M A S A R Y K O V A U N I V E R Z I T A P E D A G O G I C K Á F A K U L T A 3D tisk modelů pro výuku mitózy na ZS Bakalářská práce K A T E Ř I N A L A N D O V Á Vedoucí práce: Ing. Martin Dosedla, Ph.D. Katedra technické a informační výchovy Technická a informační výchova se zaměřením na vzdělávání Brno 2022 MUNI PED 3 D TISK MODELŮ PRO VÝUKU MITÓZY NA Z Š Bibliografický záznam Autor: Název práce: Studijní program: Studijní obor: Vedoucí práce: Rok: Počet stran: Klíčová slova: Kateřina Landová Pedagogická fakulta Masarykova univerzita Katedra technické a informační výchovy 3D tisk modelů pro výuku mitózy na ZŠ Přírodopis se zaměřením na vzdělávání Technická a informační výchova se zaměřením na vzdělávání Ing. Martin Dosedla, Ph.D. 2022 78 3D tisk; Výukové pomůcky; Základní škola; Technické činnosti; Biologie; Projektová hodina; Přírodopis; Mitóza; Buněčné dělení 2 3 D TISK MODELŮ PRO VÝUKU MITÓZY NA Z Š Bibliographic record Author: Title of Thesis: Kateřina Landová Faculty of Education Masaryk University Department of Technical Education and Information Science 3D printing of models for tuition of mitosis at Elementary School Degree Programme: Natural Science for Education Field of Study: Technology and IT for Education Ing. Martin Dosedla, Ph.D. 2022 78 Supervisor: Year: Number of Pages: Keywords: 3D printing; Elementary school; Teaching aids; Technical education; Biology; Project Hour; Mitosis; Cellular Division 3 3 D TISK MODELŮ PRO VÝUKU MITÓZY NA Z Š Anotace Bakalářská práce se zaměřuje na didaktické zjednodušení vysvětlování buněčného dělení, konkrétně pěti stádií mitózy, cytokineze a základní stavby buňky formou tvorby interaktivních pomůcek do výuky této látky na základních školách. Za tyto interaktivní pomůcky byly zvoleny modely vytištěné na 3D tiskárně díky jejich cenové dostupnosti. Teoretická část práce pokrývá biologické aspekty látky buněčného dělení, technické aspekty modelování 3D objektů a 3D tisk. V praktické části práce je vytvořena sada 3D modelů buňky, pěti stádií mitózy a cytokineze s ohledem na kurikulum základních škol, proveditelnost tisku na 3D tiskárnách a proveditelnost projektové hodiny popsané v dalším odstavci. Modely byly vytvořeny v programu Solid Edge, převedeny do tiskového formátu v programu PrusaSlicer, vytištěny na tiskárně Originál Prusa i3 MK3, a doplněny o metodické pokyny k jejich využití, které zahrnují návrh projektové hodiny a pracovního listu. 4 3 D TISK MODELŮ PRO VÝUKU MITÓZY NA Z Š Abstract This thesis focuses on didactical simplification of lessons about cellular division through the creation of interactive 3D printed models. The models depict the basic cell structure, the five stages of mitosis, and cytokinesis. 3D printing was selected as it is one of the more affordable technologies. The theoretical part of this thesis touches upon the biological aspects of cellular division, and technical aspects of 3D printing and modelling. In the practical part, the process of creating all of the abovementioned models is described in detail. The models were created in Solid Edge, converted into a printable format in PrusaSlicer, and printed on the Original Prusa i3 MK3 3D printer. A methodical guide for the use of the models, consisting of a work sheet and a model 45-minute lesson, was also created. 5 3 D TISK MODELŮ PRO VÝUKU MITÓZY NA Z Š Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracovala samostatně, s využitím pouze citovaných pramenů, dalších informací a zdrojů v souladu s Disciplinárním řádem pro studenty Pedagogické fakulty Masarykovy univerzity a se zákonem č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon), ve znění pozdějších předpisů. V Brně 19. dubna 2022 Kateřina Landová 6 3 D TISK MODELŮ PRO VÝUKU MITÓZY NA Z Š Poděkování Na tomto místě bych ráda poděkovala Ing. Martinu Dosedlovi, Ph.D. za vedení této práce, jeho vstřícnost, rychlé odpovědi na veškeré otázky, cenné rady a především trpělivost. Také bych ráda poděkovala Mgr. Martině Jančové, Ph.D. za četné konzultace při tvorbě modelů, rady při hledání zdrojů a odborné vedení při tvorbě biologické části. Můj vděk patří i mým rodičům za oporu, kterou jsem v nich měla v průběhu celého studia i psaní této práce. Děkuji Kubíkovi a Xaviérovi za psychickou podporu a to, že dělají můj svět lepším. Šablona DP 3.1.1-PED (2020-08-27) © 2014, 2016, 2018-2020 Masarykova univerzita 7 O B S A H Obsah Úvod 10 1 3D grafika, 3D tisk a jejich využití ve výuce 11 1.1 3D grafika a modelování 11 1.2 Historie 3D tisku 14 1.3 Druhy 3D tiskáren a metody jejich tisku 16 1.4 Materiály 21 1.5 Využití 3D tisku ve vzdělávání 24 2 Buňka a její dělení 27 2.1 Stavba buňky 27 2.2 Mitóza 34 2.3 Produkty na trhu 38 3 3D modely a jejich tvorba 41 3.1 Tvorba modelů 41 3.2 Příprava modelů pro tisk 46 3.3 Tisk modelů 52 3.4 Lepení modelů 58 4 Pracovní list a projektová hodina 61 4.1 Zařazení v RVP pro základní školy 61 4.2 Vzdělávací a výchovné cíle projektu 61 4.3 Mezipředmětové vazby 61 4.4 Příprava kantora na projektovou hodinu 62 4.5 Pomůcky 62 4.6 Vstupní znalosti žáků 63 4.7 Motivace žáků 63 4.8 Časový rozvrh projektové hodiny 63 Závěr 66 8 O B S A H Použité zdroje 67 Seznam příloh 76 Příloha A Pracovní list 77 9 ÚVOD Úvod Cílem této bakalářské práce je vytvoření 3D modelů nepohlavního dělení buněk, což zahrnuje mitózu a cytokinezi, usnadňujících výuku na druhém stupni základní školy (zkráceně ZŠ). Toto téma bylo zvoleno kvůli tomu, že téma mitózy je pro žáky těžko pochopitelné pouze z obrázků. Modely jim v kombinaci s pracovním listem, který bude dalším z výstupů této práce, pomohou v představení si buňky a dějů, které se v ní během dělení odehrávají. Nabízené 3D modely pro školy jsou velmi drahé, a co je hlavní, většina obrázků, včetně těch v učebnicích pro základní školy, berou toto téma izolovaně od stavby buňky. Přitom je velmi důležité, aby nové učivo navazovalo na učivo již dříve osvojené, a aby byly dříve získané vědomosti při každé příležitosti opakovány a prověřovány. Vytvořené modely by zároveň měly být interaktivní a umožňovat fixaci vědomostí prací s nimi. Toho by mělo být dosaženo navržením projektové hodiny a kombinací modelů s pracovním listem. Interaktivnosti modelů by mělo být dosaženo tím, že by je žáci měli sami vybarvovat, čímž dojde k fixací jak prací s modelem, tak i zapojením barev. Modely nejsou zaměřeny jen na mitózu, ale na celý buněčný cyklus, jelikož zahrnují i interfázi a cytokinezi. Není však možné nazvat je modely buněčného cyklu, jelikož M-fáze má dvě varianty, mitózu a meiózu, a tato práce je zaměřena jen na první z nich. Pro realizaci těchto modelů byl zvolen program Solid Edge od společnosti Siemens, což je dle Santora (2022) portfolio dostupných a snadno použitelných nástrojů, které řeší všechny fáze vývoje výrobků. Pro tisk byla zvolena tiskárna Originál Prusa i3 MK3. Práce je strukturována do čtyř kapitol. První z nich se zaměřuje na historii, technologie a materiály 3D tisku a jeho využití ve vzdělávání. V druhé kapitole je vysvětlena stavba buňky a její nepohlavní dělení, které zahrnuje mitózu, což je dělení jádra, a cytokinezi, která je navazujícím dělením celé buňky. Také je v ní zahrnut průzkum trhu, který se týká dostupnosti 3D modelů mitózy a jejich zpracování. Třetí kapitola vysvětluje tvorbu modelů, a to jak jejich modelování, tak i následný export, tisk a lepení. Čtvrtá kapitola je zaměřena na projektovou hodinu, pro kterou se dají modely využít, a to jak její charakteristiku, tak i časový rozvrh, výukové a výchovné cíle a další. 10 3 D GRAFIKA, 3 D TISK A JEJICH VYUŽITÍ VE VÝUCE 1 3D grafika, 3D tisk a jejich využití ve výuce 1.1 3D grafika a modelování Příprava modelu pro 3D tisk zahrnuje dvě hlavní části. První je modelace samotné struktury, kterou je v plánu tisknout, zatímco v druhé fázi příprav je potřeba připravit model vytvořený v první části pro tisk. Tvorba modelů Programů pro přípravu 3D modelů je celá řada. Odlišují se zejména počtem nástrojů, který pro práci s nimi nabízí, intuitivností a v neposlední řadě i svou cenou. Existují jak programy neplacené, tak i s bezplatnou školní licencí, placené jednorázově i ty, které si musí člověk platit měsíčně či ročně jako předplatné. Tinkercad, Sculptris, Morphi, SketchUp a FreeCAD uvádí společnost Ultimaker (2019) jako nástroje vhodné pro začátečníky. Všechny jsou přístupné zdarma, u některých z nich není nutná ani instalace. Tinkercad od společnosti Autodesk je bezplatnou online sadou softwarových nástrojů, která umožňuje kromě vlastního modelování, které probíhá formou vkládání těles a jejich spojování či výřezu, i další funkce, které se dají využít pro výuku na ZŠ. Těmi jsou modelování pomocí blokového kódu a sestavování elektrických obvodů díky součástkám, které má již program definované a naprogramované, a díky kterým obvod simuluje svou funkci. Vzhledem k tomu, že program funguje i na tabletu, je možnost zkoumat model v rozšířené realitě, ve které je možné ho pomocí kamery umístit do reálného prostoru. Výhodou tohoto programu je pro využití na ZŠ ovládání v češtině (Autodesk 2022). Další program, který Ultimaker (2019) uvádí, je Sculptris. Dle Yettera (2020) však tomuto programu skončila podpora, a byl nahrazen programem ZBrushCoreMini. Tento program je stejně jako jeho předchůdce zdarma pro nekomerční účely a obsahuje všechny jeho funkce, je však přizpůsoben pro novější počítače a 64bitový operační systém. Program funguje na principu modelování z hlíny, a to různým tvarováním, vytahováním, zatlačováním a podobně (Maxon 2022). Nevýhodou je, že je program v angličtině, ale jeho ovládání je velmi intuitivní. 