XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Печать 3D модели формочки для печенья
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность:
Современного человека трудно удивить кулинарными изысками, в том числе и кондитерскими. Тем не менее, кондитерские изделия: конфеты, торты или пирожные, неизменно сопровождают нашу жизнь, начиная с самого раннего детства. В последнее время большим спросом пользуется домашняя выпечка – имбирное печенье, которое чаще всего изготовлено в определённом тематическом стиле. Мастера вырезают каждый пряник вручную. Современный рынок предоставляет разнообразные формы для выпечки на любой вкус, можно приобрести формочки, например, в виде героя любимого мультфильма. Есть три варианта получить уникальную форму для печенья — напечатать уже готовые модели, скачав их с любого сайта с моделями в открытом доступе, сделать модели самому или купить готовые, интересные формочки. Поскольку я люблю рисовать и моделировать, 3D печать для меня — возможность воплотить свои задумки в реальные предметы. Достоинством собственных форм является уникальность. К тому же, такую формочку можно распечатать заново, если потребуется.
Новизна:
3D печать позволяет приукрасить бытовые процессы, превратив их в интересную, увлекательную игру. С развитием 3D технологий появилась возможность печати и 3D формочек для печенья. Хотя такие формочки можно легко купить, нам хотелось изготовить уникальные модели по собственным эскизам и сделать их тематическими - к новогоднему празднику. Мы решили порадовать одноклассников вкусным новогодним подарком, при этом удивить их уникальным дизайном.
Гипотеза:
Действительно ли при помощи 3D принтера можно изготовить безопасные для здоровья формочки для печенья и использовать их в быту?
Цель: научиться моделировать формочки для печенья в системе трёхмерного проектирования и печатать их на 3D принтере.
Задачи:
Познакомиться с историей создания 3D принтеров и их современными моделями.
Рассмотреть системы для 3D проектирования.
При помощи системы трёхмерного проектирования начертить эскизы формочек.
Изучить образцы пластика для 3D печати, выбрать безопасный.
Распечатать на 3D принтере удачные образцы формочек.
Применить формочки на практике: вырезать фигуры из теста при помощи формочек, испечь печенье.
Объект исследования: моделирование на 3D принтере.
Предмет исследования: печать формочек для печенья на 3D принтере.
Методы исследования: изучение информации по теме, отбор и систематизация материала, применение полученной информации на практике, обобщение и выводы.
Продукт проекта: формочки для печенья.
Выводы:
при помощи 3D принтера можно изготовить безопасные для здоровья формочки для печенья и использовать их в быту
любая система трехмерного проектирования требует определённых умений и навыков работы
PLA-пластик - экологически чистый материал, пригоден для изготовления пищевых форм, наиболее популярен при выборе для 3D печати в домашних условиях
применение 3D-печати обеспечивает яркое и комфортное будущее
План исследования
Обоснование актуальности темы исследования
Идея и история создания 3D принтеров
Выбор системы для 3D проектирования
Выполнение чертежа формочек при помощи системы трёхмерного проектирования
Изучение образцов пластика для 3D печати
Печать на 3D принтере продукта исследования
Анкетирование одноклассников
Практическое применение продукта исследования
Выводы
Основная часть
Идея и история создания 3D принтеров
История 3D-печати начинается в середине ХХ века. В 1950-е годы американец Чарльз Халл попробовал воплотить в жизнь первую аддитивную технологию — стереолитографию (технология аддитивного производства моделей, прототипов и готовых изделий из жидких фотополимерных смол. Отвердевание смолы происходит за счет облучения ультрафиолетовым лазером или другим схожим источником энергии.). (https://3dtoday.ru/wiki/SLA_print)
Ближайшие родственники 3D-принтеров появились в начале 80-х годов ХХ века в Японии благодаря работе доктора Хидео Кодамы. Он разработал устройство для быстрой послойной печати прототипов физических объектов.
В 1986 году Чарльз Халл получил патент на своё изобретение и основал компанию «3D System Corporation», которая сегодня является лидером 3D-печати.
В 1988 году было запущено серийное производство стереолитографических (SLT) принтеров, которые создавали объекты по цифровым заготовкам. Материалом служило жидкое вещество на основе акрила, которое под действием лазерных лучей превращалось в пластик.
К началу девяностых 3D-модели создавались новым поколением принтеров по технологии лазерного спекания. Тогда же появился термин «3D-печать». Если раньше изделие «выращивалось» из жидкого акрила, то к тому времени оно уже изготавливалось из порошка под воздействием лазера.
