XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Капсула для безопасной транспортировки водных позвоночных животных с использованием 3D - моделирования

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бобылева С.П. 1

---

1МОУ ДО "ДЭЦ"

Волкова В.Н. 1

---

1МОУ ДО "ДЭЦ"

Работа в формате PDF

212.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность работы обусловлена следующими аспектами. На территории РФ, из-за отсутствия установленных законом правил транспортировки живой рыбы, большинство декоративных водных позвоночных животных транспортируются неэффективно, что приводит к снижению качества жизнеспособности рыбы, а следственно на продолжительность её жизни. В связи с возникновением данной проблемой мы решили реализовать проект по созданию капсулы для транспортировки живой рыбы.

Цель: проектирование и создание капсулы для безопасной транспортировки водных позвоночных животных (парафилетическая группа) с использованием 3D моделирования.

Задачи:

Изучение литературных источников о морфологических особенностях водных позвоночных животных

Изучение современных способов транспортировки водных позвоночных животных.

Проектирование капсулы на основе выявленных недостатков транспортировки водных позвоночных животных

Работа с программами «Blender», слайсер «XYZware».

Построение трехмерной модели капсулы и анализ полученного результата.

Объект исследования: капсула для безопасной транспортировки водных позвоночных животных.

Предмет исследования: физические свойства капсулы для транспортировки на водных позвоночных животных.

Гипотеза: можно предположить, что созданная капсула на основе выявленных недостатков существующей транспортировки водных позвоночных животных существенно эффективнее будет выполнять его заложенные функции.

Планируемые результаты:

Получить продукт.

Расширить знания по теме исследования.

Изучить морфологические особенности водных позвоночных животных (парафилетическая группа).

Практическая значимость. Данная работа предназначена для людей, интересующихся 3D-печатью и реализацией процесса моделирования, а так же для тех, кто занимается аквариумистикой.

Новизна исследования. Использование новых технологий создания- проектирования модели-капсулы для транспортировки водных позвоночных животных (парафилетическая группа) и нового, более безопасного способа транспортировки.

Представляем ссылку на полный текст проекта

https://disk.yandex.ru/i/iquK1r5isGJjFw

Приложение (ссылка)

https://disk.yandex.ru/i/djC-oVPRQAj0FQ

Теоретическая часть

Глава 1. Изучение теоритической части темы исследования.

Изучение литературных источников по теме исследования. Аспекты транспортировки водных позвоночных животных.

В настоящее время не существует установленных законом на территории РФ правил транспортировки живой рыбы. Каждое предприятие имеет собственные способы перевозки на большие и короткие расстояния. Однако существуют некоторые научные исследования о наиболее эффективных и благоприятных способах транспортировки для живой рыбы на короткие и длинные расстояния.

Одной из таких работ стал реферат за 2006 г. «Поблемы транспортировки в современной индустрии декоративных рыб» [1] В.И. Размахиной – аспиранта уральского ГСХА, и И.М. Донник – доктора биологических наук, профессора уральского НИВИ. В своей работе В. И. Размахина и И.М. Донник затрагивали вопрос о токсичности водной среды в транспортировочных боксах, температуре и используемых лекарственных средствах при транспортировке живой декоративной рыбы на большие расстояния. В их работе так же приводилась немаловажная статистика: обыденно большинство транспортируемых живых декоративных рыб погибают при транспортировке или после неё.

Для более безопасной транспортировки живой рыбы в полиэтиленовых мешках или иных капсулах, чаще всего используют кейсы из пенополистирола или пластика. «ТOТЕМ» - компания, производящая ударопрочные, водонепроницаемые, защитные кейсы и контейнеры, которые обеспечивают максимальную безопасность оборудования и снаряжения [3].

Ящики для транспортировки рыбы бывают открытого и закрытого типов, разных размеров и форм. В качестве одного из способов транспортировки живой рыбы, был разработан контейнер с ящиками для перевозки ракообразных [12] (Приложение 1)

Для хранения и перевозки живой рыбы в контейнерах используют автотрейлеры, оборудованные системой охлаждения воды, циркуляции и фильтрации (Приложение 1)

При транспортировке живой рыбы воздушным транспортом рыбу упаковывают в двойные полиэтиленовые мешки (10 л воды, 3 кг рыбы; 0,15 м3 объема для кислородной смеси). Пакет помещают в полистирольный контейнер размером 500x500x500 мм. В крышку контейнера встраивают кислородный цилиндр (Приложение 1).

