XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
3D печать - технология будущего
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В настоящее время 3D технологии используются в большинстве отраслях человеческой деятельности. Это и обуславливает актуальность изучения процесса 3D моделирования и трёхмерной графики.
В основе технологии 3D-печати лежит принцип послойного создания (выращивания) твердой модели. Преимуществами подобных устройств перед обычными способами создания моделей являются высокая скорость, простота и низкая стоимость. Например, для того, чтобы создать модель вручную может понадобиться несколько недель или даже месяцев, в зависимости от сложности изделия. В результате значительно повышаются затраты на разработку, увеличиваются сроки выпуска готовой продукции.
3D-принтеры позволяют полностью избавиться от ручного труда и создать модель будущего изделия всего за несколько часов при этом, исключая возможность ошибок, присущие «человеческому фактору». Мы привыкли к сотовым телефонам, общению по Skype, 3D фильмам и другим современным вещам, которые для моих родителей в детстве, встречались только в книгах фантастики. Одним таким чудом, пришедшим в нашу жизнь, стали 3D-принтеры. Мне стало интересно узнать, как они работают и где их используют, какую пользу приносят людям, это и стало целью моей работы.
Цель работы: изучить, что такое 3D-принтер, и как он используется людьми.
Задачи:
Изучить историю его создания и принцип работы 3D-принтера.
Узнать, что можно изготовить при помощи него.
В каких сферах используют 3D печать
Обобщить и проанализировать полученную информацию.
Сделать собственную модель и распечатать ее.
Методы:
анализ;
исследование;
синтез.
Основная часть
Что такое 3D печать?
Если коротко, 3D-печать – это методика изготовления объемных изделий на основе цифровых моделей. Независимо от конкретной технологии, суть процесса заключается в постепенном послойном воспроизведении объектов. В этом процессе применяется особое устройство – 3D принтер, который печатает определенными видами материалов.
История создания.
3D печать была впервые разработана в середине 1980-х годов и первоначально использовалась в промышленных целях (быстрое изготовление продукции и деталей). История создания этого прибора длилась много лет и над разработкой работали ученый всего мира. Каждый внес свой вклад в развитие 3D-технологий. Отцом-изобретателем 3D-печати является американский исследователь Чак Халл. В 1986 году он представил миру свой прибор для трехмерной печати, которую назвал «установка для стереолитографии».
Позже, в 1988 году, Скотт Крамп изобрел абсолютно новую технологию работы с 3D-печатью: FDM (эф ди эм) (моделирование путём декомпозиции плавящегося материала). Сегодня на основе этой технологии работают все 3D-принтеры, предназначенные для выпуска малой продукции небольших количествах.
Первые 3D-принтеры имели малую мощность, работали медленно, а при увеличении скорости изделия получались с большими погрешностями. Только в 2005 году появились 3D-принтеры с высоким качеством печати. В 2008 году был запущен принтер Reprap, способный производить самого себя. До 2008 года любой 3D-принтер мог работать только с использование одного вида расходного материала — пластика АВС. Но компания Objet Geometries Ltd. разработала принтер Connex500, который мог работать с различными видами материалов одновременно. Сейчас количество материалов перевалило за сто. Сегодня можно использовать такие материалы, как: акрил, гидрогель и др.
В последние несколько лет технологии 3D-печати развиваются с космической скоростью и теперь используются и в медицине, таким образом, о котором мы раньше и подумать не могли.
Зачем заниматься трансплантацией органов, если их можно просто распечатать на 3D-принтере? Этим вопросом Энтони Атала задался ещё в 2010 году и сегодня он продолжает исследования в сфере регенеративной медицины. Талантливый медик может извлечь из организма больной мочевой пузырь, вырастить новый и пришить его на место старого. В последнее время профессор фокусируется на печати органов при помощи 3D-принтера и совсем недавно провёл эксперимент по воссозданию почки, пригодной для трансплантации. Эксперимент был удачным.
Ни для кого не секрет, что клетки можно распечатать на 3D-принтере. Теперь учёным не нужно ставить эксперименты на животных, а просто испытать влияние того или иного заболевания на распечатанных аналогах.
С помощью 3D-принтера можно «починить» сердце человека. Однако такие исследования стали проводиться недавно. Учёные работают над созданием девайся, который сможет распечатать клетки для создания полноценно функционирующего сердца. В данный момент медики проводят опыты на крысах, имплантируя сердца, воссозданные при помощи устройства для трёхмерной печати.
3D печать уже не ограничивается неорганическими материалами, как полимеры и металлы. Она была адаптирована для построения живых, биологических систем. Слой за слоем клетки, отделившись от головок принтера, могут быть размещены именно там, где надо с точностью до микрона.
Владельцы лаборатории — Инвитро (на Хабре) недавно открыли лабораторию 3D-биопринтинга органов (проект Инвитро). Разработчик – В.А. Миронов. Именно он изобрёл технологию печати органов и запатентовал это в США, участвовал в разработке уже трех модификаций биопринтеров, и именно он «главный по науке» в новой лаборатории в Москве.
Как работает 3D-принтер?
Новые технологии всё увереннее осваиваются в современном мире. Мы уже привыкли к изображению в 3D формате, играем в компьютерные трёхмерные игры, в специальных программах строим объёмные изображения. Мы привыкли к этим чудесам, и не видим в них ничего удивительного. Но есть технологии, которые нас поражают своей необычностью – ъто 3D принтер.
Давайте попробуем разобраться как работает 3D-принтер. Трехмерный или 3D-принтер - это устройство вывода трехмерных данных. То есть результатом его работы является какой-то реальный физический объект.
Существует несколько технологий объемной печати, но в основе любой из них лежит принцип послойного создания (многие любят слово - выращивания) твердого предмета с филигранной точностью, недоступной человеку.
Принцип работы простейшего 3D принтера более всего схож с работой обычного струйного принтера. Основное отличие заключается в том, что вместо нанесения чернил из печатающей головки на очередной лист бумаги в принтере связующее вещество через печатающую головку наносится на очередной очень тонкий слой порошка, создавая одно сечение объекта. В тех местах, где было нанесено связующее вещество, порошок твердеет. Следующее сечение "склеивается" с предыдущим и так далее, пока не будет сформировано полностью твердое тело. После окончания работы 3D принтера изделие извлекается из массы порошка. В тех местах, где не было нанесено связующее вещество, порошок остается рассыпчатым и может использоваться повторно. Более сложные принтеры могут повторно использовать материал, из которого было сделано изделие. Например, вы изготовили на своем принтере декоративную вазу. Она идеально сочетается с вашим интерьером. А на следующий год вы сделали ремонт в квартире, и ваза больше не подходит вам ни по цвету, ни по форме. Тогда вы берете и из нее же делаете другую вазу. Таким образом, получается безотходное производство. В домашних условиях предметы, как правило, изготавливаются из пластика, но в промышленности возможна печать почти из любых материалов, например, нержавеющей стали, пенопласта и даже человеческого организма.
Использование 3D-печати в различных сферах
В интернете есть множество видео, где нам демонстрируют, как исследователи из самых современных медицинских центров учатся печатать целые органы. Это не фантастика и не дело завтрашнего дня — все вышеописанное происходит уже сегодня.
О первых прорывах в области печати (быстрого выращивания) ткани человеческой печени сообщили китайские врачи. Да, пока что не удалось напечатать весь орган целиком, но начало положено, а значит, это только вопрос времени. Это качественно новый шаг в медицине, которая находится в ожидании целого пласта открытий, связанных с объемной печатью органов. Наши соотечественники тоже не сидят без дела, не желая оставаться на периферии технологического прогресса. Сразу несколько НИИ, специализирующихся на дерматологии, работают в области печати кожного покрова. 3D принтер послужит больным не только как помощник в заживлении ран, но и как хороший протезист. Речь идет не только об изготовлении высокоточных протезов подвижных конечностей, но и о внутреннем замещении и протезировании. Так, например, израильские врачи успешно развивают направления печати (или скоростного выращивания) сосудов и артерий. Китайские врачи недавно провели операцию, в результате которой взрослому человеку был вживлен искусственный позвоночник, полностью напечатанный на 3D принтере. В случае с медициной возможности, которые открывает нам объемная печать, кажутся поистине безграничными.
Изделия для промышленных предприятий. Организации приобретают макеты в рекламных целях. Обычно заказчики предоставляют чертежи будущего изделия, либо 3D-модель, что существенно экономит время изготовления продукции.
Изделия для студентов технических учебных заведений. Макеты в этом случае нужны при написании курсовых и выпускных дипломных работ.
В 2014 году начался прорыв в области строительства зданий с использованием 3D-печати бетоном.
В течение 2014 года шанхайская компания WinSun анонсировала сначала строительство десяти 3D-печатных домов, возведенных за 24 часа, а после напечатала пятиэтажный дом и особняк.
В Университете Южной Калифорнии прошли первые испытания гигантского 3D-принтера, который способен напечатать дом с общей площадью 250 кв. метров за сутки.
В октябре 2015 года в рамках выставки «Станкостроение» (Крокус-Экспо) ЗАО «СПЕЦАВИА» были представлены российские разработки и промышленные образцы строительных 3D-принтеров.
В мае 2016 года состоялось открытие первого в мире здания, напечатанного на 3D-принтере – офиса Dubai Future Foundation.
Область применения в искусстве не ограничивается лишь объемными фотографиями. Известно сразу несколько экспериментов по оцифровке античных статуй, часть из которых удалось повторить с помощью печати на 3D принтере с изумительной точностью и достоверностью, причем явным преимуществом служит возможность применения практически любого материала. Хотите статую Аполлона из пластмассы в полный рост? Нет ничего проще: устройство объемной печати с легкостью изготовит ее для вас, обладая матрицей-исходником.
Известное голландское строительное ателье одним из первых начало принимать заказы по дизайну и украшению лицевой стороны зданий с применением объемной печати. Российские автомобильные компании, специализирующиеся на тюнинге, уже предлагают покупателям высокоточные детали, изготавливаемые под каждый конкретный экземпляр автомобиля. Преимущества подобного улучшения технологического процесса налицо: принтер способен работать 24 часа в сутки, прерываясь лишь на сервисное обслуживание, не требует зарплату и больничный, а также не просится в отпуск.
Практическая часть
Этап 1: Создание цифровой модели
Процесс 3D-печати начинается с разработки виртуального образа будущего объекта в 3D-редакторе или CAD-программе («3D Studio Max», «AutoCAD», «Компас»,Blender, «SolidWorks» и др.). Простую модель может создать любой пользователь, который имеет навыки работы с персональным компьютером и стандартными пакетами прикладных программ. Для создания сложных моделей потребуется пакет профессиональных программ и услуги специалиста в области 3D-моделирования.
На создание виртуального образа будущего объекта потребуется от нескольких часов до нескольких дней, в зависимости от степени сложности модели. Если модель имеет сложную конструкцию, то лучше доверить её разработку профессионалам.В отдельных случаях для создания виртуальных образов будущих объектов используются 3D-сканеры. При этом точность объектов снижается, они получаются слегка размытыми. Чтобы получить высокоточный объект, следует создавать его вручную. Пример моей созданной модели (Приложение 1).
Этап 2: Экспорт 3D-модели в STL-формат
Когда моделирование окончено, следует перевести полученный файл в STL-формат, который распознаёт большинство современных 3D-принтеров. Для этого нужно выбрать в меню пункт «Сохранить как» или «Import/Export», взависимости от используемой программы.