11 3 D GRAFIKA, 3 D TISK A JEJICH VYUŽITÍ VE VÝUCE Program SketchUp od firmy Trimble má dvě verze - online verzi, která je zdarma, a je určena pouze pro nekomerční účely, a placenou verzi, která se dá stáhnout jako off-line program a využívat i komerčně. Dále mají zvláštní licence pro školy, kdy pro prvostupňové a druhostupňové vzdělávání nabízí program bez poplatku, pro vyšší je poté již nutné poplatky platit. To opět souvisí s tím, že pro vyšší stupně vzdělávání se dá program i nainstalovat, pro nižší je pouze v online formě v prohlížeči. Placená verze má výhodu například i v automatickém převodu 3D verze do 2D výkresu a možnosti převedení do virtuální reality. Hodí se zejména pro architektonické výkresy (Trimble 2022). Za programy vhodné pro středně pokročilé uživatele uvádí Ultimaker (2019) čtyři programy, a to Autodesk Inventor, PTC Creo, Onshape a Autodesk Fusion 360. Žádný z nich není zdarma pro veřejnost, ale kromě PTC Creo se dá u všech zařídit bezplatná školní licence. Programy od firmy Autodesk, konkrétně Inventor a Fusion 360, se řadí mezi programy určené pro strojírenství a výrobu (Autodesk 2020). Adeon CZ (2020) uvádí, že se pro studenty se dá získat licence zdarma, a to vždy na rok po doložení potvrzení o studiu. Po roce je třeba toto potvrzení obnovit. Fusion 360 je zaměřen více na digitální vývoj, design a výrobu, zatímco Inventor spíše na digitální konstruování a prototypování. Podle Hanuše (2022) spočívá nevýhoda těchto programů především v jejich vysoké pořizovací ceně. Také uvádí, že Fusion 360 má mnohem rozsáhlejší komunitu uživatelů než Inventor, a proto je u něj větší pravděpodobnost, že vám v případě potíží někdo poradí. Onshape je zajímavý zejména v tom, že je určen nejen pro modelování jednotlivcem, ale i pro spolupráci. V oblasti vzdělávání to znamená zejména to, že učitel může vkládat žákům poznámky přímo do dokumentu, případně se tím usnadní skupinová práce žáků. Pro žáky je připravena i zkouška práce s programem, po jejímž složení je možné získat certifikát. Data jsou ukládána na cloud, a tak k nim mají studenti přístup kdykoli z jakéhokoli zařízení (Onshape nedatováno). Nevýhodou je hlavně to, že není přeložen do češtiny. Podle Hanuše (2022) má tento program nižší množství funkcí, než jeho konkurenti, za výhodu naopak považuje jednoduché užívání a fungování a to, že je velmi oblíbeným nástrojem pro 3D tisk. Blender, SolidWorks a Rhino se řadí mezi méně intuitivní nástroje a práce s nimi vyžaduje větší praxi, než je tomu u programů v předchozích kategoriích, což však vyvažují svými funkcemi (Ultimaker 2019). 12 3 D GRAFIKA, 3 D TISK A JEJICH VYUŽITÍ VE VÝUCE Pro účely této práce byl zvolen program Solid Edge od firmy Siemens. Ten díky své synchronní technologii spojuje rychlost a jednoduchost přímé tvorby modelů s flexibilitou parametrického návrhu. Výhodou tohoto programu je bezplatná licence pro všechny studenty i vyučující a to, že firma nabízí kurzy práce s programem a spoustu videí, díky kterým se můžeme seznámit se všemi nástroji, které tato aplikace nabízí. Vybrán byl i z toho důvodu, že se podle mého pozorování začíná vyučovat na školách, především středních, jelikož se očekává, že se začne v budoucnu hojně využívat i v praxi. Společnost Siemens nabízí školení tohoto programu, které má napomoci jeho integraci do vzdělávání i dalších oblastí uplatnění (Santoro 2022). Slicování modelů Po exportu z programu, ve kterém byl model vytvořen, je potřeba ho připravit pro tisk a určit nastavení tiskárny. Tím se převede 3D model do instrukcí, kterými se následně řídí 3D tiskárna při tisku. Tomuto ději se říká slicování, a dochází k němu v programech, kterým se obecně říká slicery. Exportem z programu, ve kterém byl model vytvořen, vznikne soubor ve formátu STL či 3MF. Slicer ho převede při tisku do formátu GCODE. Tento proces funguje na tom principu, že slicer model rozdělí na jednotlivé vrstvy, určí, podle jakého vzorce se mají tisknout, a tyto informace převede do dat, podle kterých se tiskárna řídí. Vzhledem k tomu, že tisk probíhal na 3D tiskárně Originál Prusa i3 MK3 od společnosti Prusa Research, byl pro účely této práce využit program PrusaSlicer od stejné firmy. Jak uvádí Průša (2022a), základ vychází z open-source projektu Slic3r, který je v angličtině. Dřívější názvy byly Slic3er Prusa Edition či Slic3r PE, s dalším vývojem a odlišením od původního Slic3ru došlo k přejmenování na PrusaSlicer. Program PrusaSlicer je open-source, stejně jako Slic3r, ze kterého vzešel. Charakterizuje se jednoduchým a moderním uživatelským rozhraním, nastavitelnou výškou vrstev, která se může lišit i v jednotlivých částech jednoho modelu, možností přesunu pozice švu, automatickými aktualizacemi profilů jak jejich tiskáren a filamentů, tak i produktů třetích stran, a v neposlední řadě i podrobnou analýzou doby tisku pro jednotlivé části modelu. V tomto programu se dají modely i řezat, čehož bylo využito i pro účely této práce. Umožňuje export jak pro FDM (Fused Deposition Modeling), tak i pro SLA (stereolitografické) tiskárny. 13 3 D GRAFIKA, 3 D TISK A JEJICH VYUŽITÍ VE VÝUCE Jako další příklady slicerů Průša (2022a) uvádí například již zmíněný Slic3r, dále pak CURA, ideaMaker, Simplify3D, Craftware a KlSSSlicer. Program CURA zmiňuje i Ultimaker (2019), jelikož se jedná o program specializovaný přímo na jejich tiskárny. Má více verzí, jednodušší bezplatné a složitější zpoplatněné (Ultimaker 2022). Tento software dokáže například i převést obrázek na výškovou mapu, kdy se tmavší části obrázku vytisknou větším počtem vrstev, a tak se při prosvícení jeví jako tmavší (Ultimaker 2019). 1.2 Historie 3D tisku Základy 3D tisku položil dle Lonjona (2017) roku 1980 japonský automobilový designér Hideo Kodama, když požádal o patent na technologii zvanou rychlý systém výroby prototypů. Tento systém představoval nádobu s fotopolymerním materiálem, který je ozařován paprsky UV světla, čímž jeho velmi malá část ztvrdne a umožní vytváření modelu po vrstvách. Kodama však kvůli potížím s financováním nesplnil naplnění tohoto patentu v roční lhůtě, ale i tak se jedná o základ pro tisk metodou SLA, která je vysvětlena v kapitole 1.3 (3D Printing Industry 2017) Hlavní průlom nastal podle Lonjona (2017) v roce 1984, kdy francouzský inženýr, chemik a vynálezce Alain le Méhauté potřeboval vytvořit fraktální objekt, což je velmi složitý objekt tvořený stále se opakujícím charakteristickým motivem vzniklý na základě jednoduchých pravidel. Tento objekt nebylo možné vytvořit žádnou do té doby využívanou technologií, proto hledal způsob, jak sestrojit stroj, který by mu s tím pomohl. S řešením přišel Olivier de Witt, který pracoval ve francouzské společnosti CILAS, specializující se na optickou a laserovou technologii. Ten mu poradil, že když dojde ke zkřížení dvou laserů, mohou z tekutého monomeru utvořit pevný polymer. S následnou realizací jim pomohl dle Isaaca (2022) Jean-Claude André, výzkumný pracovník pracující pro CNRS, což je zkratka pro francouzské Národní centrum vědeckého výzkumu. Společně vynalezli a sestavili první 3D tiskárnu a vytiskli první výtisk, kterým bylo, jak píše Lonjon (2017), točité schodiště. Roku 1986 podle něj získali patent pro stereolitografický proces, tedy metodu SLA. I tak však pro nedostatek výpočtů a tomu, že se jim projekt nezdál do budoucna perspektivní, nebrala jejich vynález CNRS vážně, a proto se museli tohoto projektu kvůli nedostatku financí vzdát. 14 3 D GRAFIKA, 3 D TISK A JEJICH VYUŽITÍ VE VÝUCE Tři týdny po tom, co Alain le Méhauté, Olivier de Witt a Jean-Claude André získali patent pro stereolitografický proces, přišel dle Lonjona (2017) s návrhem 3D tiskárny pracující na stejném principu i fyzikální inženýr Chuck Hull, který má v současnosti více než 100 patentů, a to ze Spojených států amerických i Evropy Tento nápad u něj vzešel již v roce 1983, kdy pracoval pro firmu vyrábějící tvrdé povlaky na nábytku za použití ultrafialového světla. Vadilo mu, že výroba prototypů nových výrobků trvá až dva měsíce, a tak se rozhodl, že tento proces urychlí novým využitím UV paprsků, které umožňují navrstvení tisíců tenkých pater materiálu na sebe. Roku 1986 se mu podařilo sestavit první funkční model fungující na principu SLA, první komerční produkt vyšel o dva roky později, roku 1988 (Hickey 2014). V roce 1987 nastal dle Lonjona (2017) další přelom v oblasti 3D tisku, a to patent na technologii SLS, tedy selektivní laserové spékání. Ten se podařilo naplnit tehdy šestadvacetiletému Carlu Deckardovi. Nápad na využití této technologie získal při práci na letním táboře během studia strojního inženýrství na univerzitě. Podle Daviese (2020) na realizaci tohoto plánu spolupracoval s doktorem Joem Beamanem, který byl jeho profesorem, a společně se jim povedlo sestavit a zdokonalit tuto metodu 3D tisku díky financování univerzitou a Národní vědeckou nadací v kombinaci s poklesem ceny CO2 laserů. Po tomto úspěchu začali spolupracovat se společností DTM Corp, která jim pomohla uvést jejich přístroj na trh. Třetí a momentálně i nejrozšířenější technologií 3D tisku je FDM, což znamená modelování tavené depozice. Ten dle Lonjona (2017) vynalezl roku 1988 strojní inženýr Scott Crump s cílem vyrobit hračku ve tvaru žáby své dvouleté dceři. První pokusy prováděl smícháním vosku s polyethylenem a nanášením této směsi tavnou pistolí. Tím si ověřil, že může vytvářet 3D modely tímto způsobem. Následně se rozhodl celý proces automatizovat, a to díky pohybu tavné pistole pomocí robotického systému po XYZ osách. S tím mu, jak se píše na blogu firmy Plotbase (2021), pomohla jeho manželka, vynálezkyně Lisa Crump. Roku 1989 si nechal tento nápad spolu se svou ženou patentovat a o tři roky později spolu založili společnost Stratasys, která dodnes vyrábí 3D tiskárny. Kromě vynálezu FDM 3D tiskárny se zasloužil i o vytvoření a rozvoj ABS filamentů (Lonjon 2017). Důležitým milníkem v utváření 3D tiskáren pro domácí prostředí je podle Stříteského a kol. (2019) rok 2005, kdy byl představen projekt RepRap, založený doktorem Adriánem Bowyerem. Ten se snažil navrh- 15 3 D GRAFIKA, 3 D TISK A JEJICH VYUŽITÍ VE VÝUCE nout 3D tiskárnu, která bude schopná vytisknout co nejvíce svých vlastních součástek Tento projekt je veden pod licencí open source, což znamená, že jsou veškeré zdrojové kódy zdarma veřejně přístupné a modifikovatelné. To umožnilo vytvoření široké komunity, která umožňuje rychlejší vývoj a větší prostor pro experimentování v oblasti 3D tisku. První tiskárna s plnou funkcí replikace byla, jak píše Isaac (2022), sestavena o tři roky později, tedy roku 2008. Tohoto roku byl podle něj také největší rozmach komunity RepRap a serverů, přes které tito uživatelé komunikovali a sdíleli své nápady a poznatky. Co se týká českého prostředí, je v dnešní době největším a nejznámějším výrobcem dle Úšely (2021) Prusa Researchment, který vyrábí především tiskárny pro domácí využití či využití v menších firmách a školách. Tuto firmu založil roku 2012 Josef Průša a roku 2018 byla nadnárodní společností Deloitte označena za nejrychleji rostoucí technologickou firmou ve střední Evropě. (Průša 2022). Založení této firmy předcházelo působení na poli RepRap tiskáren, kdy v únoru roku 2010 představil vlastní vyhřívanou podložku pro lepší přilnavost při 3D tisku a stejný rok v září první Prusa tiskárnu - model Mendel. Roku 2011 navázal druhou verzí tiskárny - Prusa Mendel i2, ale založení firmy přišlo až v roce 2012 s verzí i3. V začátcích se tedy věnoval výhradně technologii FDM, ale v dnešní době už produkuje tiskárny a materiál i pro SLA. Kromě Průši je však vhodné zmínit i další výrobce, například 3Dwiser, což je firma založená roku 2014 specializující se na tisk v průmyslových podnicích, a to jak součástek či prototypů z plastu, tak i z kovu. Kromě prodeje tiskáren nabízí klientům i poradentství a tisk na zakázku (3DWiser 2020). Dalším výrobcem je společnost TriLab založená roku 2016, specializující se na průmyslové tiskárny (Tambor a Boháč 2021). Tato firma je od roku 2021 úzce spojená se společností Prusa Research, která podle Brejlové (2021) koupila její 80% podíl v rámci rozšíření uplatnění 3D tiskáren prodávaných společností Prusa. 1.3 Druhy 3D tiskáren a metody jejich tisku SLA SLA, neboli stereolitografie, je dle Sculpteo ([2020e]) nejstarší metodou 3D tisku, která funguje na principu fotochemického procesu. Objekt je tisknut buď vzhůru nohama, kdy se podložka postupně po vrstvách vzdaluje od vany s tekutou pryskyřicí, ve které jsou řezy objektem 16 3 D GRAFIKA, 3 D TISK A JEJICH VYUŽITÍ VE VÝUCE osvětlovány UV laserem vrstvu po vrstvě, jak tomu bývá u menších SLA tiskáren, nebo shora dolů, jak tomu bývá u velkých průmyslových tiskáren. Výhodou je, že tento princip umožňuje tisk i velmi malých objektů s drobnými detaily či komplexních struktur. Na výsledném výtisku nejsou znatelné vrstvy a jeho povrch je tak téměř dokonale hladký. Nevýhodami jsou dle Sculpteo ([2020b]) zejména cena samotné tiskárny i následného tisku, potřeba následného očištění výtisku od tekuté pryskyřice, do které byl ponořen a manuální odstranění podpěr, které jsou při tomto způsobu tisku téměř vždy nepostradatelné. Stříteský a kol. (2019) dále uvádí jako nevýhodu toxicitu pryskyřice a jejích výparů, což je však u většiny tiskáren řešeno krytem, který omezuje únik výparů do okolí tiskárny, v kombinaci s filtrací vzduchu. Je však potřeba vyvarovat se kontaktu pryskyřice s pokožkou před důkladným očištěním výtisku. Za další problém považují menší velikost tiskové podložky, což však platí jen v nižší cenové kategorii. Průmyslové tiskárny mají tiskovou plochu velmi velkou, ovšem jejich ceny se pohybují v milionech korun. Obrázek 1 - Princip SLA tiskárny (Stříteský a kol. 2019 s. 16, upraveno) Stereolitografie je dle společnosti Sculpteo ([2020e]) využívána i u dalších metod, které na SLA tiskárny navázaly - DLP a MSLA. Obě tyto 17 3 D GRAFIKA, 3 D TISK A JEJICH VYUŽITÍ VE VÝUCE metody jsou mnohem rychlejší než čistě SLA, jelikož osvětlují výtisk po celých vrstvách, tedy i když se tiskne složitější výtisk či více výtisků najednou, čas tisku se neprodlužuje. Záleží totiž jen na počtu vrstev, jelikož doba tisku jedné vrstvy je fixní. DLP funguje na principu osvětlování UV projektorem, MSLA na blokaci UV záření LCD pixely. X - lIllUlHObrázek 2 - Porovnání principu SLA (vlevo), DLP (uprostřed) a MSLA (vpravo) tiskárny (Stříteský a kol. 2019, s.17, upraveno) SLS SLS, neboli selektivní laserové spékání, je dle Sculpteo ([2020d]) nejvýhodnější metodou 3D tisku, umožňující tisk z rozmanitých materiálů, jako jsou například nylon, plasty s příměsí minerálů, kovy či keramika. Stříteský a kol. (2019) vysvětlují, že principem jsou, jak je vidět na Obrázek 3 - Princip SLS tiskárny (Stříteský a kol. 2019, s. 20) dvě nádoby s pohyblivým dnem, z nichž jedno, které představuje dno zásobníku, se pohybuje po vrstvách nahoru, a druhé, dno nádoby, ve které se tiskne, po vrstvách klesá dolů. Válec nanese vrstvu prášku ze zásobníku na tiskovou plochu, kde se laserem speče neboli sintruje. Aby se proces urychlil a zpřesnil, je prášek v zásobníku zahřát těsně pod svou teplotu tání. Výhodou je podle Sculpteo ([2020d]) tisk bez podpěr, jelikož je výtisk podpírán materiálem, ze kterého je spékán. Zároveň se může tisknout mnoho položek najednou, což urychluje výrobu a je výhodnější při výrobě mnoha replik jednoho dílu. Díky sebepodpěrnému systému je možné tisknout geometricky složité obrazce. To však podle Stříteského a kol. (2019) přináší nevýhodu toho, že se při tisku dutého modelu nesmí zapomenout na otvory, kterými se vysype nespečený prášek. Další nevýhodou je vysoká pořizovací cena tiskárny, která začíná na 150 tisících korun. V průmyslovém využití ji však vyvažuje efektivita tisku. 18 3 D GRAFIKA, 3 D TISK A JEJICH VYUŽITÍ VE VÝUCE 1 Laser 2 Systém skenováni 3 Zásobník s práškem 4 Váleček 5 Systém podáváni prášku 6 Práškové lůžko 7 Tištěný objekt 8 Pohyblivé dno Obrázek 3 - Princip SLS tiskárny (Stříteský a kol. 2019, s. 20) FDM Systém FDM, což je zkratka pro Fused Deposition Modeling, což by se dalo volně přeložit jako modelování tavené depozice, kterou je v případě těchto tiskáren tisková struna, známý také pod zkratkou FFF, která znamená Fused Filament Fabrication, neboli výroba z tavených vláken, je podle Stříteského a kol. (2019) nejrozšířenější a nejdostupnější metodou 3D tisku. Tiskovým materiálem je ve většině případů plastová struna zvaná filament, která je pomocí extruderu neboli tiskové hlavy nanášena ve vrstvách na tiskovou podložku. Dnes se nejvíce využívá filament o průměru 1,75 mm, který má podle Stříteského a kol. (2019) oproti dříve používanému 3mm, případně mírně užším s průměrem 2,85 mm, vyšší přesnost dávkování. Stále se však využívají a dají zakoupit všechny tři průměry struny (Materialpro3d.cz 2022). Filament s průměrem 2,85 mm využívají například tiskárny značky Ultimaker a BigRep (3DWiser 2020). Výhodou FDM tiskáren je zejména pořizovací cena tiskárny, které se pohybuje od dvou a půl tisíc za nejlevnější modely, přes modely s cenou kolem dvaceti tisíc, představujících kompromis mezi cenou a kvalitou, až po profesionální modely za jednotky milionů korun. To v kombinaci s bezpečností používání filamentu oproti pryskyřici či práškovým materiálům dělá z této metody tisku nejvyužívanější způsob na školách, v domácnostech i menších fir­ mách. Sculpteo ([2020c]) mimo to uvádí, že kvalita tisku závisí na výšce tiskové vrstvy, tedy nižší tisková vrstva představuje kvalitnější, ale také mnohem delší tisk. U některých tiskáren je i možnost vícebarevného tisku, a to díky více extruderům, z nichž každý nanáší jednu barvu filamentu. Za nevýhodu však považují stejně jako u SLA tisku potřebu pod- 19 3 D GRAFIKA, 3 D TISK A JEJICH VYUŽITÍ VE VÝUCE pěr u modelů složitějších pro tisk, ale u FDM tisku je tato potřeba méně častá. Další nevýhodou je vysoká znatelnost vrstev, a u některých materiálů i obtížné následné zpracování. Obrázek 4 - FDM tisk (Stříteský a kol. 2019, s. 11) Stříteský a kol. (2019) uvádí rozdělení FDM tiskáren na tři kategorie podle pohybu extruderu a tiskové podložky. První kategorií je Kartézský typ, kdy se extruder pohybuje po osách X a Z, přičemž podložka zajišťuje pohyb po ose Y. Podložka tohoto typu tiskárny bývá kvůli pohybu po jedné ose čtvercová či obdélníková. Druhým typem je delta, kdy extruder zajišťuje pohyb po všech třech osách. Toho je schopný díky umístění na třech ramenech, pohybujících se po třech rovnoběžných podpěrách. Výhodou je velký tiskový prostor, nevýhodou složitá kalibrace a náročnost při výpočtech pro pohyby krokových motorů ramen. Podložka bývá kulatá či šestiúhelníková. Posledním typem je Polar, u kterého se extruder pohybuje po dvou osách stejně jako u Kartouzského typu, pohyb podložky je však v tomto případě rotační. Výhodou je jednoduchost konstrukce, nevýhodou složitost převedení a přípravy modelu pro tisk. Obrázek 5 - Kartézský (vlevo), Delta (uprostřed) a Polar (vpravo) typ FDM tiskárny (Stříteský a kol. 2019, s. 12-13, upraveno) 20 3 D GRAFIKA, 3 D TISK A JEJICH VYUŽITÍ VE VÝUCE 1.4 Materiály Tiskové materiály pro 3D tisk jsou velmi rozmanité. Pro metodu SLA se jedná dle webu Sculpteo ([2020e]) o tekutou pryskyřici, u metody SLS je dle Materialpro3d.cz (2016) výběr mnohem rozmanitější, ale vždy se jedná o práškovou formu. Na výběr jsou prášky z plastu, keramiky, kovu a slévárenského písku. Vzhledem k tomu, že je tato bakalářská práce zaměřena na tisk metodou FDM, jsou v následující části podrobněji popsány materiály pro tisk touto metodou. Ty jsou k dostání ve formě tiskových strun, kterým se říká filament (Trilab 2021). Porovnání filamentů z hlediska vlastností jejich materiálu je znázorněno na obrázku číslo Obrázek 6. ABS Akrylonitrilbutadienstyren, známější pod zkratkou ABS, je dle společnosti Trilab (2021) materiálem, ze kterého byl vyráběn historicky první filament. Z tohoto materiálu se vyrábí i kostky stavebnice LEGO. Je vyráběn z ropy, proto není ekologicky odbouratelný. Jeho hlavní nevýhodou je uvolňování zplodin při tisku a celkově tisková náročnost. Tento materiál má vysokou tepelnou roztažnost, a tak se při tisku a postupném chladnutí vrstev kroutí, praská, či odtrhává od podložky. To se dá řešit uzavřením do komory, která udržuje vyšší teplotu a optimální klima kolem výtisku. Dle Alza a.s. (2019) je dalším možným řešením vyhřívání podložky na minimální teplotu 80 °C. Plasticportal.eu (2020) uvádí také možnost využití obohacených materiálů například o methyl-methakrylát, což je organická sloučenina zlepšující vlastnosti ABS filamentu, jako jsou například ABS-X a ABS-T, které mají nižší tepelnou roztažnost. Tato řešení však nezabrání uvolňování zplodin při tisku, pouze napomáhají k lepší tiskové kvalitě. Stříteský a kol. (2019) také uvádí nízkou odolnost výtisků vůči UV záření, kvůli kterému doporučuje použití novějšího materiálu ASA, což je zkratka pro akrylonitril-styrén-akrylát, který považuje za nástupce ABS. Výhodami tohoto materiálu jsou dle Alza a.s. (2019) především vysoká pevnost a teplotní odolnost. Tento materiál je rezistentní k teplotám do 100 °C. FutLab (2018) dále uvádí velmi dobrou vizuální kvalitu a možnost snadnějšího postprocessingu. Podle společnosti Trilab (2021) se dá totiž jeho povrch vyhlazovat acetonem, pomocí kterého se dají i lepit jednotlivé díly díky naleptání povrchu slepovaných ploch. 21 3 D GRAFIKA, 3 D TISK A JEJICH VYUŽITÍ VE VÝUCE PET a PETG Polyethylentereftalát neboli PET a jeho obohacená varianta o glykol, PETG, jsou zdravotně nezávadné a recyklovatelné filamenty. PETG je oproti PET díky příměsi glykolu ohebnější (FutLab 2018). Za jeho výhody uvádí Alza a.s. (2019) pevnost, odolnost a flexibilitu, díky které vydrží ohyb, kroucení i nárazy. FutLab (2018) dále uvádí odolnost vůči chemikáliím a vysokým i nízkým teplotám, snadné zpracování po tisku a dobré slepování dílů. Nevýhodami jsou především nutnost vyhřívání podložky a nutnost skladování při nízké vzdušné vlhkosti, jelikož ji snadno váže, což nepříznivě ovlivňuje jeho vlastnosti při tisku (Alza a.s. 2019). TPU a TPE TPU a TPE, neboli termoplastický polyuretan a termoplastický elastomer, jsou flexibilní materiály, které jsou velmi pružné, odolné při ohybu, krůtu i dalších deformacích. Jejich tisk je složitější, ale nevyžaduje vyhřívání podložky (Alza a.s. 2019). Mají velmi dobrou odolnost vůči odření, odolávají také olejům a mastnotě. Jejich nevýhodou je to, že se jednotlivé díly po tisku špatně lepí, a celkově je jejich opracování velmi složité (FutLab 2018). Jako rozdíl mezi TPU a TPE uvádí Beamler (2019) tuhost materiálu. Výrobky z TPE by měly být pružnější než ty, které byly vytištěny z TPU. Nylon Nylon neboli polyamid se podle společnosti Alza a.s. (2019) vyznačuje především svou pevností a odolností. Pokud je v malé vrstvě, je i velmi pružný. S rostoucí šířkou se však tato vlastnost vytrácí. Zároveň má velmi dobrou absorpčnost barviv, čehož se využívá při barvení filamentu i hotového výrobku. Za nevýhody považuje nutnost vyhřívané podložky při tisku a hygroskopicitu, což znamená pohlcování vzdušné vlhkosti a tím zhoršenou kvalitu tisku, stejně jako u materiálů PET a PETG. Server FutLab (2018) dále uvádí mezi výhodami jeho odolnost vůči chemikáliím. Za hlavní nevýhodu považuje to, že není zdravotně nezávadný, jelikož při tisku dochází k uvolňování škodlivých látek. To tisk do jisté míry komplikuje a kvůli této vlastnosti není tento materiál vhodný pro využití a demonstraci 3D tisku na základní škole. 22 3 D GRAFIKA, 3 D TISK A JEJICH VYUŽITÍ VE VÝUCE PC Polykarbonát, známější pod zkratkou PC, uvádí Alza a.s. (2019) jako jeden nejpevnějších materiálů, které lze ve formě filamentu běžně sehnat. Tento materiál velmi dobře snáší vysoké i nízké teploty a je odolný vůči lámání i tříštění. Díky těmto vlastnostem v kombinaci s jeho průhledností je využíván pro výrobu neprůstřelných skel. Jeho využití v 3D tisku spočívá především ve výrobě silně namáhaných mechanických součástek. Velkou výhodou je, že je recyklovatelný a ekologicky odbouratelný (Alza a.s. 2019). Nevýhodami je, že je citlivý na UV záření a obtížně se tiskne (teplota extrudéru přesahuje 300 °C). Dobře se však zpracovává po tisku (FutLab 2018). PLA Polylaktid neboli kyselina polymléčná, zkráceně PLA, je podle Stříteského a kol. (2019) prvním materiálem, se kterým se většina lidí při 3D tisku seznámí. Byl zvolen i pro účely této práce, jelikož je velmi běžný, dobře dostupný, a dle 02 Chytrá škola ([2019]) se využívá na většině škol, na kterých mají 3D tiskárnu. Dle webu Alza a.s. (2019) je navíc ekologicky odbouratelný a šetrný k životnímu prostředí, jelikož je vyráběn z rostlinných polysacharidu, a to zejména kukuřičného škrobu. Jeho velkou výhodou je tak i to, že při tisku nevzniká žádný zápach a jeho použití je bezpečné ze zdravotního hlediska. Tento materiál je také vhodný pro styk s potravinami, ale dle Stříteského a kol. (2019) není obecně vhodné nádoby vyrobené formou 3D tisku využívat k tomuto účelu opakovaně, a to zejména kvůli členitosti jejich povrchu a riziku množení bakterií. FutLab (2018) dále uvádí, že jeho hlavními výhodami jsou pevnost a vysoká vizuální kvalita výtisků, za nevýhody naopak považuje nízkou odolnost vůči chemikáliím, vysokým i nízkým teplotám. Nevýhody tohoto materiálu nemají žádný vliv při jeho použití pro účely této práce, a proto nebyly překážkou jeho zvolení. 23 3 D GRAFIKA, 3 D TISK A JEJICH VYUŽITÍ VE VÝUCE Jednoduchost tisku Vizuální kvalita Pevnost Ohebnost Odolnost vůči nárazu Přilnavost vrstev Teplotní odolnost • PLA AB5 PET • Nylon TPU • PC Obrázek 6 - Porovnání filamentů dle jejich vlastností (Koslow 2016, upraveno) 1.5 Využití 3D tisku ve vzdělávání Nejnovější úprava Rámcového vzdělávacího programu (RVP), vydaná MŠMT a kol. (2021) 3D tisk vůbec nezahrnuje, ale existuje mnoho článků a doporučení pro jeho využití ve výuce, a to i přímo na metodickém portálu (MP) RVP. Sefzig (2018) v článku na MP RVP udává 7 důvodů, proč 3D tisk ve školách využívat. Jako první uvádí tisk modelů a pomůcek k výuce, což je i náplní této práce, a to částečně ze stejných důvodů, jaké jsou v článku - vysoká cena modelů nabízených na trhu a dlouhá doba dodání. Druhým důvodem je podle něj motivace žáků postavit se k výzvě vyřešení úlohy čelem, a to jak ve výuce, tak i během kroužků. S tím souvisí i další bod, a to učení se praxí. Díky zapojení žáka do celé- 24 3 D GRAFIKA, 3 D TISK A JEJICH VYUŽITÍ VE VÝUCE ho procesu dochází k pochopení předmětu a ukotvení vědomostí, což se hodí obzvláště při probírání složité látky. Jako další využití uvádí tisk odměn pro studenty, které mohou být díky možnostem 3D tisku personalizované a levné. Může jít jak o odměny pro nejlepší žáky či dárky k narozeninám od učitele, tak i o výrobky, které si žáci navrhnou a vytisknou sami a následně si je mohou nechat. V pátém bodě klade důraz na bezpečnost a přehled, což lze zajistit využitím uzamykatelných schránek na 3D tiskárny, které zabraňují popálení žáků či přerušení tiskové práce. V šestém bodu rozebírá financování tisku, a vyzdvihuje možnost podrobných výkazů a volitelného systému plateb za tisk pro studenty. To umožňuje oddělení tisku pro soukromé a výukové účely, a zpoplatnění materiálu za tisk, který neslouží k výuce. Jako sedmý důvod udává budování vlastní budoucnosti a kariéry, kdy se žáci seznamují s novou, rozvíjející se technologií, které se mohou do budoucna věnovat. Černý (2015) na MP RVP mimo body, které jsou zmíněny v předchozím odstavci, uvádí například tvorbu 3D doplňků do stavebnic, které jsou na základních školách také velmi rozšířené. Dají se tisknout jak nové prvky, které stavebnici obohatí, tak i dotisknout případné chybějící či poškozené dílky. Dále zdůrazňuje inovaci mezipředmětových vazeb, a to například mezi výtvarnou výchovou a informatikou. Zlepšení technického vzdělávání a učení se fyzikálním zákonům je dalším z bodů, které v článku najdeme. Za příklad uvádí pevnost L profilu oproti rovnému, kdy si žáci oba profily vytisknou, a mohou si toto pravidlo ověřit v praxi. To podle něj podporuje názornost výuky, stejně jako tisk pomůcek do dalších hodin. Například tisk modelů architektonických prvků či patek antických sloupů může zlepšit názornost výuky dějepisu. Vaňková (2018) mimo to píše, že je pro žáky motivující vidět výsledky své práce v hmatatelné podobě. Také výklad učitele podle ní získává více pozornosti, pokud je vhodně doplněn o 3D pomůcky. Kromě benefitů spojených s výukou zmiňuje Zmorph (2016) také to, že se díky 3D tisku mohou žáci učit práci s chybou. 3D tisk mnohdy nevyjde na první pokus tak, jak by si žáci představovali, čímž je staví před řešení problémů, kdy jsou žáci nuceni optimalizovat proces tisku, ať už úpravou modelu, jeho slicováním či nastavením samotné tiskárny. Leapfrog (2020) klade důraz na správnou implementaci 3D tisku do výuky. Vyučující by si podle nich měl připravit plán hodiny, ve kterém specifikuje využití 3D tiskáren a práci žáků s nimi. Také by měl definovat, jak časté bude využití 3D tisku, a do kterých hodin bude zařazen. Dále by měl rozhodnout, kolik 3D tiskáren a filamentu bude pro 25 3 D GRAFIKA, 3 D TISK A JEJICH VYUŽITÍ VE VÝUCE účely implementace do výuky potřeba. To by se mělo odvíjet od četnosti tříd a projektů, které se budou na 3D tiskárnách zpracovávat. Mimo počet by měl rozhodnout i o typu 3D tiskáren a filamentu, který bude potřeba, jelikož od každého existuje velké množství možností, které jsou na trhu k dostání. Většinou se to však odvíjí spíše od toho, co již škola nabízí než od toho, co by pro učitele bylo ideální. V neposlední řadě by měl myslet i na bezpečnost během tisku. Opatření týkající se bezpečnosti se odvíjí od věku žáků, jelikož u dětí z nižších ročníků je třeba být obecně obezřetnější, než je tomu u starších. Firma Prusa Research se zaměřuje nejen na prodej tiskáren a podporu firem, ale myslí i na vzdělávání mládeže. V rámci svého projektu Průša pro školy prosazuje získávání znalostí zábavnou formou a klade důraz na rozvoj kreativity i technického myšlení. Na svých stránkách Prusa Education (2022) nabízí program, do kterého se mohou zaregistrovat základní i střední školy, domy mládeže a dětí, knihovny a jiná zařízení pracující s mládeží. V současné době se do projektu zapojilo již více než 1500 institucí. Pro všechny nabízí bezplatný online kurz ovládání tiskárny a 3D modelování. Pořádá různé soutěže, kde jsou hlavní výhrou i 3D tiskárny. Tiskárnu a spotřební materiál je možné v rámci registrace získat za zvýhodněnou cenu. Organizuje školení pro učitele, kteří mohou po jeho absolvování předávat získané znalosti svým žákům a zkvalitnit formu své výuky. Mimo školení nabízí ve speciální sekci databáze Printables i hotové projekty, které se dají během výuky využít. Ty obsahují základní popis, potřebné znalosti a zkušenosti v oblasti 3D tisku, cíle projektu, potřebné vybavení, časový harmonogram a pracovní postup (Printables 2022). Společnost YSoft prováděla průzkum, podle kterého plánuje 77 % škol rozšiřovat využití 3D tisku při výuce (YSoft be3D 2019). Hlavním důvodem je vytvoření názorných učebních pomůcek, jejichž přínos je již v předchozích odstavcích podrobně vysvětlen. Zároveň však berou na vědomí i to, že je potřeba zlepšit využitelnost 3D tiskáren na školách, jelikož 87 % vyučujících, kteří odpovídali v jejich nezávislém průzkumu, omezují přístup studentů k 3D tiskárně (YSoft Corporation a YSoft be3D 2017). Přišli proto s řešením SAFEQ, které nabízí školám zabezpečení tiskáren proti jejich poškození či zranění studentů, a účtování za tiskové služby, díky čemuž mohou být volně dostupné i studentům (YSoft 2022). 26 BUŇKA A JEJÍ DĚLENÍ 2 Buňka a její dělení 2.1 Stavba buňky Alberts a kol. (2005) uvádí, že buněčné dělení je jedním ze základních dějů v jakémkoli živém organismu. Jak podle nich zformuloval francouzský chemik, biolog a politik Francois-Vincent Raspail již roku 1825, „Omnis cellula e cellula", tedy jen z již existující buňky může vzniknout buňka nová. (Tato teorie je dle Tana a Browna (2006) často připisována německému biologu, vědci a politiku Rudolfu Virchowi, který však nebyl první, kdo s ní přišel, ale rozšířil ji a zasloužil se o její popularizaci). Vzhledem k tomu, že každý živý organismus musí z něčeho vzniknout, růst, vyvíjet se a obnovovat své buňky, je pro něj tento děj naprosto ne­ zbytný. Než se začneme zaobírat buněčným cyklem, potřebujeme se seznámit s tím, co vše v buňce najdeme. Pro účely této práce se budeme bavit o živočišných buňkách, které se od rostlinných odlišují zejména absencí buněčné stěny. Dle Trojana a kol. (2003) je živočišná buňka ohraničena cytoplazmatickou membránou, která je složena ze dvou vrstev fosfolipidů. Ty mají hydrofilní a hydrofobní konec a jsou uspořádány tak, že mají hydrofilní konce vně a uvnitř buňky, a hydrofobní konce jsou skryty mezi těmito dvěma vrstvami konců hydrofilních. Její obsah je vyplněn tekutou cytoplazmou, ve které jsou pomocí cytoskeletu, představujícího jakousi buněčnou kostru, přichyceny útvary zvané organely a další struktury uvedené dále. Těch je mnoho druhů, které se od sebe odlišují tvarem, velikostí i funkcí. Na základní škole se žáci seznamují s těmito organelami a částicemi: jádro, jadérko, mitochondrie, ribozomy, endoplazmatické retikulum a Golgiho aparát. Tuto látku se žáci učí již v šesté třídě (Černík 2016), kdy jsou seznámeni s existencí a stavbou buněk, jak je vidět na Obrázek 7, který je snímkem z učebnice pro šestý ročník, ale pro pochopení principu buněčného dělení a práci s přiloženými modely je potřeba si s nimi tuto látku zopakovat. Tento postup je uplatněním didaktické zásady soustavnosti a posloupnosti, jelikož nové poznatky, tedy princip mitózy, opíráme o poznatky osvojené v minulých letech, tedy stavba a funkce buňky, a také zásady trvalosti, jelikož nejen, že s žáky opakujeme již probrané učivo, ale zároveň na něj i navazujeme učivo nové. Dalším pojmem, který musí žáci ZŠ znát, je chromozom, které jsou v modelech také vyznačeny a jsou jedněmi 27 BUŇKA A JEJÍ DĚLENÍ z nej důležitějších účastníků mitózy. O nich i o buněčném dělení se žáci učí v osmé třídě (Černík 2015). Mimo tyto organely jsou v přiložených modelech ještě centrozomy, které jsem do nich zařadila kvůli tomu, že z nich následně vzniká dělící vřeténko, o kterém se již učebnice i učitelé zmiňují. Pro účely základní školy jsem je však v pracovních listech označila pojmem základ dělícího vřeténka, jelikož to bude pro žáky pochopitelnější než název centrozom, který znát nemusí a je proto nadbytečné je s ním seznamovat. Jádro Jádro je velkou a z celé buňky většinou nejlépe pozorovatelnou organelou (viz Obrázek 8), která je pro buňku důležitá tím, že nese genetickou informaci. Ta je zakódována v dlouhých molekulách DNA, které jsou pozorovatelné pod mikroskopem v období mitózy, kdy se v podobě chromozomů zkrátí, zkondenzují a stočí do tvaru X. Jádro je od okolní cytoplazmy odděleno jaderným obalem a obsahuje především chromozomy a jadérko. (Alberts a kol. 2005) 28 BUŇKA A JEJÍ DĚLENÍ Obrázek 8 - Jádra obarvených leukocytu, snímek ze světelného mikroskopu (foto autorka) Jadérko Dle Trojana a kol. (2003) se jadérko vyznačuje tím, že obsahuje velké množství ribonukleové kyseliny, zkráceně RNA, a proteinů. Není ohraničeno membránou a je viditelné během interfáze. Nečas a kol. (2000) ve své práci dále uvádí, že jadérek může být v jádře buňky i více, a to, že mají hlavní úlohu v tvorbě ribozomů. Během profáze dochází k jejich rozpadu a znovu se utváří až během telofáze (viz níže). Mitochondrie Mitochondrie mají dle Šípka (2011) funkci energetického jádra buňky. Jsou obaleny dvojitou membránou, přičemž vnitřní membrána vybíhá vkristy, jak můžeme vidět na Obrázek 9. Plocha vnitřní membrány je těmito kristami zvětšena přibližně na pětinásobek. Vnitřní hmota mitochondrie se označuje matrix a podobně jako chloroplasty u rostlinných buněk obsahuje vlastní genetickou DNA. Jejich hlavní funkcí je syntéza ATP (adenosintrifosfátu) zADP (adenosindifosfátu) díky přítomnosti ATP syntáz přítomných ve vnitřní membráně. (Nečas a kol. 2000) 29 BUŇKA A JEJÍ DĚLENÍ Obrázek 9 - Znázornění mitochondriálních membrán (Alberts a kol. 2005, s. 11) Ribozomy Ribozomy jsou dle Trojana a kol. (2003) organely složené ze dvou podjednotek. Najdeme je buď volně v cytoplazmě, nebo přichycené na cytoplazmatickou membránu, typicky endoplazmatického retikula. Pohybují se po řetězci mRNA, tedy messenger neboli informační ribonukleové kyseliny, která zajišťuje přenos genetické informace buňkou, a syntetizují peptidový řetězec. Voet a Voetová (2010) mimo to uvádí, že jejich podjednotky jsou samosložné, což znamená, že v případě, že se v roztoku nachází jejich komponenty, se mohou za správných podmínek vybudovat podjednotky samy, bez přítomnosti dalších činitelů. Jsou složeny z RNA a proteinů a zajišťují proteosyntézu důležitou pro buněčné dělení. Endoplazmatické retikulum Endoplazmatické retikulum je dle Nečase a kol. (2000) organela zajišťující tvorbu molekul biomembrán a proteinů s extracelulární (mimobuněčnou) funkcí a regulaci koncentrace kalciových iontů v cytoplazmě. Molekuly biomembrán zahrnují membránové lipidy a transmembránové proteiny a jsou důležité jak pro stavbu membrán ostatních membránových organel, tak i pro přenos látek přes membrány. Některé látky totiž přechází přes membrány pouhou difúzí, ale jiné potřebují ke svému transportu speciální proteiny, které jsou do membrány zabudovány. Proteiny s extracelulární funkcí jsou zejména hormony, enzymy a krevní bílkoviny, které zajišťují průběh chemických reakcí a přenos informací mezi jednotlivými buňkami organismu. Regulace koncentrace kalciových iontů je důležitá pro příjem signálů z jiných buněk, bez kterých by buňka nemohla zahájit adekvátní reakci. Endoplazmatické retikulum se skládá z komplexu lamel a cisteren, uvnitř kterých se nachází lumi- 30 BUŇKA A JEJÍ DĚLENÍ nální prostor vyplněných