Для транспортировки рыбы в состоянии оцепенения разработана специальная схема (Приложение 2). Рыба из бака передержки 1 поступает в устройство для иммунизации 2, а оттуда в бак для хранения 3 при температуре 0—4°С или в транспортный ящик 4, который передается в транспортный контейнер 5, где также поддерживается температура 0—4°С. После перевозки рыба передается в бак 6 для восстановления жизнедеятельности.

При загрузке в транспортные контейнеры больших количеств рыбы рекомендуется применять рыбонасосы для живой рыбы, что снижает время загрузки, повреждения и стресс рыбы.

Средством загрузки живой рыбы при современных способах транспортировки водных позвоночных животных служит рыбонасос – гидравлическая машина, предназначенная по своему строению для перекачки живой рыбы из одного объёмного резервуара в другой (Приложение 2).

Морфологические особенности аквариумных рыб.

Общая характеристика.

Рыбы - водные позвоночные животные. Обширная группа челюстноротых, для которых характерно жаберное дыхание на всех этапах постэмбрионального развития организма. Рыбы обитают как в солёных, так и в пресных водоёмах - от глубоких океанических впадин до горных ручьев.

Рыбы играют важную роль в большинстве водных экосистем как составляющая пищевых цепей [4]. Современные рыбы имеют размеры от 7,9 мм до 20 м (китовая акула).

Внешние покровы рыб представлены кожей с чешуёй (у некоторых рыб чешуя отсутствует). Как и у всех других позвоночных, кожа рыб делится на дерму и эпидермис. Эпидермис у рыб неороговевающий. Железы в эпидермисе вырабатывают мускусоподобный секрет, который защищает внешние покровы животного.

Рыбы особо хорошо чувствуют изменения показателей температуры, давления и колебания воды. Так же рыбы обладают хорошим слухом, но плохим зрением: рыбы по своей природе близоруки, острота зрения варьируется от размера животного.

Морфологические особенности аквариумных рыб «Неон».

Для своей опытной работы мы выбрали аквариумных рыб «Неон» (Приложение3). Оптимальной температурой среды для жизни неонов является 23-27 ℃. Чем выше температура, тем ниже продолжительность жизни рыбки. В среднем, в аквариуме неоны живут 3-4 года. Для них очень важно, чтобы вода была чистой и комфортной температуры, поэтому необходимо обеспечивать газообмен в аквариуме.

1.3 Изучение материально-технической базы для создания модели капсулы.

Реализация эскизов модели требует определённой для этой цели и доступной материально-технической базы. Реализация модели проекта осуществляется с использование новейших технологий аддитивной печати. Сам процесс требует особого внимания, который подразделяется на пункты:

Изучение материалов работы

Изучение основных характеристик используемого аддитивного принтера.

Создание модели на основе используемых материалов и возможностях технической базы

Выбор аддитивной печати для создания модели обусловлен наличием соответствующей аппаратуры, предоставленной национальным проектом России «Точка роста», который представляет собой центры развития цифрового и гуманитарного профилей, создаваемых на базе учебных заведений в сельской местности и небольших городах численностью до 60 тысяч человек [8].

1.3.1.Обзор используемых материалов для печати. Характеристика пластиков PLA и ABS

Пластик – один их самых востребованных расходных материалов для аддитивного производства. Ассортимент термопластиков и композитов, предназначенных для FDM-печати, исключительно разнообразен и позволяет выбрать, исходя из поставленных задач, наиболее подходящие по физико-механическим свойствам материалы [5].(Приложение 4)

Наш чертёж и эксплуатация модели предполагает, что продукт должен иметь следующие характеристики:

Отсутствие токсичности.

Производя транспортировку живой рыбы, важно сохранить её показатели здоровья в норме, ибо это напрямую влияет на метаболические функции живого организма.

Ударопрочность

(параметр способности материала выдерживать механическую нагрузку).

Капсула транспортировки живой рыбы должна иметь высокую прочность в связи с перепадами температур, нежелательными соударениями, что связанно с процессом транспортировки.

Эстетичность.

Человек – существо эмоциональное, ему важно сохранять чувство комфорта. По этой причине необходимо использовать тот материал при работе, который позволит избавиться от неровностей, шероховатостей и будет поддаваться постобработке.

Для реализации нашей модели, мы рассмотрим следующие пластики: ABS и PLA. Выбор этой сырьевой базы обусловлен её наиболее подходящими по требованиям качествами. Нами определены плюсы и минусы пластиков (Приложение 4) и изученыосновные характеристики ABS и PLA пластиков (Таблица 1).

