XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Возможности 3D-принтера в современном мире

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кокорев А.Д. 1

---

1МОАУ «Лицей №6» им. З.Г. Серазетдиновой 9в класс

Боряк Марина Александровна 1

---

1МОАУ «Лицей №6» им. З.Г. Серазетдиновой

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Цифровые технологии в современном мире развиваются очень стремительно.

3D-печать — масштабная революция в мире физических вещей. Сегодня она охватывает все сферы деятельности человека и продолжает стремительно развиваться.

3D-принтер – аддитивное устройство способное воссоздать любой предмет методом послойного воспроизведения по 3D-модели.

Актуальность исследования заключается в том, что сегодня для того, чтобы создать сложную или нестандартную деталь, вовсе не нужно искать профессионального токаря, способного справиться с ювелирной работой. В дело вступают 3D принтеры, для которых нет нерешаемых задач. При этом, они являются ни чем иным, как простейшей компьютерной программой, которую необходимо исполнить технической части машины. В итоге такие принтеры способны воссоздавать точнейшие детали для многих видов человеческой деятельности, особенно когда времени искать и заказывать готовое изделие просто не остаётся.

Массовое распространение технологии, позволяющей делать 3D-печать моделей любой сложности начало сильно влиять на нашу жизнь, а дальнейшее распространение технологии, на основе которой стало возможно мелкосерийноепроизводство, повлечет за собой еще большие перемены.

Ученые-футурологи считают, что в ближайшем будущем человек будет покупать некоторые вещи не в магазине, а распечатывать на домашнем 3D-принтере, скачав их в сети Интернет.

После того, как я осознал высокую степень необходимости в современном мире в 3D-принтерах, я заинтересовался ими и решил изучить их пользу и возможности.

Проблема нашего исследования заключается в выборе наиболее эффективного способа соединения 3D-деталей при создании изделий и их прототипов.

Цель нашего исследования - изучение видов и принципов работы 3D-принтеров, варианты их использования в современной жизни человека.

Для достижения поставленной цели поставлены следующие задачи:
1. Изучить историю появления, виды и принципы работы 3D-принтеров.
2. Установить преимущества 3D-принтеров российского производства.
3. Разработать небольшой предмет на 3D-принтере.

Гипотеза:

Предположим, что, изучив различные типы соединений, мы сможем подбирать наиболее оптимальные соединения, при создании различных изделий.
Объектом нашего исследования являются 3D-принтера.

Предмет исследования - возможности 3D-принтера в современном мире.

Методы исследования:

1. Анализ информационных источников.

2. Обобщение полученного материала.

3. Моделирование.

4. Эксперимент.
   Практическое значение этого исследования состоит в использовании разных типов соединения 3D-деталей, что позволит получить новые решения при изготовлении 3D-моделей.

Практическое значение проекта не имеет географических и экономических ограничений, так как в современном мире возможности 3D-принтеров безграничны.

Разработанные принципы соединения деталей позволяют создавать вещи по собственному усмотрению, не прибегая к помощи крупных компаний, облегчив жизнь людей на нашей планете.

Это маленький шаг в мир возможностей использования 3D-принтеров, который послужит толчком для дальнейшего исследования способов соединения деталей, созданных с помощью 3D-печати.

Глава 1. Теоретическое обоснование создания и использования

3D-принтеров

1.1. История 3D-печати

История 3D-печати начинается в середине ХХ века, в 1950-е годы, когда американец Чарльз Халл попробовал воплотить в жизнь первую аддитивную технологию — стереолитографию.

Ближайшие родственники 3D-принтеров появились в начале 80-х годов ХХ века в Японии благодаря работе доктора Хидео Кодамы, который разработал устройство для быстрой послойной печати прототипов физических объектов.

В 1986 году Чарльз Халл получил, наконец, 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.

1. 2. . Виды и принцип работы 3D-принтеров.

3D-принтеры - это инновационное устройство для вывода трѐхмерных данных. Они представляют собой мощный инструмент, который находит применение в различных областях, включая прототипирование, производство, медицину, архитектуру и другие.

Работа 3D принтера всегда начинается с чертежа – это цифровая 3D-модель. Если имеется необходимый объект или фигура, его следует с помощью специализированных программных средств превратить в объемный образ.

Принтера различаются по принципам работы:

• экструзия (FDM, DIW);

• фотополимеризация (SLA,DLP);

• формирование слоя на выровненном слое порошка (3DP, EBM, SLS, DMLS, SHS);

• подача проволочного материала (EBF);

• ламинирование (LOM);

• точечная подача порошка (DED);

• струйная печать (MJM).

FDM (см. приложение 1) — самый популярный и наиболее экономичный способ производства деталей и прототипов из термопластов. Для FDM доступен широкий спектр термопластичных материалов, подходящих как для прототипирования, так и для некоторых функциональных деталей.