Перед экспортом файла следует указать степень детализации модели или степень её разбиения на треугольники. Если выбрать параметр «Точно», то разбиение получится плотным, готовый файл займёт довольно много места на жёстком диске компьютера и будет дольше обрабатываться специальным программным обеспечением, но зато на выходе пользователь получит объект с высококачественной поверхностью. Если выбрать параметр «Грубо», то разбиение получится менее плотным или совсем неплотным, готовый файл займёт на жёстком диске меньше места и будет быстрее обрабатываться в специальной программе, но и качество внешних поверхностей будет значительно ниже, чем при точном разбиении.
При выборе способа разбиения объекта необходимо учитывать требования к качеству его внешней поверхности, а также мощность персонального компьютера и его способность справиться с обработкой модели перед отправкой на печать. (Приложение 2)
Этап 3: Генерирование G-кода
STL-файл с будущим объектом обрабатывается специальной программой-слайсером, которая переводит его в управляющий G-код для 3D-принтера. Если модель не подвергнуть слайсингу, то 3D-принтер не распознает её. Среди наиболее популярных слайсинговых программ можно отметить Kisslacer, Skineforge, Slic3r и др. Программы-слайсеры разрезают модель на тонкие горизонтальные пластины и преобразуют в цифровой G-код, понятный трёхмерному принтеру.
Программа-слайсер как бы задаёт траекторию движения печатающей головки 3D-принтера при нанесении расходного материала.
Итак, модель подготовлена, переведена в STL-формат и сгенерирован её G-код. Теперь объект отправляется на печать.
Этап 4: Подготовка 3D-принтера к работе
На этапе подготовки 3D-принтера с технологией FDM-печати к работе следует наклеить на рабочую платформу специальную самоклеющуюся плёнку и загрузить в специальный отсек бобину с полимерными нитями. В последнее время в гипермаркетах расходных материалов появилась специальная защитная плёнка для 3D-принтеров, хотя для защиты печатной платформы можно использовать и обычную самоклеющуюся плёнку для лазерных принтеров. Плёнка приклеивается к платформе, после чего канцелярским ножом обрезаются её края. Если под плёнкой образовались пузырьки, их нужно выпустить, проколов иголкой. Перед началом печати плёнку рекомендуется обезжирить, протерев спиртом.
Далее следует загрузить в 3D-принтер бобину с полимерной нитью нужного цвета. Самыми популярными видами пластика для 3D-печати являются ABS и PLA. Пластик ABS формирует непрозрачные ударопрочные термопластичные объекты, Бобина устанавливается на подставку, подрезается конец нити, чтобы он был ровным. Для печати нельзя использовать грязные, повреждённые или изломанные нити, которые могут повредить принтер, вывести его из строя. Конец нити заправляется в отверстие для подачи и продвигается вперёд до тех пор, пока он не упрётся в экструдер. Через несколько секунд из экструдера появится мягкая нить расплавленного пластика. Теперь можно приступать к печати.
Этап 5: Печать 3D-объекта
Важнейшими элементами 3D-принтера являются рабочая платформа и печатающая головка. На рабочей платформе происходит формирование готового объекта. Во время работы платформа двигается вверх и вниз по оси Z. Печатающая головка выдавливает на рабочую платформу расплавленную полимерную нить, слой за слоем формируя готовый объект. Печатающая головка 3D-принтера движется по горизонтали и вертикали (оси X, Y). Сам по себе процесс трёхмерной печати довольно прост. Печатающая головка выдавливает в рабочую зону первый слой расплавленного пластика, после чего платформа опускается вниз на толщину слоя и начинается формирование следующего слоя, который накладывается поверх предыдущего. После завершения печати каждого слоя платформа опускается вниз, так происходит на протяжении всего цикла печати, пока на платформе не появится готовый объект. Чтобы напечатать трёхмерную модель, принтеру требуется несколько часов, в зависимости от сложности изделия.
