CNC stroje z tohoto důvodu provedeme v českém PrusaSlicer od téhož výrobce.

Barevný 3D tisk: Od milionového PolyJetu po český MMU2S za pár tisíc korun

Řežeme model

Podle návodu výše jsme vyrobili model o šířce 160 mm a s 10× umocněním osy Z, takže republika bude mít v nejvyšším bodě výšku 5,29 milimetrů. Do těchto 5,29 milimetrů se musejí vejít vedle základny také všechny terénní detaily, a tak budeme tisknout s tloušťkou vrstvy 0,1 mm. Hotový výrobek se díky tomu bude skládat z 52 tiskových vrstev.

Pokud bychom chtěli více vrstev, musíme model zvýšit. Buď v samotném generátoru navýšením koeficientu Vertical Exaggeration (Z-scale), anebo přímo v řezacím softwaru. Jen je třeba zrušit zachování poměru stran, aby se nám nezvětšily i horizontální rozměry modelu.

Když nyní model nařežeme na jednotlivé tiskové vrstvy, náhled nám odhalí, že stále přijdeme o hromadu detailů. Je třeba si uvědomit, že domácí FDM/FFF tiskárna vyrábí model nanášením roztaveného vlákna plastu právě vrstvu po vrstvě, takže nejen že přijdeme o detaily ve výšce dané tloušťkou vrstvy, ale samozřejmě i v rovině, protože tryska má své limitní rozlišení v osách X a Y dané jejím průměrem.

Přesný model vyrobíte na MSLA

Kdybychom chtěli docílit vyšší přesnosti (při zachování rozměrů), která bude prakticky odpovídat vstupnímu modelu v STL, museli bychom změnit tiskovou trysku z průřezu 0,4 mm na 0,2 mm, nebo dokonce 0,1 mm (pokud to tiskárna umožňuje).

Druhou možností je náhrada FDM/FFF 3D tiskárny za některou z cenově dostupných stereolitografických mašin (MSLA), které dosahují ještě o řád vyššího detailu.

V redakci máme model Prusa SL1S Speed, a tak si republiku pro srovnání vyrobíme i na tomto stroji. Díky extrémní tiskové kvalitě bude výrobek vypadat opravdu jako z průmyslového vstřikolisu.

Podívejte se na náš MSLA 3D tisk na různých mašinách:

Vytiskli jsme si cukrářská razítka a upekli luxusní vánoční cupcaky jako od profíka

MSLA tiskárna Anycubic Photon Mono X: Zhmotní kostku, kterou na klasické 3D mašině nevyrobíte

Video: Vytiskli jsme velikonoční vajíčka na stereolitografické 3D tiskárně SL1

Barevná škála z českých termoplastů PLA

Protože budeme model tisknout na mašině Prusa MK3S+ s automatickým výměníkem MMU2S, v PrusaSliceru rovnou nastavíme výškové hladiny, ve kterých stroj změní tiskovou strunu, abychom simulovali různé odstíny ze školních atlasů. Budeme tisknout ze základní termoplastické hmoty PLA, která je vhodná na drobné detaily.

Naše stupnice bude následující (od nížin po hory):

  • Zelená, Prusament Simply Green PLA
  • Zelenožlutá, Filament PM Fresh Lime
  • Žlutá, Filament PM Banana Yellow
  • Růžová, Filament PM Bubblegum Pink

Používáme PLA výhradně od českých výrobců, přičemž terén velmi dobře vynikne zejména na jemných pastelových barvách bez odlesku.

Není to přesné jako z atlasu

Samotné barevné předěly určíme podle citu. Tmavě zelený odstín jsme použili pro ty nejnižší oblasti v povodí Moravy a Labe. Zelená postupně přejde do zelenožluté, žlutou si necháme pro střední výšky a růžovou konečně pro vrcholky vrchovin a hraničních hor.

Jak už jsme si řekli výše, náš model je nepřesný. Nepřesnost je dána už na začátku hrubým výškovým modelem a posléze přepočtem na tiskový model. Kvůli malým rozměrům se nám tak ztratí třeba kaňon Labe na Děčínsku.

Při tiskovém rozměru republiky okolo 16 centimetrů je prostě už natolik úzký, že se slije do Krušných hor. Ačkoliv je tedy právě on zdaleka nejnižším bodem republiky, nebude vybarvený tmavě zelenou.

Po šesti hodinách hotovo

A to je celé. Teď už nám zbývá jediná věc. Musíme se obrnit trpělivostí, maličká barevná republika se nám totiž bude s 0,4mm tryskou a 0,1mm tloušťkou vrstvy vyrábět dobrých 6,5 hodin!

6,5 hodin v 31 sekundách:

Další hotové modely nejen pro děcka do zeměpisu najdete v katalogu Printables:

  • Terénní model republiky od Ondřeje Stříteského
  • Slepé mapy Česka od Fabiana
  • Mapa krajů Česka
  • Obrysová mapa Česka
  • A další mapy

Poznámka pod čarou: Mimochodem, díky tomu, že tiskneme v libovolných barvách dle vlastního vkusu, přirozenou škálu barev ze zeměpisných atlasů můžeme nahradit a simulovat třeba opět tu naši biblickou potopu z úvodu článku.

Zatopené Polabí a moravské úvaly pomocí modrého tiskového termoplastu je efektní. Když jej skutečně držíte v rukou, nevyrovná se tomu žádný softwarový povodňový model na monitoru počítače.

Přečtěte si také: