Teoretycznie, pod względem potencjału, technologie przyrostowe mogą doskonale sprawdzić się przy produkcji makiet architektonicznych, z powodzeniem zastępując tradycyjne, ręczne metody ich wykonywania. W rzeczywistości ten temat jest bardzo złożony, a kluczowym wyzwaniem stojącym przed architektami jest odpowiedni sposób projektowania modeli oraz ich optymalizacja pod kątem druku 3D. Wśród firm świadczących usługi oparte o druk przestrzenny często powtarza się scenariusz, gdy otrzymują one pliki, które kompletnie nie nadają się do wydrukowania, z kolei osoby lub firmy zlecające wydruki nie mają ani wiedzy jako to naprawić, ani pieniędzy, żeby zapłacić za to komuś, kto wie jak to zrobić?
Inspiracją do napisania tego artykułu była niedawna dyskusja na forum RepRapy.pl, gdzie jeden z użytkowników zwrócił się o pomoc w przygotowaniu modelu architektonicznego do druku 3D na taniej, chińskiej drukarce 3D. Dość szybko okazało się, że istotą problemu są nie ustawienia programu czy posiadane przez niego urządzenie, na którym zamierzał wydrukować makietę, lecz sam model 3D budynku, który kompletnie się do tego nie nadawał. Był to klasyczny przypadek, gdzie praktycznie wszystko było zrobione nie tak jak trzeba – swoista kwintesencja nieumiejętnego projektowania makiet architektonicznych pod kątem druku 3D.
Niniejszy artykuł stanowi przyczynek do bardzo szerokiego zagadnienia jakim jest właściwe projektowanie makiet architektonicznych pod kątem technologii przyrostowych – nie jest tutorialem, ani listą dobrych praktyk. Ma za zadanie uświadomić architektom (lub ich potencjalnym zleceniobiorcom), z jakimi wyzwaniami będą musieli się zmierzyć myśląc o wykorzystaniu druku 3D przy produkcji makiet, na co zwracać szczególną uwagę oraz jakich błędów unikać? Powstał na podstawie setek rozmów jakie przeprowadziłem z architektami, studentami architektury oraz przedstawicielami firm usługowych i handlowych, którzy świadczyli usługi druku 3D makiet lub sprzedawali architektom drukarki 3D. Oto 7 najczęstszych błędów z jakimi się podczas tego typu rozmów spotykamy…
BŁĄD 1. Architekci „nie umieją w druk 3D”
Tak naprawdę to nie błąd, a problem… Nie zamierzam wypowiadać się na temat jakości nauczania przyszłych architektów na uczelniach wyższych, gdyż najzwyczajniej w świecie nie mam o tym najmniejszego pojęcia. Mogę za to powiedzieć inną rzecz: na przestrzeni ostatnich siedmiu lat miałem okazję rozmawiać z blisko setką osób, specjalizujących się w architekturze w kontekście druku 3D. Żadna z nich nie miała pojęcia czym jest druk 3D, jak działa drukarka 3D oraz jakie są ograniczenia technologiczne poszczególnych metod przyrostowych? Każda rozmowa czy spotkanie stanowiło de facto skrócone szkolenie z podstaw druku 3D, podczas którego uświadamiałem moich rozmówców na co zwracać uwagę przy projektowaniu makiety, lub co i dlaczego na drukarce 3D nigdy nie wyjdzie?
Można powiedzieć, że źródłem wszystkich problemów w druku 3D w architekturze jest stan wiedzy architektów, którzy takie wydruki zlecają. Brak świadomości na czym polegają technologie przyrostowe oraz jakie są ich wady i zalety względem innych, klasycznych technik wytwórczych powodują, że na koniec powstaje model cyfrowy, który nie nadaje się do wydrukowania, lub wymaga gigantycznej pracy, aby doprowadzić go do poziomu wykonalności. Inna moja konkluzja jest taka, że architekci chcą zlecić wydruk 3D makiety z nie do końca racjonalnych i przemyślanych powodów – bardzo często robią to, bo:
- „druk 3D to przyszłość”
- „inni już tak robią”
- „chcieliśmy spróbować czegoś innego”
- „widziałem na targach / u konkurencji / na YouTube i super wyglądało”
- „podobno jest dużo taniej…?”
BŁĄD 2. Wszystko w jednym pliku
Klasyczna sytuacja: otrzymujemy model 3D kilkukondygnacyjnego budynku (przyjmijmy, że czteropiętrową kamienicę), który posiada wszystko: doskonale odwzorowaną elewację zewnętrzną, doskonale odwzorowaną każdą z kondygnacji, doskonale odwzorowane wyposażenie wewnętrzne (meble, armatura, klatki schodowe – czasem w pomieszczeniach lub na korytarzach można spotkać nawet ludzi). I to wszystko jest zamknięte w jednym pliku .STL.
Tego typu projekt da się teoretycznie wydrukować tylko w technologii proszkowej (CJP, MJF lub SLS), ale tylko pod warunkiem zachowania odpowiedniej skali i wynikających z tego rozmiarów najmniejszych detali (vide punkty 4 i 5). W praktyce zwykle okazuje się, że jest to niemożliwe – z kolei dużo tańsze i bardziej popularne metody jak druk 3D z termoplastów w żyłce (FDM / FFF) czy z żywic światłoutwardzalnych (SLA, DLP, LCD) nie nadają się do tego wcale.
Aby móc poprawnie wydrukować tego typu makietę, każda kondygnacja musiałaby zostać wyeksportowana jako oddzielny plik, podobnie jak każdy z elementów wyposażenia wnętrz czy elewacji zewnętrznej (np. rynny i parapety). Zasadnym pytaniem jest co z szybami w oknach…? Jeżeli są w projekcie, to po co drukować wnętrze budynku, skoro nie będzie nic przez nie widać? Jeżeli mają być transparentne – czy można je otrzymać w oddzielnych plikach oraz czy naprawdę muszą powstać na drukarkach 3D?
Reasumując – gdy otrzymujemy jeden tak kompleksowo wykonany plik 3D, w 99,99% przypadków oznacza to koniec rozmów o drukowaniu 3D. Od strony technologicznej będzie to niemożliwe do prawidłowego wykonania – od strony projektowej będzie de facto oznaczało stworzenie projektu od nowa.
BŁĄD 3. Modele to zbiory płaszczyzn
Inny często spotykany przypadek to przesyłanie modeli składających się z płaszczyzn. Osobiście miałem okazję uczestniczyć w czterech lub pięciu poniższych rozmowach:
- podstawą zlecenia była makieta koncepcyjna składająca się z kilkudziesięciu prostych brył odwzorowujących poszczególne budynki, rozstawionych na płycie o powierzchni 2-6 metrów kwadratowych
- większość brył z powodzeniem mieściła się na stole drukarki 3D o powierzchni 20 x 20 cm, a pozostałe można było dzielić i łączyć w całość po wydrukowaniu
- materiał nie grał roli (czyli można było wykorzystać proste w druku 3D PLA)
- wypełnienie modeli było „dowolne”
- termin realizacji był „na już, na szybko, na teraz”.
Podczas wstępnych rozmów wydawało się, że trudno o bardziej banalne zlecenie – jedyny problem, który wydawałoby się, że należy rozwiązać to przeskalowania parku maszynowego do kilkunastu – kilkudziesięciu drukarek 3D. Niestety zanim mieliśmy okazję przejść do jego rozwiązania, wraz z otrzymaniem plików do druku 3D pojawiał się inny – bryły nie były bryłami, tylko zbiorami powierzchni, pojedynczymi ściankami ułożonymi w ich kształt. Na dodatek powierzchnie miały wirtualną grubość, dążącą do -∞.
Podobnie jak w drugim przypadku oznaczało to koniec zlecenia. O ile moglibyśmy się podjąć właściwego odwzorowania brył rysując je od nowa, zleceniodawcy albo nie byli skłonni za to dodatkowo zapłacić, albo okazywało się, że nie było już na to czasu.
Ten sam problem dotyczy także bardziej złożonych modeli, jak chociażby opisana w punkcie drugim kamienica. Zdarza się, że model składa się wyłącznie ze ścian zewnętrznych, na których zaprojektowana jest cała elewacja, podczas gdy bryła budynku jest pusta w środku – czy też raczej: nie istnieje; nie została przez nikogo zaprojektowana.
Drukowanie 3D opiera się na bryłach. Nawet jeśli chcemy wydrukować same ściany budynku, to nie mogą to być powierzchnie, tylko bryły o określonej grubości / szerokości (np. 1 mm).
BŁĄD 4. Niewłaściwa skala
Wracamy do modelu kamienicy z punktu drugiego – projektant przygotował go w takiej skali, aby bryła budynku zmieściła się na stole drukarki 3D typu FDM / FFF o powierzchni 20 x 20 cm. Problem w tym, że w rezultacie rynny mają średnicę 0,05 mm, podczas gdy głowica drukarki 3D, z której wydobywa się plastik ma średnicę 0,4 mm – poprawny wydruk jest niemożliwy do wykonania. Pomijamy też całkowicie fakt, że ma ona powstawać pionowo, podczas gdy bez porównania lepszy efekt udałoby się osiągnąć, gdyby drukować ją „na płasko” i przykleić ją do gotowego budynku (vide punkt 6).
Powszechnym błędem jest równomierne skalowanie budynków „w dół” tak aby zmieściły się na drukarce 3D, zapominając o tym, że oprócz samej bryły makiety, zmniejszają się również wymiary poszczególnych elementów składowych. W rezultacie ich poprawne wydrukowanie staje się niemożliwe.
Jak rozwiązać ten problem?
- zachować rozsądną skalę i większy rozmiar makiety
- skalować bryłę makiety, ale wybrane elementy zachować w większym rozmiarze (skali), tylko po to, żeby udało się je odwzorować na wydruku 3D
- wydrukować samą bryłę, a wszystkie drobne elementy, które i tak by nie wyszły na drukarce 3D wykonać w innej technologii i dopasować je do gotowej makiety (vide punkt 7).
BŁĄD 5. Zbyt duża szczegółowość
Błąd będący pochodną numeru 2 i 4 – projektant wiedząc jakie są ograniczenia danej technologii – w naszym przypadku druku 3D, powinien wiedzieć czy i kiedy dany detal wyjdzie poprawnie, a kiedy nie? Jeżeli makieta składa się z kondygnacji, które są zamknięte ścianami i dachem bez możliwości oglądania wnętrza budynku, ostatnia rzecz jaka jest potrzebna w projekcie, to stoły i krzesła, w pełni wyposażone w sprzęt toaleta i kuchnia oraz klamki w drzwiach wewnętrznych. Abstrahując od tego, że tego typu detale są zbędne same w sobie, to ich wydrukowanie w niewielkiej skali na drukarkach 3D jest niemożliwe (chyba że oddzielnie, ale patrz błąd nr 2).
BŁĄD 6. Jeden model = jeden wydruk 3D
Klasyczna makieta architektoniczna składa się z co najmniej kilkuset małych detali, złożonych i sklejonych w całość. W przypadku technologii przyrostowych architekci przechodzą ze skrajności w skrajność i uznają, że drukarka 3D powinna wydrukować makietę w całości, przygotowując jeden, kompleksowy model przestrzenny. To prowadzi nas do wyżej wymienionych problemów, gdy okazuje się, że aby poprawnie wykonać makietę należy wyodrębnić z niego szereg elementów i detali, na co zwykle nie ma już czasu, lub budżetu.
Tymczasem wystarczy na samym początku dobrze przemyśleć projekt i przygotować go uwzględniając wszystkie uwarunkowania technologiczne, aby wydrukowanie makiety odbyło się szybko i tanio, a efekt końcowy stałby naprawdę na wysokim poziomie.
BŁĄD 7. Jak druk 3D – to druk 3D, czyli brak komplementarności technik wytwórczych
Ostatni problem to powszechny brak świadomości na temat tego czym jest druk 3D – gdzie leżą jego przewagi, a gdzie się raczej nie sprawdzi? Drukarka 3D to narzędzie do relatywnie szybkiego wykonywania części z tworzyw sztucznych, żywic światłoutwardzalnych, które je imitują lub proszków metali. Nie jest idealna – ma tak samo wiele słabości jak szereg innych urządzeń i maszyn pracujących w innych technologiach. Chcąc wydrukować duże, płaskie powierzchnie – np. ściany, doskonale sprawdzi się drukarka 3D typu FDM / FFF. Chcąc wydrukować drobne i precyzyjne detale – elementy wykończenia elewacji, okna, parapety, meble, czy ludzi – świetnie do tego nada się drukarka 3D typu SLA / DLP / LCD.
Są jednakże rzeczy, które najlepiej wyciąć ze styroduru, drewna lub papieru, bądź uformować ręcznie z materiałów modelarskich albo odlać z żywic.