Безусловно, у разных моделей 3D-принтеров есть свои особенности функционирования, но базовые принципы остаются неизменными. (Приложение 3)
Этап 6: Финишная обработка объекта
Если объект имеет нависающие элементы, выступы, консоли, то 3D-принтер во время печати использует поддерживающие конструкции (они же – конструкции поддержки, структуры поддержки). Перед вами цифровая модель брелка. Но как быть с деталями, которые висят в воздухе и не соприкасаются с рабочей платформой? Для наложения слоёв расплавленного пластика принтеру нужна какая-то основа, будь то рабочая платформа или предыдущие слои материала, поскольку он не может печатать в пустоте. Чтобы напечатать такие нависающие детали, 3D-принтер использует поддерживающие конструкции, которые показаны на следующем изображении. За счёт добавленных конструкций детали не висят в воздухе, а опираются на рабочую платформу, что позволяет принтеру их напечатать.
После окончания печати, поддерживающие конструкции удаляются. Если поддержки напечатаны из того же материала, что и основная модель, то удалить их довольно сложно. Отрезание или отламывание таких конструкций портит и без того не идеальную поверхность объекта. Поэтому в большинстве современных принтеров используются дополнительные восковые материалы, которые легко удаляются при финишной обработке и не оставляют следов на поверхности объекта. (Приложение 4)
Заключение
Я думаю, что все-таки будущее гораздо ближе, чем мы думаем. Мое предположение о том, что возможности 3D-принтера очень велики на данный момент, подтвердилась. Объемная печать скоро плотно войдет в нашу жизнь, а значит у этой технологии большое будущее. Сейчас иметь у себя дома 3D- принтер из-за цены считается дорогим удовольствием. Но не так давно и обычные печатающие принтеры имели гигантские размеры и стоили целое состояние. А сейчас трудно представить нашу жизнь без офисной техники.
То же самое ждёт и объёмные 3D- принтеры. Придёт время, и эти принтеры станут дешевле и совершеннее, скорость печати многократно возрастет.
Я думаю, что, когда будет возможным печать на 3D -принтере из любых окружающих нас веществ, человечество, возможно, полностью решит проблему утилизации бытовых отходов. Уже сейчас принтеры для строительства домов в Китае используют в качестве расходных материалов строительные отходы.
Из моей работы видно, что больше всего возможностей применения трехмерной печати, конечно, в строительстве и медицине. Станет возможной печать любого человеческого органа. А значит, это спасет миллионы человеческих жизней.
Я думаю, что при покорении космоса, возможности трехмерной печати тоже возрастут. Используя технологии безотходного производства, можно будет строить лунные базы на месте, используя грунт самой Луны.
Считаю, что магазины будут больше не нужны. Придет конец привычной экономической модели. Эта машина способна будет изготовить любой предмет, любую деталь, любой механизм по скачанному из интернета чертежу. Больше того, вы сами можете скорректировать дизайн нужной вам вещи. И машины эти тоже не будут продаваться, потому что они будут размножаться сами – печатать собственные копии, и мы видели уже, что такие принтеры уже существуют.
И в заключение хочется сказать, что данная работа ориентирован на учащихся которые в домашних условия могут начать свой маленький бизнес и приносит пользу в учебный процесс.
Литература
Что такое 3D печать: https://ru.wikipedia.org/
История создания: https://habr.com/ru/post/553958/
Как работает 3D принтер: https://top3dshop.ru/blog/how-3d-printer-works.html/
Что я могу создать с помощью 3D принтера: https://tehnika.expert/cifrovaya/printer/3d-chto-mozhno-napechatat.html/
Использование 3D печати в медицине и других сферах: https://top3dshop.ru/blog/3d-printers-in-medicine.html/
Приложения 1
Приложения 2
Приложение 3
Приложения 4