В начале 2000-х годов произошла самая настоящая революция 3D-печати: рынок раскололся на два направления - высокотехнологичные дорогостоящие системы и доступные широкой категории потребителей устройства. И те, и другие стремительно развиваются, активно внедряясь во все сферы жизни человека. (http://rcm2.ru/razvlechenie/3d-pechat-istoriya-primenenie-perspektivy/)
Сферы применения 3D-печати в современном мире:
Медицина
Строительство
Быт
Выбор системы для 3D проектирования
Программное обеспечение автоматизированного 3D проектирования используется инженерами и архитекторами для создания, изменения, анализа и оптимизации конструкции. Это помогает улучшить качество дизайна, повысить производительность, а также позволяет быстро создавать сложные объёмные элементы. (https://new-science.ru/12-luchshih-besplatnyh-programm-sapr/)
Существует множество бесплатных инструментов, которые позволяют с лёгкостью создавать, проверять и управлять сложными проектами. Приведём несколько примеров.
Tinkecad – это простой инструмент 3D проектирования, разработанный специально для детей. С его помощью можно создавать домашний декор, игрушки, украшения, прототипы и многое другое. (Приложение 1)
OpenSCAD - мощный инструмент, уровень его сложности требует определённых навыков программирования, позволяющий создавать 3D объекты. (Приложение 2)
ZBrush ориентирован на органические модели и моделирование персонажей, делает 3D скульптурирование и проектирование очень простым и удобным. Данная программа ориентирована в основном на концепцию лепки из глины, её можно использовать для проектирования сложных структур и существ. (Приложение 3)
SketchUp имеет несколько инструментов для создания презентаций, которые помогают создавать сложные модели. Эта программа 3D моделирования предназначена для широкого спектра приложений машиностроения, ландшафтную архитектуру, дизайн интерьера, дизайн фильмов и видеоигр. (Приложение 4)
КОМПАС-3D — это российская система трехмерного проектирования, ставшая стандартом для тысяч предприятий и сотни тысяч профессиональных пользователей. КОМПАС-3D широко используется для проектирования изделий основного и вспомогательного производств в таких отраслях промышленности, как машиностроение (транспортное, сельскохозяйственное, энергетическое, нефтегазовое, химическое и т.д.), приборостроение, авиастроение, судостроение, станкостроение, вагоностроение, металлургия, промышленное и гражданское строительство, товары народного потребления и т. д. (Приложение 5)
Выполнение чертежа формочек при помощи системы трёхмерного проектирования
Программное обеспечение, с помощью которого мы создавали 3d-модель формочек: «КОМПАС-3D_2020» (Приложение 6)
Этапы выполнения чертежа:
1. Черчение контуров
2.Повторное черчение для регулеровки тольшены
3. Возведение
4 Задняя стенка
5 Сквозные отверстия
6 Скругление контуров
Изучение образцов пластика для 3D печати
3D принтер открывает двери во вселенную безграничного творчества. На сколько качественно и быстро получится реализовать все фантазии и задумки, зависит от особенностей различных видов пластика. Современный рынок предлагает как обычные типы пластика, так и состоящие из нейлона, поликарбоната, углеродного волокна, полипропилена и других полимеров. Выпускаются материалы, которые могут проводить электричество и даже светиться в темноте! Благодаря такому разнообразию материалов, нетрудно создавать функциональные и красивые модели в домашних условиях. Чтобы подобрать подходящий тип пластика для изготовления продукта нашего исследования, мы изучили множество вариантов и выделили несколько базовых моделей, пользующихся наибольшей популярностью среди пользователей 3D печатания.
PLA (Полилактид) — пластик, в основе которого находится молочная кислота. Производится из сахарного тростника или кукурузы. Может также производиться из других натуральных продуктов, таких как картофельный крахмал или целлюлоза.
Является одним из самых популярных пластиков для 3D-печати. Хорошо подходит для печати в домашних условиях, потому что имеет следующие положительные свойства:
Не дает усадки при печати, что позволяет получить точное соответствие размеров напечатанного изделия смоделированному.
Не требует подогреваемого стола и не боится сквозняков при печати.
Нетоксичен. Во время печати приятно и несильно пахнет, что позволяет печатать им в квартире без использования специальной вытяжки.
Твердый, прочный и скользкий, широкий диапазон применений.
Производится из натуральных компонентов, может использоваться для контакта с пищевыми продуктами.
Биоразлагаемый, вещи из данного пластика не наносят вреда окружающей среде при утилизации. (https://top3dshop.ru/blog/podrobnyj-gid-po-vyboru-plastika-dlja-3d-pechati.html)
ABS (акрилонитрилбутадиенстирол) — ударопрочный пластик, очень популярен в промышленности и 3D-печати. Изделия из ABS достаточно прочны, поэтому его часто используют для печати функциональных объектов, имеющих практическое применение.
Из-за невысокой стоимости сырья является одним из самых доступных по цене пластиков.
Данный тип пластика имеет следующие свойства:
Хорошее сочетание прочности и упругости позволяет использовать его для изготовления механических изделий, рассчитанных на долгий срок эксплуатации.
Широкий диапазон используемых температур позволяет эксплуатировать изделия из него в технических целях.
В процессе печати может образовываться неприятных запах, печатать лучше в проветриваемом помещении, или оснащать принтер специальной системой вытяжной вентиляции, с выводом за пределы квартиры. (https://top3dshop.ru/blog/podrobnyj-gid-po-vyboru-plastika-dlja-3d-pechati.html)
HIPS (высокопрочный полистирол) — достаточно мягкий пластик, создавался для использования совместно с ABS, для поддержек при двуэкструдерной(технология получения изделий путём продавливания вязкого расплава материала или густой пасты через формующее отверстие) 3D-печати.
Свойства данного типа пластика по сравнению с PLA и ABS:
Меньшая усадка, чем у ABS, что делает его пригодным для печати точных изделий.
Меньшая плотность, чем у PLA, что позволяет печатать изделия, где необходима легкость конструкции.
Мягкость поверхности, которая гарантирует простоту механической обработки.
Матовость, которая придает эффект сглаженности изделиям.
Температура размягчения почти как у ABS, что позволяет использовать его в уличных условиях.
Меньшая, чем у ABS, прочность на изгиб и, как следствие, большая хрупкость изделий.
Низкая устойчивость к ультрафиолетовому излучению, что ограничивает использование изделий на солнечном свете. (https://top3dshop.ru/blog/podrobnyj-gid-po-vyboru-plastika-dlja-3d-pechati.html)
PETG (полиэтилентерефталат-гликоль) — относительно новый, по сравнению с ABS, материал, но уже завоевавший заслуженное признание у 3D-печатников. Пластик достаточно ударопрочный.
Данный тип пластика имеет много положительных характеристик:
Отсутствие запаха при печати — позволяет печатать в домашних условиях, не используя дополнительную вытяжку.
Отсутствие усадки обеспечивает высокую точность размеров принтов.
Очень сильное спекание между слоями — можно печатать тонкостенные изделия с высокой прочностью.
Стойкость к ультрафиолету — напечатанные модели можно использовать вне помещений.
Широкий температурный диапазон эксплуатации.
При печати не требуется закрытая камера.
Хорошее скольжение и ударопрочность — можно печатать шестерни, втулки и другие детали механизмов.
Не токсичен, можно печатать изделия, предназначенные для контакта с пищей. (https://top3dshop.ru/blog/podrobnyj-gid-po-vyboru-plastika-dlja-3d-pechati.html)
Flex (полиуретан) — мягкий резиноподобный материал. Используется там, где нужна гибкость и эластичность готовых изделий. Данный материал имеет достаточно узкую нишу применения.
Данный тип пластика имеет следующие свойства:
Гибкость — основное свойство, которое обуславливает применение.
Широкий температурный диапазон применения — можно использовать в технических изделиях, в условиях повышенных температур.
Сложность печати — зачастую требуется доработка экструдера для печати гибкими материалами.
Не всегда возможна печать с ретрактами — возможно возникновение “соплей” на модели. (https://top3dshop.ru/blog/podrobnyj-gid-po-vyboru-plastika-dlja-3d-pechati.html)
Итог:выбор пластика для 3D печати зависит от цели назначения и дальнейшего использования готового продукта. Мы остановили свой выбор на PLA-пластике, т.к. он является экологически чистым материалом и пригоден для изготовления пищевых форм.