endoplazmatickou matrix a dělí se na drsné (granulami) a hladké (agranulární). Drsné se vyznačuje tím, že jsou na jeho povrchu přichyceny ribozomy, a proto je důležité pro tvorbu proteinů, a to jak těch s extracelulární funkcí, tak i proteinů biomembrán. Hladké má absenci ribozomů a je důležité pro tvorbu většiny lipidů biomembrán, tedy zejména fosfolipidů. Také se podle Albertse a kol. (2005) více zapojuje do regulace kalciových iontů v cytoplazmě, a to tím, že v lumen udržují jejich vysokou koncentraci. Pokud dojde pomocí signálních drah k doručení signálu, otevřou se kalciové kanály a tím se zvýší koncentrace Ca++ v cytoplazmě. To vede například u svalových buněk k jejich stahu, přičemž k opětovné relaxaci dochází díky zpětnému toku Ca++ pomocí přenašečů v membráně zpět do cisteren endoplazmatického retikula. Golgiho aparát Golgiho aparát svou funkcí částečně navazuje na endoplazmatické retikulum, jelikož vněm pokračuje syntéza proteinů, která započala v granulárním endoplazmatickém retikulu. Zároveň v něm dochází ještě k syntéze polysacharidu (Trojan a kol. 2003). Může být v buňce jen jeden, jak tomu je u živočišných buněk, ale také až několik set u buněk rostlinných. Jedná se o několik oddělených cisteren, viditelných na Obrázek 10, z nichž každá zajišťuje jiný biochemický proces. Metabolity z endoplazmatického retikula putují do Golgiho aparátu, mezi jednotlivými cisternami i ven z buňky uzavřené do transportních měchýřků, které zajišťují, že neovlivní žádné další procesy v cytoplazmě buňky. Některé z nich mohou být totiž schopny rozkládat určité látky vyskytující se v cytoplazmě, které jsou důležité pro správnou funkci buňky, čemuž je potřeba zabránit (Nečas a kol. 2000). 31 BUŇKA A JEJÍ DĚLENÍ 1|im Obrázek 10 - Golgiho aparát - schéma a snímek z elektronového mikroskopu (Alberts a kol. 2005, s. 14) Chromozomy Chromozomy v sobě dle Nečase a kol. (2000) nesou genetickou informaci o všech částech organismu, tedy celý jeho genom. Jsou odlišné u prokaryotních a eukaryotních organismů. U prokaryot jsou ve formě jedné kružnicové molekuly DNA. Pro účely této práce se budeme zabývat chromozomy eukaryot, které nalezneme v jejich jádře. V jádru eukaryot je, jak můžeme vidět na obrázku níže, dvoušroubovice deoxyribonukleové kyseliny obmotaná kolem diskovitých tělísek, kterým se říká nukleosomy. Nukleosomy s obmotanou DNA se dále kondenzují do podoby chromatinu, kdy je slabší vlákno z nukleosomů hustě zpřehýbané do podoby silnějšího vlákna chromatinu. Během metafáze se tento chromatin dále stáčí a tím vytváří chromatidy. Spojením dvou identických dceřiných chromatid vzniká jeden kondenzovaný chromozom ve tvaru X. Dceřiné chromatidy tak představují ramena, která jsou spojena centromerou. Kromě DNA a nukleosomů obsahují chromozomy ještě histony H l , což jsou bazické bílkoviny, a kyselé bílkoviny nehistonového charakteru. Ty určují, jakým způsobem je řetězec DNA prostorově uspořádán. I nukleosomy jsou tvořeny histony, a to konkrétně čtyřmi páry (H2A, H2B, H3 a H4). Na centromeru přiléhá 32 BUŇKA A JEJÍ DĚLENÍ speciální struktura kinetochor, na který jsou během mitózy navázána vlákna dělícího vřeténka. (Otova a kol. 2008) krátký úsek dvojšroubovice DNA „korálková" forma chromatinu 30-nm chromatinové vlákno s poskládanými nukleosomy 11 n m T 30 nm 1 úsek c h r o m o s o m u v rozvinuté formě kondenzovaný úsek c h r o m o s o m u úplný mitotický Chromosom chromatidy Obrázek 11 - Schéma kondenzace DNA (Nečas a kol. 2000, s. 92) Počet chromozomů se u jednotlivých organismů liší a dle (Voet a Voetová 2010) bývají v každé tělesné buňce v souhlasných párech, kdy jsou od každého chromozomu přítomny dvě kopie. Člověk jich má dle Nečase a kol. (2000) 46, tedy 23 párů, komár pisklavý pouhých 6 (3 páry), ale například lípa jich má 82 (41 párů) a rak 116 (58 párů). Nezáleží tedy pouze na složitosti, evoluční vyspělosti a zařazení organismu do systému, ale na mnoha faktorech. 33 BUŇKA A JEJÍ DĚLENÍ Centrosomy Centrosom, dále označovaný jako základ dělicího vřeténka, je dle Otové a kol. (2008) mikrotubulární organizační centrum buňky, jehož funkcí je rozdělení chromozomů jednoho jádra do dvou. To se děje pomocí mikrotubulů, které z nich vybíhají, připojují se ke kinetochorám chromozomů a rozdělují je na dvě dceřiné chromatidy. Jejich základem je v živočišných buňkách dvojice na sebe kolmých centriol, které se skládají z devíti trojic mikrotubulů uspořádaných do tvaru válce. Nečas a kol. (2000) však uvádí, že centrioly nejsou pro činnost centrosomu zásadní, jelikož vyšší rostliny a houby je ve svých centrozomech vůbec neobsahují, a k mitóze i tvorbě dělicího vřeténka u nich přesto dochází. 2.2 Mitóza Buněčné dělení je jednou z částí buněčného cyklu. Ten se dělí na 4 části - Gl-fázi, S-fázi, G2-fázi a M-fázi, které jsou vyznačeny na Obrázek 13. M-fáze neboli ono buněčné dělení v sobě zahrnuje mitózu, která znamená dělení jádra, a cytokinezi neboli cytokinetické dělení, během kterého se jedna mateřská buňka s již rozděleným jádrem rozdělí na dvě buňky dceřiné. Gl-fáze, S-fáze, G2-fáze se souhrnně označují jako inter- 34 BUŇKA A JEJÍ DĚLENÍ fáze, a dochází během nich k transkripci neboli přepisu genů, zdvojení centrozomu, syntéze proteinů a zvětšování buňky. Přepis genů se děje konkrétně v S-fázi, stejně jako duplikace centrozomu. (Otova a kol. 2008) Mitóza se skládá z pěti kroků, a to profáze, prometafáze, metafáze, anafáze a telofáze, jež jsou vyznačeny na Obrázek 14. Během profáze dochází v jádře ke zkrácení a kondenzaci chromozomů a rozpadu jadérek. Mimo buňku se centrozomy oddalují od sebe, zaujímají pozici v pólech buňky a začínají tvořit dělící vřeténko. Následuje prometafáze, na jejímž začátku se rozpadá jaderný obal. Chromozomy se připojují svým křížením (kinetochory) na mikrotubuly dělícího vřeténka a tím jsou připraveny na pohyb. V metafázi se chromozomy srovnají v ekvatoriální rovině dělícího vřeténka uprostřed mezi jeho póly. Během následující anafáze je každý chromozom rozdělen na dvě dceřiné chromatidy, přičemž každá z nich je tažena k protilehlému pólu vřeténka, čímž se oddělí. Zároveň se póly oddalují od sebe a tím dochází k prodlužování celé buňky. Jako poslední přichází na řadu telofáze, v níž se obě sady chromozomů dostanou k pólům vřeténka a obalí se nově vzniklým jaderným obalem. Spolu s tím se vytvoří jadérka a u živočišných buněk se začíná tvořit i kontraktilní prstenec, který se následně účastní cytokineze. Celá mitóza je ukončena vznikem jaderných obalů a tím i dokončením vzniku dvou jader. (Alberts a kol. 2005) Cytokineze ve většině případů nastává okamžitě po konci mitózy. Pokud k ní nedojde a rozdělí se pouze jádro, vznikne vícejaderná buňka. Cytokineze je odlišná u živočišných a rostlinných buněk, jelikož u živočišných probíhá zaškrcováním od obvodu do středu pomocí kontraktilního prstence, zatímco u rostlinných buněk se vytváří nová cytoplazmatická membrána rozdělující buňku přepážkou od středu k jejímu obvodu. U některých organismů, jako jsou například prvoci a kvasinky, se buňky dělí pučením, což znamená, že se utvoří pupen, který se s menším množstvím cytoplazmy zaškrtí, oddělí a až následně doroste. (Šípek 2011) Výsledkem jsou ve všech případech dvě dceřiné buňky nesoucí stejnou genetickou informaci. (Alberts a kol. 2005) 35 BUŇKA A JEJÍ DĚLENÍ 36 BUŇKA A JEJÍ DĚLENÍ Profáze 1. DNA kondenzuje do kompaktních mitotických chromozomů Z Dochází k rozpadu cytoskeLetu a obalu jádra a vzniku dělicího vřeténka 3. Golgiho komplex a endoplazmatické retikulum se dělí v Prometafáze 1 Chromozomální mikrotubuly dělicího vřeténka se navazují na kinetochory chromozomů Z Chromozomy jsou přesunuty do ekvatoriální roviny Metafáze 1. Chromozomy jsou zarovnány do ekvatoriální roviny tvořící metafázový plát a uchyceny mikrotubuly k oběma pólům dělicího vřeténka Ě\t\ 40? Anafáze 1 Chromozomy se štěpí, chromatidy se woddělují Z Chromatidy jsou přitahovány k opačným pólům vřeténka 3. Centrosomy se pohybuji směrem od sebe TeLofáze 1. Chromozomy se shlučují na pólech Z Kolem nahtoufených chromozomů se tvoři jaderné obaly, timž vzniknou dvě samostatná jádra 3. Chromozomy se dekondenzují 4. Endoplazmatické retikulum a Eolgiho aparát se znovu spojuji a utváří M 1. Chromozomy se shlučují na pólech Z Kolem nahtoufených chromozomů se tvoři jaderné obaly, timž vzniknou dvě samostatná jádra 3. Chromozomy se dekondenzují 4. Endoplazmatické retikulum a Eolgiho aparát se znovu spojuji a utváří wObrázek 14 - Stádia mitózy, v prostředním sloupci schéma rostlinné buňky, v pravém fotografie obarvené živočišné buňky z elektronového mikroskopu (Karp 2013, s. 582, upraveno) 37 BUŇKA A JEJÍ DĚLENÍ 2.3 Produkty na trhu Na českém trhu je k dostání pouze jeden model mitózy, a to od výrobce 3B Scientific GmbH. Zakoupit se dá od 9 535 korun českých (Kč) s daní z přidané hodnoty (DPH) na stránkách Anatomické modely až po 15 378 Kč s DPH na stránkách SKOLATO s.r.o. - nábytek a vybavení pro školy MŠ a obce. Na oficiálních stránkách 3D Scientific je k dostání za 418.66 €, což je v přepočtu přibližně 10 250 Kč. Dále se dá zakoupit na českých e-shopech HELAGO, Anatomické pomůcky.cz - anatomické modely a simulátory Cvičební pomůcky.cz - rehabilitační a fitness vybavení, WEVE REHA, MULTIP, Baar Group a Vybavení škol - obchod pro každého, seřazeno od nejlevnějšího po nej dražší (Anatomické modely 2022; SKOLATO 2022; 3B Scientific 2022; Studio Animato 2022; Tivali, s.r.o. 2022a; 2022b; WEVE REHA s.r.o. 2022; Multip 2022; Baar Group 20232; Vybavení škol 