Что касается ограничений, FDM имеет самую низкую точность размеров и разрешение по сравнению с другими технологиями 3D-печати. Детали FDM, будут иметь видимые линии слоев. Кроме того, механизм адгезии слоев делает детали FDM по своей природе анизотропными. Это означает, что они будут слабее в направлении слоев.

Сильные стороны: простота использования и обслуживания, доступные по цене материалы и оборудование, не обязательна постобработка, детали можно использовать сразу после печати

Слабые стороны: ограничения по использованию материала (только пластик), отсутствие термостойкости, по сравнению с фотополимерной печатью (SLA, DLP, LCD) нет возможности печать высокодетализованные модели

SLA, DLP, LCD (см. приложение 2) — схожие процессы, в которых для послойного отверждения жидкого фотополимера в резервуаре используется источник ультрафиолетового света. SLA использует УФ лазер, в то время как DLP использует цифровой проектор, а LCD жидкокристаллический экран для засветки изображения каждого слоя.

После печати деталь необходимо очистить от смолы и подвергнуть воздействию УФ-излучения для повышения ее прочности, в целю, что бы фотополимер полностью прореагировал. Затем удаляются поддержки и если требуется выполняют постобработку.

DLP принтер осуществляет последовательное формирование горизонтальных слоев, засвечиванием фотополимерных смол светом DLP проектора. Цифровая 3D модель делится на множество проекций (слоев), в форме которых и отображается световое пятно. В отличие от лазерных SLA 3D принтеров проекционные DLP могут имеют большие размеры и габариты, но скорость печати зачастую превосходит лазерные SLA принтеры, т.к. слой засвечивается полностью, нежели постепенно пятном лазера. Разрешение для SLA определется площадь пятна (80 — 140 нм), а DLP и LCD разрешением проектора или ЖК-экрана. LCD 3D принтеры аналогичны DLP, только вместо проектора используется ЖК-экран.

Фотополимерный (SLS) (см. приложение 3)

Данная технология используется, как для создания прототипов функциональных изделий из полимеров, так и для интеграции в небольшие производственные циклы, поскольку предлагает полную свободу проектирования, высокую точность и производит детали с хорошими и стабильными механическими свойствами, в отличие от FDM или SLA., а также он может печатать не только пластиком, но и металлическим порошком.

Естественно, как и в любом другом случае, возможности технологии могут быть использованы в полной мере, только если принимать во внимание ее ключевые преимущества и недостатки, поэтому давайте подробно разберем ее особенности и принцип функционирования.

Процесс изготовления методом SLS работает следующим образом:

I. Камера с порошком, как и вся область печати нагревается чуть ниже температуры плавления полимера, после чего выравнивающее лезвие распределяет тонкий слой порошка по рабочей платформе.

II. СО2-лазер сканирует контур следующего слоя и выборочно спекает (сплавляет) частицы порошка полимера. Поперечное сечение компонента сканируется (спекается) полностью, поэтому деталь получается монолитной.

III. Когда слой завершен, рабочая платформа движется вниз, и лезвие вновь покрывает порошком поверхность. 

Процесс повторяется до тех пор, пока вся деталь не будет готова.

LOM (ламинирование) (см. приложение 4)

Процесс печати протекает следующим образом:

Лист материала с клейким покрытием наносится на рабочую платформу (или нижние слои модели) с помощью разогретого ролика.

Контур слоя вычерчивается с помощью лазера.

Лишний материал режется лазером на мелкие секции для упрощения процедуры удаления.

Платформа с готовым слоем передвигается вниз.

В рабочую камеру подается новый лист материала.

Платформа поднимается вверх до контакта с новым материалом.

Цикл повторяется до завершения постройки модели, после чего лишний материал удаляется, и производится завершающая механическая обработка изделия (сверление, шлифовка и пр.)

Сам я работал, к сожалению, только на FDM и SLA принтерах, но в дальнейшем хочу освоить SLS – порошковый принтер.

Существует несколько видов принтеров:

• потребительский

• профессиональный

• промышленный

Потребительский принтер создан для личного пользования, имеет небольшие размеры, печатает ABS и PLA пластиком и имеет не высокое качество производимых деталей

Профессиональный принтер в отличие от потребительского создан для произведения более точных объектов, а также может печатать не только пластиком, но металлом и смолой.

Промышленный (производственный) – отличное качество печати, большая площадь печати.

1.3. Сферы применения 3D-принтеров

3D-принтера активно используются в разных сферах нашей жизни:

• В промышленности.

Активно используется в нефтегазовой промышленности (используются для создания новых и изготовления оптимизированных деталей и узлов нефтегазового оборудования, а также литьевых форм), в атомной промышленности (для создания элементов оборудования и запасных частей для АЭС), в энергетике, в ювелирной промышленности (для создания точной восковой копии изделия, для утверждения дизайна с заказчиком) и т.д.

Также, прежде чем создавать функциональный вариант компьютерной мыши, разработчики делают макет-прототип. Он позволяет понять, насколько удобно мышка сидит в руке.

• В строительстве.

У итальянской компании WASP имеется строительный принтер BigDelta — 12 метров в высоту и 6 метров в диаметре. Он может печатать простейшие хозяйственные постройки из глины и бетона.

Китайская компания WinSun печатает на 3D-принтерах полноценные жилые здания. Среди успешных проектов — строительство двух модульных коттеджей за два дня и полноценной пятиэтажки — за месяц.

Недалеко от Ярославля (около поселка Туношна) началось строительство поселка с помощью 3D-принтера.

Свои модели строительных 3D-принтеров имеют компании «Апис Кор Инжиниринг» (США), АМТ (Россия), D-Shape (Италия), CyBe Construction (Нидерланды).

• Для создания деталей космических кораблей и самолетов.

Уже сейчас аэрокосмическая и авиастроительная промышленность пользуется возможностями трехмерной печати. Так, всемирно известная компания Boeing и американская корпорация Lockheed Martin уже приступили к созданию деталей двигателя и несущих элементов конструкции. Предметы изготавливают из цельнометаллических материалов по технологии лазерного спекания.

• В медицине.

3D-печать используется сразу в нескольких направлениях — изготовление моделей органов для демонстрации, создание протезов, имплантатов и анатомических моделей, печать инструментов.

Биопринтер работает уже с живыми клетками (как правило, стволовыми). Ученые уже могут распечатать искусственную кожу, хрящи (нос, ухо), роговицу и кровеносные сосуды. Проводились эксперименты с печатью почки и миниатюрного сердца. Впрочем, биопечать пока находится на начальном этапе. Ученые создают отдельные части органов и ткани. Ожидается, что в ближайшем будущем станет доступна печать полноразмерных функционирующих органов.

• В повседневной сфере.

Детские игрушки, оригинальные чехлы для телефонов и многое другое — все это легко печатается на 3D-принтере. Такая печать стала одним из перспективных направлений для малого и среднего бизнеса.

• В кулинарии.

Пищевой принтер может делать макароны, шоколадные изделия с уникальным дизайном и многое другое. Создать надпись или объемную композицию из шоколада стало невероятно просто. А еще принтеры пекут оладьи с выбранным рисунком или собирают кусочки сахара разных форм и цветов.

В основном пищевые принтеры работают по технологии FDM (послойное наложение материала). Принтер выдавливает жидкий материал на платформу для печати, образуя со временем цельную конструкцию.

• Одежда

Модельеры тоже заметили преимущества трехмерного моделирования. Некоторые материалы (например, нейлон) вполне пригодны для создания одежды, причем готовое изделие приобретет необычную форму и одновременно будет достаточно прочным и эластичным.

Фирма Continuum Fashion уже представила некоторые изделия, которые вызвали триумф на модных показах. Готовую одежду даже можно приобрести в интернет-магазине. Конечно, сейчас такие вещи выглядят слишком эксцентрично и явно не предназначены для повседневной носки, однако специалисты считают, что в недалеком будущем люди будут печатать одежду прямо у себя дома.

• Мебель

3Д-принтеры позволяют изготавливать мебель, которую почти невозможно отличить от настоящей. Дело в том, что для печати используется специальный пластик, в состав которого входят микроопилки. Так, материал Laywoo-D3 даже обладает запахом дерева, а напечатанное изделие легко обрабатывается, красится и покрывается лаком.

Дизайнер Йорис Лаарман внес некоторые усовершенствования в конструкцию принтеров, так что его разработка может легко печатать металлом и создавать всевозможные ажурные детали для мебели.

1.4. 3D-принтера российского производства

В современном мире большинство 3D-принтеров производится либо в Китае, либо в Европе. Но сейчас и в России начинают развиваться производства по созданию 3D-принтеров. Мы можем гордиться такими принтерами как «Zenit» и «Picaso 3D Designer».

ZENIT (см. приложение 5)– 3D-принтер подходит для печати наиболее популярными видами пластика, например PLA, ABS, PVA, FLEX и др., благодаря подогреваемой поверхности стола. Также для более качественного конечного результата, используется регулируемый встроенный обдув. Бесперебойность самой работы обеспечивается за счет специального протяжного механизма нити, который практически исключает ее застревание.

3D-принтер ZENIT выполнен из сверхпрочных материалов. Устройство имеет закрытый корпус, что позволяет сделать процесс печати безопасной. Подсветка рабочего пространства, индикатор нагрева, LCD-дисплей на лицевой части принтера делают использование принтера ZENIT удобным и эргономичным. А также у них доступная цена, что позволяет конкурировать с такими брендами как Voxelab, Photon, а также Anycubic.