Печать на 3D принтере продукта исследования
Оборудование, на котором производили печать продукта нашего исследования - 3D принтер Ender – наш любимый домашний помощник. Его подарили мне родители на день рождения. Надёжность конструкций и качество деталей нас порадовали при распаковке. (Приложение 6)
Принтер показал себя очень достойно по результатам печати в течение двух лет использования в нашей семье. Мы можем порекомендовать 3D принтер Ender для домашнего использования, и людям, уже имеющим опыт в 3D печати, и новичкам, т.к. область применения этого принтера обширна: от использования его в качестве домашней игрушки и помощника, до художественного моделирования и печати прототипов деталей и функциональных элементов бытовых приборов и мебели. (Приложение 7)
Анкетирование одноклассников
Нами была разработана анкета для опроса учащихся 6 «Б» класса МБОУ «СОШ №1» г. Тарко-Сале об объекте нашего исследования
(https://docs.google.com/forms/d/e/1FAIpQLScqAM7RRADtmk0PSBFfeYkLFmyKq8eELP9GTBYHKjoPT-jFaQ/viewform). (Приложение 8)
В анкетировании приняли участие 27 учащихся. Опросив ребят, мы получили следующие результаты:
Проанализировав ответы обучающихся, можно сделать вывод о том, что трёхмерная печать – это новая, практически не изученная тема ребятами моего класса: большинство учащихся – 23 (85%) знают о 3D принтерах, 20 учеников(74%) считают, что жизнь людей можно облегчить при помощи трёхмерной печать, лишь 6 (22%) уверены, что на 3D принтерах можно изготовить модели пригодные в пищевой промышленности, все мои одноклассники – 27 человек (100%) хотели бы получить вкусный новогодний подарок с уникальным дизайном, немногие умеют печатать на 3D принтере – 7 человек(25%).
Практическое применение продукта исследования
Рецепт ИМБИРНОГО ПЕЧЕНЬЯ (Автор РОБИН с сайта diary.ru)
100 г сахара
165 г меда или патоки
1,5 ч.л. молотого имбиря
1 ч.л. молотого душистого перца
1 ч.л. молотой корицы
1 ч.л. молотой гвоздики
2 ч.л. соды
125 г сливочного масла
1 яйцо
525 г муки
Кладем в кастрюлю сахар, мед и все специи, доводим до кипения, снимаем с огня. Добавляем соду, размешиваем (смесь должна сильно вспениться). Добавляем нарезанное кубиками масло и размешиваем, пока оно не растворится.
Добавляем яйцо и муку, замешиваем пластичное тесто.
Делим тесто пополам, одну часть заворачиваем в пленку и откладываем в сторону. Остальное тесто раскатываем в пласт толщиной 0,5 см и вырезаем формочками печенье.
Кладем на противень и выпекаем в разогретой до 170 градусов духовке 12-14 минут, пока не зарумянятся края.
Используя вышеуказанный рецепт, мы замесили тесто, раскатали его скалкой. При помощи формочек, напечатанных на 3D принтере, вырезали фигурки, испекли печенье в духовом шкафу. (Приложение 9)
Нам удалось удивить и порадовать ребят в канун новогоднего праздника уникальным подарком, изготовленным своими руками при помощи современных технологий!
Заключение
Выводы:
при помощи 3D принтера можно изготовить безопасные для здоровья формочки для печенья и использовать их в быту
любая система трехмерного проектирования требует определённых умений и навыков работы
PLA-пластик - экологически чистый материал, пригоден для изготовления пищевых форм, наиболее популярен при выборе для 3D печати в домашних условиях
применение 3D-печати обеспечивает яркое и комфортное будущее
Список использованных источников и литературы
Большаков В.: Основы 3D-моделирования: учебный курс / В. Большаков, А. Бочков - СБп. : Питер, 2012. – 304 с.
Ганин Н. Б.: Трехмерное проектирование в КОМПАС-3D: проектирование / Н. Б. Ганин – М. : 2012. – 784 с.
Двенадцать лучших бесплатных программ САПР [Электронный ресурс]. - Режим доступа : https://new-science.ru/12-luchshih-besplatnyh-programm-sapr/
Никонов В. В.: КОМПАС-3D: создание моделей и 3D-печать: учебное пособие / В. В. Никонов - СБп. : Питер, 2020. – 208 с.
Подробный гид по выбору пластика для 3D-печати [Электронный ресурс]. - Режим доступа : https://top3dshop.ru/blog/podrobnyj-gid-po-vyboru-plastika-dlja-3d-pechati.html
Стереолитография [Электронный ресурс]. - Режим доступа : https://3dtoday.ru/wiki/SLA_print
3D-печать: история, применение, перспективы [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://rcm2.ru/razvlechenie/3d-pechat-istoriya-primenenie-perspektivy/
Приложения
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
Приложение 6
Приложение 7
Приложение 8
Приложение 9