Основные характеристики ABS и PLA пластиков

Таблица 1

Сгруппировав полученные данные о двух видах пластиков в таблицу, можно получить структурированные данные о наиболее подходящем для работы материале (таблица 2).

Удовлетворительные характеристики используемых материалов.

Таблица 2

1.4 Допустимые форматы аддитивной печати

3D-принтер воссоздаёт модель из последовательности команд, данных ему компьютером. Сами команды представляют из себя набор кода (файл), который является читаемым для самого аддитивного устройства. Существует несколько основных расширений файлов, читаемых программой 3D–принтера. Некоторые файлы связаны с программным обеспечением, некоторые с 3D сканерами, а другие с определенными марками 3D принтеров(таблица 4).

Расширения файлов для 3D-печати.

Таблица 4

1.4.1 Изучение основных характеристик 3D-принтера.

Основные характеристики 3D-принтера типа «Экструзия» (FDM):

Конструктивные особенности 3D принтера.

Минимальная выходящая толщина слоя.

Допустимые форматы аддитивной печати (Приложение 5)

1.5 «Blender 2.81.0»

Существует множество программ, предназначенных для создания объёмных моделей. Все они отличаются по своим настройкам, предлагаемым услугам, форматам и, соответственно, имеют разные группы специализаций. Для реализации нашего проекта мы будем использовать профессиональное свободное и открытое программное обеспечениедля создания трёхмерной компьютерной графики, включающее в себя средства моделирования, скульптинга, анимации, симуляции, рендеринга – «Blender» [7].

В этой главе мы рассмотрим такие пункты, как:

Основные характеристики Blender

Версия 2.8 программы и её требования

Системные требования

Форматы файлов

Глава 2. Методы исследования

Схема исследования соответствует целям и задачам исследования.

Схема исследования

Таблица 6

Этапы исследования

Период проектирования проходил по этапам с сентября 2021 года по февраль 2022 года. (Рис.7.).

Рис.7. Этапы исследования

Методы работы. В ходе исследования были использованы различные методы исследования (Рис.8.)

Рис.8. Методы исследования.

Глава 3. Результаты работы и их обсуждение
3.1 Проектирование и создание капсулы.

Определение проблемы обусловлено актуальностью работы. Качество перевозки рыбы влияет на её дальнейшую жизнеспособность - это является важным показателем при покупке декоративной рыбы.

Исследование существующих конструкций для транспортировки живой рыбы говорит о том, что на данный момент нет установленных правил транспортировки водных позвоночных животных, однако существует ряд разносторонних исследований этого вопроса.

Тара для перевозки живой рыбы – первое условие транспортировки. Ящики для транспортировки рыбы бывают открытого и закрытого типов, разных размеров и форм.

Создание эскизов.

Эскизы создавались исходя из морфологических особенностей рыб и их потребностей в теплоизоляции, поддержанию оптимального уровня газообмена, редуцированию перепадов давления и с учётом светового шока (стресса от яркого света или его недостатка). На первых этапах работы мы определили наиболее оптимальные по своим характеристикам формы сосуда для перевозки рыбы. Кальпида не должна иметь острые края изнутри и не быть трудно обтекаемой для воды при её движении, иначе при резкой остановке трудно сжимаемой жидкости возникнет гидроудар¹, который травмирует или поражает организм рыбы – заставляет испытывать кратковременный или долговременный шок. Первый созданный нами эскиз модели имеет вид прямоугольного аквариума, на стенках которого располагаются гидравлические демпферы, закрывающиеся под действием давления столба жидкости (Приложение 6)

Данное строение транспортировочной капсулы не соответствует требованиям хорошей обтекаемости жидкости, по этой причине такую задумку пришлось исключить.

При создании следующего эскиза учтены недостатки первой работы. Мы изменили форму сосуда на каплевидную и цилиндрическую формы (Приложение 6). Каплевидная форма при кратковременной точечной нагрузке легко разрушается из-за плохого распределения давления по поверхности установки, ввиду чего следующей формой мы использовали сферу.

На основе своевременно созданных эскизов были подготовлены чертежи для реализации конструкции капсулы (Приложение 7).

Шаровидная форма капсулы не удовлетворила нас в устойчивости конструкции и компактности по занимаемому объёму. Цилиндрическая форма капсулы с внутренними обтекаемыми стенками стала оптимальной для разрешения нашей задачи (Приложение 7,8).

Данная установка - герметичный многослойный кейс, между слоями которого откачан воздух для меньшего теплообмена с окружающей средой. Стенки кейса крепятся друг за друга небольшими линейными объектами.