2022). Obrázek 15 - Model mitózy od firmy 3D Scientific (3B Scientific 2014) Jak uvádí návod k použití na oficiálních stránkách výrobce (3B Scientific 2014), tak i český návod od firmy CONATEX-DIDACTIC (2015), tento model obsahuje model interfáze, 7 modelů mitózy a cytokinezi, stejně jako modely vytvořené pro účely této práce. Oba zdroje 38 BUŇKA A JEJÍ DĚLENÍ však uvádí, že je cytokineze součástí mitózy, což dle Albertse a kol. (2005) není pravda, jelikož mitóza je ukončena vznikem dvou jader, a kcytokinezi, která je dalším, sice navazujícím, ale samostatným dějem, nemusí vůbec dojít. Kvůli tomu by mohlo dojít k matení učitele a následně i k předávání nepřesných informací žákům. Interfázi sice mají oba návody správně vyčleněnou zvlášť, ale na prodejních stránkách je taktéž zahrnuta pod mitózu. Co se týká jednotlivých modelů, i v nich jsou viditelné nepřesnosti. V modelu interfáze je Golgiho aparát umístěn hned vedle jádra, ale podle Karpa (2013) by mezi nimi mělo být umístěno endoplazmatické retikulum, na které podle Nečase a kol. (2000) svou funkcí navazuje, a ze kterého do něj přichází směrem od jádra látky, které upravuje a v transportních měchýřcích je vylučuje směrem k periferii buňky. Dalším nedostatkem je nerozlíšení hladkého a drsného endoplazmatického retikula, která se liší jak svou stavbou, tak i funkcí (Nečas a kol. 2000). V interfázi by navíc mělo být vcelku a umístěné kolem jádra, nikoli rozdělené po celé buňce (Karp 2013). K jeho dělení a počátku pohybu cytoplazmou totiž dochází dle Albertse a kol. (2005) až během profáze mitózy. Nepřesný je i počet modelů mitózy, která má podle Otové a kol. (2008) pět fází, a to profázi, prometafázi, metafázi, anafázi a telofázi. V tomto modelu je však sedm modelů týkajících se samotné mitózy. Profázi a anafázi mají totiž rozdělenou na ranou a pozdní (CONATEXDIDACTIC 2015). Toto rozdělení bylo zřejmě zvoleno pro lepší názornost, ale z biologického hlediska může být matoucí, jelikož se nejedná o rozdělení, které by se běžně používalo. Velkou výhodou oproti obrázkům v učebnicích i odborné literatuře je na základě našeho pozorování to, že jsou organely viditelné po celou dobu dělení. Je díky tomu zřejmé, že se některé z nich rozpadnou na menší části a dělí mezi dvě nově vznikající buňky, případně ke dvěma jádrům jedné vícebuněčné buňky, a poté se opět spojí a dorostou. Na obrázcích to totiž často vypadá, že organely úplně zmizí, a poté se opět objeví, aniž by měly jakýkoli základ, ze kterého mohly vzniknout. Modely jsou umístěny na podložce, ke které jsou přichyceny magnetem, jak je vidět na obrázku Obrázek 16. Dá se s nimi tedy manipulovat, poslat je po třídě nebo je ukazovat postupně, ale díky magnetu drží na podložce i při jejím naklonění, díky čemuž se dá celá sestava i zavěsit na stěnu (CONATEX-DIDACTIC 2015). 39 BUŇKA A JEJÍ DĚLENÍ Obrázek 16 - Modely mitózy - ukázka sejmutí modelu (3B Scientific 2014) Modely jsou sice trojrozměrné a barevné, ale při pohledu zboku není jejich horní plocha nijak výrazně plastická, jsou na ní jen velmi mírné vyvýšeniny. Obrázek 17 - Model mitózy - struktura vrchní plochy (3B Scientific 2014) 40 3 D MODELY A JEJICH TVORBA 3 3D modely a jejich tvorba 3.1 Tvorba modelů Pro tvorbu modelů vytvářených pro účely této práce byl zvolen, jak je již zmíněno výše, program Solid Edge od firmy Siemens. Tento program má velmi dobře a přehledně zpracovanou dokumentaci, která může pomoci v začátcích využívání tohoto programu (Siemens 2020a). Prvním krokem tvorby 3D modelu je vytvoření nového dokumentu, které je zachyceno na obrázku Obrázek 18. Ten se vytváří na základě šablon buď vlastních, nebo založených na nějaké normě, mezi které patří ISO (International Organization for Standardization neboli Mezinárodní organizace pro normalizaci), ANSI (American National Standards Institute, tedy Americký národní standardizační institut) a další. U šablon založených na normě ISO se dá vybrat mezi metrickou součástí, plechovou součástí, metrickou sestavou, metrickým výkresem a metrický svařencem. Nový 1 i -111 Metrická součást ISO VyTvofi nový dokument souras Metrická plechová součást ISO Vytvoíi nový dokumentplechoví iouiísa pomocí výchozíiabtony Metrická sestava ISO Vytvofi nový dokument sestavy pomoci výchozí iaetony Metrický výkres ISO VytvoK nový dokument výkresu pomoci výchoB iabtony Metrický svařertec ISO VyTvofinový dokument svaienc* Obrázek 18 - Tvorba nového dokumentu v programu Solid Edge (Siemens 2020b) Pro tvorbu modelů mitózy se nejvíce hodí šablona metrická součást ISO. Od typu dokumentu se odvíjí i jeho přípona, kterou je u me- 41 3 D MODELY A JEJICH TVORBA trické součásti par, znamenající dokumenty součástí. Model může být jak synchronní, tak i sekvenční, v rámci jednoho dokumentu je možné tyto prvky dokonce i kombinovat. Synchronní prvky jsou dané souborem ploch, které definují jeho tvar. Tvoří se v synchronním režimu, který je vyhrazen pro modelování bez historie, což znamená, že se mohou upravovat plochy modelu, ale není možné navrácení do některého z předchozích kroků tvorby tohoto prvku. U sekvenčních prvků je princip opačný, upravuje se na základě předchozích kroků tvorby, nikoli úpravou ploch. Při vytvoření nového dokumentu založeného na šabloně metrické součásti se nám zobrazí na pracovní ploše Base, což je základní souřadnicový systém os XYZ. Zároveň jsou zobrazeny tři základní referenční roviny, a to nárys XZ, rovina horního pohledu - půdorys XY a rovina pohledu zprava - pravý bokorys YZ. Skica, která je základem modelu, se dá tvořit jak na těchto základních referenčních rovinách, tak i na dalších, které si uživatel může vytvořit, nebo jakékoli rovinné ploše. Rovinami, které může vytvořit uživatel, jsou shodná, kolmo ke křivce, třemi body a tečně. Rovina, do které chce uživatel kreslit skicu, se uzamyká tlačítkem F3. Obrázek 19 - Uživatelské prostředí dokumentu metrické součásti v programu Solid Edge (Siemens 2020b) Modely tvořené pro účely této práce byly tvořeny v synchronním režimu. Výchozí buňka znázorňující konec interfáze má tvar elipsy o šířce 10, výšce 14 centimetrů a úhlu 90 ° a byla vytvořena nástrojem Elipsa středem. Následně byla vytažena o 3 centimetry směrem dozadu, 42 3 D MODELY A JEJICH TVORBA čímž vznikl eliptický válec. Jeho spodní hrana byla zaoblena, a to nástrojem Zaoblení o poloměru 3 centimetry. |M"h—. - i t t ^ ' a ) — » 1 MÍ- - * •• • • • •»•«- ^ í í Obrázek 20 - Tvorba základního tvaru buňky (Siemens 2020b) Na horní plochu tohoto tvaru byly nástrojem Křivka nakresleny organely a další částice, které se v buňce nachází, a o kterých se žáci učí na druhém stupni základní školy. Křivky mají dostatečný počet editačních bodů pro vytvarování potřebných struktur, zároveň by jich však neměly mít zbytečně mnoho, aby nedocházelo k nadměrnému zvětšení souboru a zatížení operační paměti počítače při práci s nimi. Všechny křivky musely být kvůli následným úpravám uzavřeny, proto bylo v místech, kde docházelo k napojení dvou různých křivek, využito vazeb pro jejich spojení a uzavření. V levé části obrázku je zachycen i strom modelu, pomocí kterého je možná lepší orientace při následných úpravách. Obrázek 21 - Kreslení křivek (Siemens 2020b) 43 3 D MODELY A JEJICH TVORBA Dalším krokem bylo protlačení či vysunutí ploch struktur tvořených křivkou nástrojem Vysunout. Většina ploch byla protlačena směrem do buňky o vzdálenost 4 milimetry. Výjimkou jsou kristy mitochondrií, které byly protlačeny pouze o 2 milimetry, a ribozomy, které byly o 2 milimetry naopak vysunuly. U ribozomů bylo následně provedeno i jejich zaoblení s poloměrem 2 milimetry, čímž vznikly vystouplé polokoule. Obrázek 22 - Vysunutí a protlačení organel a dalších částic buňky (Siemens 2020b) Obrázek 23 - Dokončená první buňka v programu Solid Edge (Siemens 2020b) Pro vytvoření dalších modelů byly jednotlivé křivky přesunuly a upraveny. U některých byly nástrojem Rozdělit rozděleny na menší části, které byly následně nástrojem Připojit uzavřeny, aby se docílilo vzniku ploch potřebných pro následné navazující úpravy. Zároveň se měnil i tvar buňky - nejprve se protahoval do délky, následně se změnil tvar z elipsy na nepravidelný, který se od šestého modelu začal v polovině zužovat, až došlo mezi sedmým a osmým modelem k úplnému oddělení dvou nově vzniklých buněk. Ty jsou velmi podobné první úvodní buňce, mají i stejný tvar, jsou oproti ní však poloviční. Tím je naznačen buněčný cyklus, kdy během interfáze buňka dorůstá a připravuje se na další dělení. Tloušťka všech modelů je 3 centimetry, zůstávala tedy konstantní. Zaoblení bylo od čtvrtého po sedmý model možno nastavit pou- 44 3 D MODELY A JEJICH TVORBA ze na 29 milimetrů, má tedy o milimetr menší poloměr než u předchozích buněk. V programu je znatelný přechod, jelikož je v něm vyznačen zlom, ale po následném exportu není tento rozdíl patrný. U sedmé buňky bylo zaoblení použito dvakrát, a to podruhé vmiste cytokineze s poloměrem 10 milimetrů, jelikož po jednom zaoblení vznikl v tomto místě neestetický a biologicky nepřesný zlom. Všechny modely jsou k dispozici v příloze B ve formátu PAR. Obrázek 24 - Korekce zaoblení u sedmého modelu (Siemens 2020b) * & II ř v / i \*\ r A(4| r Pí T t \ 11 % í / / 1 \ 1 1 / i oj * ( * Obrázek 25 - Všechny modely v programu Solid Edge (Siemens 2020b) 45 3 D MODELY A JEJICH TVORBA 3.2 Příprava modelů pro tisk Před samotným tiskem je potřeba modely nejen vytvořit či stáhnout, ale také je převést do souboru, který tiskárna přečte, a podle kterého může tisknout. Jaké programy jsou nejběžněji využívány a základní princip jejich funkce je popsán v kapitole 1.1. Pro slicování modelů vytvořených pro účely této práce byl využit PrusaSlicer, který je optimalizovaný pro tiskárny Prusa. Prvním krokem je export do formátu, který se dá zobrazit ve sliceru, tedy 3MF nebo STL. V této práci byl využíván formát STL, jelikož v něm byl dle mého pozorování lepší výstup, což bylo pravděpodobně dáno nesprávným nastavením. Export převede model na sestavu mnohoúhelníků, pro které můžeme ve formátu 3MF zvolit jejich toleranci převodu, úhel roviny plochy a další parametry, které určují nejen kvalitu exportu, ale i jeho rychlost a velikost výsledného souboru. U formátu STL jsou v programu Solid Edge předem dány tímto programem. Obrázek 26 - Export do formátu STL v programu Solid Edge (Siemens 2020b) Dalším krokem je již samotné rozvrstvení a převod do formátu GCODE v programu PrusaSlicer. Základními volbami jsou šířka tiskové vrstvy, typ filamentu, typ tiskárny, na které se model tiskne, případné podpěry a hustota výplně. 