Кейс имеет три отсека для стеклянных тубусов с живой рыбой, которые вставляются в отделённые для них крепления (Приложение 8 рис.).

Так как среди водных позвоночных животных распространён каннибализм, кейс имеет три транспортировочных отсека для капсул, предназначенных для разных видов рыб (Приложение 8,9).

Форма параллелепипеда транспортировочного кейса позволяет компактно размещать установку в пространстве, сохраняя целостность капсул внутри.

Для рыб важен газовый состав воды, поэтому в капсулах необходимо создать газообмен, чтобы обогащать водное пространство необходимым кислородом. Существует три эффективных способа аэрации.

В нашей установке мы используем растворимую перекись водорода, которая автоматически подаётся дозами в капсулу. При добавлении раствора перекиси водорода выделяется свободный кислород, в результате общее давление в герметично закрытом сосуде возрастает. Рыбы особо остро ощущают изменение давления, поэтому для спуска излишек газа и газообмена мы разработали клапаны с опускающимся демпфером для спуска излишек газа (Приложение 9 рис.17).

После создания конечного варианта эскиза, чертежа кейса и капсулы (Приложение 9,10) мы преступили к реализации модели в среде разработки Blender 2.8. Моделирование в среде Blender 2.8 начиналось с выборки объектов, с которыми мы будем работать. Используем горячие клавиши Shift+A для вызова меню Add (Приложение 10). После завершения работы над транспортировочным кейсом, мы сверили габариты капсулы и кейса относительно друг друга ещё раз, чтобы убедиться, что всё выполнили верно (Приложение 9 рис.19). После получения первого результата моделинга, мы оценили затраченное на реализацию кейса время. Общее время работы составило 10 дней (Приложение 10).

В результате проделанной работы мы получили готовую модель капсулы (Приложение 11- 18 ). После создания модели мы приступили к подготовке модели для её реализации на 3D-принтере «daVinci 1.0 Pro 3 in 1, XYZprintPNG». Мы импортируем файл в читаемом для принтера формате stl.

Для проверки созданных моделей на наличие ошибок мы предварительно загружаем их в онлайн-редакторы для 3D-моделей или в среду слайсера. В нашей работе мы используем слайсер ideaMaker 4.2.3 для предварительного осмотра моделей.

Первая реализация печати прошла успешно. Её длительность составила 46 минут. Первая проба печати удовлетворяет нас своим качеством (Приложение 12). Общее время печати капсулы составило 3 часа.

При обработке модели кейса возникли ошибки, с которыми 3D-принтера «da Vinci 1.0 Pro 3 in 1, XYZprintPNG» не смог справиться Причина ошибки – неисправная работа оборудования. Мы приняли решение временно остановить процесс печати и отложить реализацию модели, договорившись с другой школой.

Настройка слайсера

Первая задача – смена размерностей, с которыми работает платформа. Для подключения дополнительных рабочих библиотек в Blender 2.8 существует отдельная папка «Preferences» в верхнем окне настроек пункта «Edit»

Перейдя в редактор «Preferences» мы выбираем пункт «Add-ons»² и работаем с его интерфейсом. Для нахождения необходимого нам дополнения в строке поиска вводим название интересующей нас библиотеки

В нашем случае мы искали дополнения, в названии которых есть слова 3D или print. Нужные библиотеки мы подключаем к среде разработки Blender 2.8 – «Import-Exsport: Wed3D X3D/VRML2 format» и «Mesh: 3D-Print ToolBox

Изначально мы создали фигуры, лежащие в основе кейса и капсулы: Cube и Cylinder. Подобрав нужные нам габариты, мы приступили к реализации модели

Для реализации креплений капсулы внутри кейса, мы задействовали объект Torus.

Создание модели капсулы на 3D-принтере

После создания модели мы приступили к подготовке модели для её реализации на 3D-принтере «da Vinci 1.0 Pro 3 in 1, XYZprintPNG». Мы импортируем файл в читаемом для принтера формате stl.

Мы приступили к реализации клапанов, на которые затратили 5 часов

В основу модели клапана легли простые объекты: Cylinder, Cube, UV Sphere. В обработанной модели крышки мы сделали вырезы, основанные на форме клапанов.

Первая реализация печати прошла успешно. Её длительность составила 46 минут. Первая проба печати удовлетворяет нас своим качеством (Приложение 6). Недостатки заключались в пластмассовых пузырях, растяжках и полых пространствах стенок, разных размерах отверстий

Общее время печати капсулы составило 3 часа. При обработке модели кейса возникли ошибки, с которыми 3D-принтера «da Vinci 1.0 Pro 3 in 1, XYZprintPNG» не смог справиться. (Приложение 19)

Причина ошибки – неисправная работа оборудования. Мы приняли решение временно остановить процесс печати. Работу продолжим по исправности принтера и проведем опыт.

Выводы

1. Изучив морфологические особенности парафилетической группы выяснили наиболее оптимальные условия её содержания и транспортировки, расширили знания по теме исследования. Для проведения исследования нами были выбраны декоративные рыбки вида Неон.

2. Изучили современные способы транспортировки водных позвоночных животных.

3. Спроектировали капсулу на основе выявленных недостатков транспортировки водных позвоночных животных.

4. Реализовали модель транспортировочного кейса в среде «Blender».

5. Анализируя результаты опытнической работы, выяснили, что для создания транспортировочного кейса аддитивная печать 3D-принтера «da Vinci 1.0 Pro 3 in 1, XYZprintPNG» не удовлетворяет качеством печати, а значит, не может быть использована для создания транспортировочной модели.

В результате проведенных исследований можно сказать о том, что мы выполнили большую часть задач, определённые темой и целью проекта. Проблема транспортировки живой группы водных позвоночных животных остаётся актуальна по сей день.

Проделанную работу можно будет дальше использовать для реализации и продвижения созданной идеи.

Результаты дальнейшей работы будут представлены зоомагазину «Морис» города Ирбита, расположенному по адресу ул. Свердлова 9 А.

Заключение

Объектом нашего исследования являлась капсула для безопасной транспортировки водных позвоночных животных.

Транспортировка живой рыбы играет особую роль в обеспечении населения продовольствием и доставке здоровых декоративных позвоночных животных.

В ходе исследования мы изучили морфологические особенности парафилетической группы, создали эскизы и чертежи транспортировочной модели исследования, научились работать с программами для 3D-моделирования, использовали современные технологии аддитивной печати. Работу продолжим по созданию капсулы и проведем дальнейшие испытания модели.

Тема исследования меня заинтересовала. В дальнейшем планирую продолжить изучение этой темы с целью расширения возможностей и обретения нового опыта

Литературные и интернет источники.

1.-https://cyberleninka.ru/article/n/problemy-transportirovki-v-sovremennoy-industrii-dekorativnyh-ryb/viewer - «Поблемы транспортировки в современной индустрии декоративных рыб», В.И. Размахина – аспиранта уральского ГСХА, и И.М. Донник – доктор биологических наук, профессор уральского НИВИ.

2.-https://cyberleninka.ru/article/n/raschet-parametrov-aeratsii-pri-transportirovke-zhivoy-ryby/viewer - « Расчёт параметров аэрации при транспортировке живой рыбы», О.Н. Кручинин - доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, аспирант А.Ю. Чебов, Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйственный центр.

3.-http://totem-case.ru/catalog/totem-case/?utm_source=eLama-yandex&utm_medium=cpc&utm_campaign=Основные+/+ПОИСК+/+Россия&utm_content=cid|52661663|gid|4224083090|aid|9206493621|adp|no|dvc|desktop|pid|21028618509|rid||did|21028618509|pos|premium1|adn|search|crid|0|&utm_term=кейс%20для%20транспортировки&yclid=6960607541833552866 – официальный сайт компании «ТОТЕМ» по производству защитных кейсов для транспортировки.

4. -https://ru.wikipedia.org/wiki/Рыбы - определение понятию рыбы.

5. -https://blog.iqb.ru/3d-printing-materials/

6. -https://3dradar.ru/post/48027/ - настройка параметров скорости, рывков и ускорения печати.

7. -https://ru.wikipedia.org/wiki/Blender - «Blender».

8.-https://национальныепроекты.рф/opportunities/izuchat-novye-tekhnologii-v-nbsp-tekhnoparkakh - Национальные проекты России

9. – Литературный источник: руководство по эксплуатации da Vinci 1.0 Pro 3 in 1, XYZprintPNG.

10. - https://blog.tetra.net/ru/ru/neony-zhiteli-akvaskejpov - содержание и уход на Неонами

11. - https://givotniymir.ru/neony-rybki-opisanie-osobennosti-uxod-i-soderzhanie-neonov/ - Неоны, особенности рыб.

12.-http://www.fish-industry.ru/pererabotka-ryby/817-sposoby-i-sredstva-transportirovki-gidrobiontov-chast-1.html

13. - https://gidropnevm.ru/gidravlika/gidravlicheskij-udar - гидравлический удар