46 3 D MODELY A JEJICH TVORBA Sobor Etfbnl Okno ZoWaícni Konfigurace FWnot — — — • í.p«t . i, ::."v-n- t;. ,Mirv-uF«ař™: -|0 • B <*wicWA v|0 A < • > V ľ* 1 ., :•• • •. . •/<., -|Q Vfctt|» - Umel- ] jwdni.bui*a.(i.-l.anih|.tniisll <3> K I Z Oloiil: [O || 0 0 |* í ^ MítUtoj TO |j TO TO % Rom*; 201.13 J MIM || 22 jmn. • »»" Skont Obrázek 27 - Ukázka uživatelského prostředí PrusaSliceru (Prusa Research 2019) Šířka tiskové vrstvy se dá zvolit od 0,05 mm do 0,3 mm. Ovlivňuje kvalitu tisku, jelikož širší vrstva znamená znatelnější přechod mezi nimi obzvláště na šikmých plochách, a jeho rychlost, protože čím nižší je vrstva, tím více jich musí tiskárna vytisknout, přičemž čas tisku jedné vrstvy je stále téměř stejný, a tím déle tisk trvá. To je zachyceno na obrázku Obrázek 28, kde je vidět, že tisk při šířce vrstvy 0,3 mm by tisk trval přibližně 4 a půl hodiny, zatímco při šířce 0,05 mm více než 34 hodin. Pro modely vytisknuté pro účely této práce byla zvolena šířka vrstvy 0,15 mm, která je kompromisem mezi kvalitou a rychlostí tisku. Typ filamentu dává tiskárně informace o tom, z jakého materiálu se bude tisknout, a tím udává teplotu, na kterou je potřeba zahřát extruder a podložku. Typ tiskárny je důležitý kvůli velikosti tiskové podložky, která se zobrazuje i ve sliceru a omezuje velikost modelu. Podpěry nebylo potřeba při tisku použít, ale u některých jiných modelů, než které byly vyrobeny pro účely této práce, na kterých jsou velké převisy, může být využití podpěr nezbytné. Výplň byla zvolena pětiprocentní, jelikož úplně bez ní by se mohl model hroutit při tisku či snadno rozbít při práci s ním, ale na větší hustotu výplně by se zbytečně spotřebovalo více filamentu, čímž by rostly tiskové náklady. 47 3 D MODELY A JEJICH TVORBA Typ Čas Procentuálně Typ Čas Procentuálně | Perimetr 2 6 m 1 9.5% | Perimetr 7 h 3 7 m 22.3% Vnější perimetr 41 m • 14.6% Vnější perimetr 6 h 1 1 m • 18.1% Vnitřní výplň 26m 1 9.5% Vnitřní výplň 5 h 2 0 m • 15.6% Plná výplň 2 h 6 m • • 45.6% Plná výplň 1 2 h 2 8 m M i 36.5% Vrchní plné výplně 25m 1 9.1% Vrchní plné výplně 3 3 m 1 1.6% Výplň m o s t ů 23m 1 8.4% Výplň m o s t ů 3 S m 1 1.7% | Výplň tenkých stěn 8 m 1 2.8% | Výplň tenkých stěn 1h23m 1 4.0% Obrys 57s 0.3% Obrys 1m 1 0.1% Odhadovaný čas tisku [Normální režim]: 4 h 3 7 m Odhadovaný čas tisku [Normální režim]: 1 d 1 0 h 7 m Tichý režim Tichý režim Obrázek 28 - Doba tisku při šířce vrstvy 0,3 mm (vlevo) a 0,05 mm (vpravo) (Prusa Research 2019) Další volby nalezneme po levé straně PrusaSliceru, jak je vidět na obrázku Obrázek 27. Jsou to nástroje Přesunout, Měřítko, Otočit, Umístit plochou na podložku, Řezat, Malování podpěr a Malování pozice švu. Pomocí volby Přesunout posouváme model po tiskové podložce, díky čemuž jich na ni můžeme umístit více nebo v případě, že máme na nějakém místě poškozený povrch podložky, posunout model mimo toto poškození. Měřítko mění velikost modelu, a to jak symetricky, tak i do jednoho směru. Pomocí nástroje Otočit se dá s modelem otáčet do všech směrů, tedy nejen ve vertikální rovině, ale do kteréhokoli směru o libovolný úhel. Umístit plochou na podložku nebylo využito při tisku výsledných modelů, ale v průběhu jejich zpracování byl testován tisk horní i dolní plochou na podložku, abych se zjistilo, jak bude tisk nejkvalitnější. Nakonec však byla zvolena ještě další volba, a to Řezat, pomocí které se model rozdělí na horní a spodní část, které se obě tiskly plochou řezu na podložku, a následně byly slepeny. Toto rozřezání modelu, které bylo u všech modelů provedeno ve výšce 22 milimetrů, je viditelné na obrázkuObrázek 27. Malování podpěr umožňuje uživateli určit, kde je jejich využití vhodné, což bývá zejména v místě velkého přesahu, kde by jinak tisk nebyl možný, jelikož by se model bortil. Tiskárna totiž nemůže tisknout do vzduchu, a to ani v případě, kdy by byl filament přichycen jednou stranou k modelu, protože by rozehřátý elastický filament svou vahou klesl. Jediný případ, kdy je možný tisk nad prázdnou plochou, je přemostění, tedy natáhnutí filamentu mezi dvěma podpěrnými body. Pro tisk modelů v této práci nebyly podpěry využily, tudíž nebyl využit ani tento nástroj. Malování pozice švu se dá využít u modelů, u kterých je potřeba hladký povrch výtisku, a zároveň obsahují mís- 48 3 D MODELY A JEJICH TVORBA to, na kterém nebude šev viditelný. Příkladem mohou být figurky postaviček, u kterých se dá šev skrýt v záhybech oblečení či umístit na záda, aby nebyl viditelný při pohledu zepředu například při umístění na poličku. Když se šev nenamaluje ručně, umístí se tak, aby nebyl ve více vrstvách přímo nad sebou, ale rozkouskuje se do více míst, aby byl méně nápadný. To je zřetelné na obrázkuObrázek 29, přičemž je šev vidět pouze pod jasným světlem pod určitým úhlem. Mimo volby a nástroje zmíněné výše má PrusaSlicer i další nastavení tisku, která jsou zachycena na obrázkuObrázek 30. Zelenou barvou jsou označena jednoduchá, tedy základní, nastavení, žlutou pokročilá, a červenou ta s označením Expert. Šedý uzavřený zámek označuje volby, které jsou předdefinované a doporučené programem, oranžový odemčený poté ty, u kterých proběhla nějaká změna. Kategoriemi jsou nastavení tisku, nastavení filamentu a nastavení tiskárny. Při kliknutí na volbu Podložka se uživatel vrátí to předchozího prostředí, které je rozebráno výše. Každá z kategorií má další podkategorie. Podkategorie nastavení tisku jsou zachyceny na obrázkuObrázek 30 vlevo. Černým písmem jsou podkategorie se změnou, zeleným ty s doporučeným na­ stavením. Obrázek 29 - Umístění švu na modelu (foto autorka) 49 3 D MODELY A JEJICH TVORBA % PrusaSlicer-2.3.3 založený na Slic3r Soubor Editovat Okno Zobrazení Konfigurace Pomoc Podložka Nastavení tisku Nastavení filamentu Nastavení tiskárny 0.15mm QUALITY @ M K 3 - Kopie š Vrstvy a perimetry O Výplň O Obrys a límec Q Podpěry © Rychlost T Více Extruderů C Ô Pokročilý @ Možnosti výstupu @| Poznámky % Závislosti Připraven ke slicování Ironing Zapnout ironing: Způsob vyhlazování: • Průtok: • Mezery mezi žehíicími tahy: Zkracování tiskového času "' Kombinovat výplň každou: • Výplň pouze kde je potřeba: G • Výplh Hustota výplně: G • • Vzor výplně: G • Délka výplňové kotvy: Q • Maximální délka výplňové kotvy: Q • • Vzor výplně horní vrstvy: Q • • Vzor spodní výplně: Q • 5% Gyroid 2.5 12 Monotónní - Monotónní • Všechny horní povrchy mm nebo % mm nebo % % mm a • • : vrstva(y) Pokročilý • Plná výplň každou: a 1 Úhel výplně: a • 45 ^Prahová hodnota plochy pro plnou výplň: a • |o Úhel vytváření mostů: a * 0 ^ Provést retrakci pouze při přejíždění perimetrů: a • • ^ Tisknout výplň před tiskem perimetrů: a • Obrázek 30 - Další nastavení PrusaSliceru (Prusa Research 2019) Po zhodnocení všech voleb přichází na řadu slicování. V tomto kroku se model rozvrství a uživatel se může podívat na statistiky týkající se tisku. Může si zobrazit rozvrstvení obarvené podle různých parametrů, a to podle typu, výšky, šířky, rychlosti extruderů, rychlosti ventilátoru, objemového průtoku, nástroje či barevného tisku. Na obrázkuObrázek 31 je zachyceno zobrazení podle typu. V levém horním rohu se nachází legenda, ve které najdeme, jakou barvou je v zobrazeném modelu vyznačen který typ tisku, čas, který bude potřeba pro tisk všech struktur stejného typu, a procentuální zastoupení v celkovém čase tisku. V pravém dolním rohu se nachází informace o slicování, které zahrnují potřebné množství filamentu v metrech, milimetrech krychlových a gramech, z čehož odhaduje přibližné náklady. Dále obsahují odhadovaný čas tisku, a to jak v normálním, tak i tichém režimu. 50 3 D MODELY A JEJICH TVORBA A d 1» Ej fi Originál WUUIÍMI -JÍ |~ ™ ftmíixfilamcraiim) 2939 Obrázek 31 - Zobrazení rozvrstvení podle typu (Prusa Research 2019) Na obrázkuObrázek 32 je vidět zobrazení podle rychlosti. Pro lepší názornost je skryto vrchních 18 vrstev, což je vidět na ose vpravo od zobrazení modelu. Legenda vlevo přiřazuje barvy k rychlostem tisku v milimetrech za sekundu. Díky tomu můžeme vidět, že na tisk obvodu buňky je potřeba nízká rychlost pro lepší kvalitu tisku a tisk mírného přesahu v zaoblení, mírně vyšší rychlost je použita pro tisk horních ploch, a nejrychleji probíhá tisk výplně. Rozsah rychlosti je velmi velký, od 20 milimetrů za sekundu až po 80, tedy čtyřnásobný. Fuarent: 1 ' * K rukama: C_ B Ong.nal ňjSS liMKi - | © eoůptrr lia-e v| V*ptrc|n - Umr<-LJ HUN IditJf* -'I .1 lwodni.bunka.fi. LdnihyjjsfcsM Manipulace M skupin z -1