Picaso 3D Designer (см. приложение 6) - FDM-принтер отечественного производителя, который одним из первых начал осваивать технологию в качестве эффективных производственных решений.

Picaso 3D Designer создает твердые трехмерные объекты из расплавленной нити пластика. Расплавленная пластиковая нить через печатающую головку подается на платформу, где послойным наплавлением создается тело модели. Такая технология называется «метод послойного наплавления».

Принтеры этого производителя отличаются хорошей точностью печати, большой рабочей поверхностью, а также могут работать с тугоплавким пластиком.

Мы решили рассмотреть несколько известных марок и моделей 3D-принтеров стоимостью от 75 до 120 тысяч рублей и сделать их сравнительный анализ:

Таблица 1- Сравнительная характеристика 3D принтеров

Исходя из данных, представленных в таблице, мы сделали вывод, что сейчас российское производство 3D-принтеров стремительно развивается и претендует на звание «лучших» 3D-принтеров бюджетного сегмента. Также они превосходят по качеству сборки такие бренды как: Qidi, Anycubic, Bambu Lab и некоторые модели Ultimaker.

1.5. Российские производители расходных материалов для 3D-принтера.

Существует большой ассортимент материалов для 3D-печати (рис. 1).

Полимеры - широко используемый класс материалов, обладающий широким спектром свойств и применяемый в различных отраслях, включая клеящие составы и биомедицинские устройства. Для 3D-печати полимеры обычно поставляются в виде пластиковой нити (филамента), смолы или порошка. По своему поведению при термическом воздействии полимеры делятся на термопластики (их можно плавить и отверждать снова и снова с сохранением их свойств) и реактопласты (сначала представляют из себя вязкую жидкость и затем отверждаются до цельного состояния; не плавятся ).

Рис.1. Классификация материалов 3D-печати.

Металлическая 3D-печать в основном использует порошковую форму металла. Металлические порошки оцениваются по гранулометрическому распределению, форме и текучести для определения их пригодности для 3D-печати. Металлическая 3D-печать позволяет создавать высококачественные, функциональные и несущие детали из различных металлических порошков.

Помимо полимеров и металлов, в 3D-печати также используются керамика и композиты. Керамические материалы отличаются улучшенной износостойкостью, что делает их идеальными для изготовления инструментов. Композитные материалы, такие как углеродный или металло-нейлоновый порошок, обладают улучшенными показателями соотношения прочности к весу, износостойкости и статического сопротивления. Кроме того, в 3D-печати используется множество экзотических филаментов, таких как PLA-пластик, наполненный деревом или металлом. Такие филаменты придают изделиям уникальный внешний вид и особые свойства. 3D-печать с использованием различных материалов позволяет создавать детали и изделия с широким спектром свойств и применений. Постоянное развитие технологий 3D-печати открывает новые возможности для использования различных материалов и создания инновационных изделий.

Рынок 3D-печати стремительно развивается и наращивает свои мощности.

Рассмотрим российских производителей пластиковых филаментов (термопластичное сырье для 3D-принтеров). Из-за возрастающего спроса, на российском рынке стремительно появляются новые компании-производители, а уже существующие увеличивают свой ассортимент материалов для 3D-печати.

Самыми крупными российскими компаниями, производящими расходные материалы для 3D-принтера являются:

• REC

Изготавливает пластик на основе PET-G для очень прочной 3D печати. Этот пластик отлично подойдет для крупногабаритных изделий, им очень просто печатать так как его усадка даже меньше, чем у сухого PLA, а благодаря высокой адгезии между слоями даже тонкостенные модели имеют впечатляющую прочность. Этот материал характеризуется очень высокой ударопрочностью и широким температурном диапазоном применения (от -40°С до +70°С), высокой глянцевостью, хорошей стойкостью к воздействию жиров и минеральных кислот. А самое главное, получить с этим материалом качественный результат очень просто. Печатать материалом, изготовленным материалом REC сможет абсолютно любой FDM 3D-принтер.

• Print Product

Данный производитель изготавливает самый большой в РФ ассортимент, включающий различные типы ABS, PLA и FLEX. Присутствуют такие 'смешанные' пластики, как PLF=PLA+FLEX, светящийся в темноте Lumi, суперпрочный Steel.

• FDplast

Основная специализация FDplast это производство труб. Однако завод выпускает также небольшой ассортимент филаментов для FDM-принтеров по очень демократичным ценам.

• BestFilament

Компания производит качественные расходники для 3D-печати с постоянным диаметром нити. Этот параметр крайне важен, так как он напрямую влияет на качество готового изделия, быстроту засорения экструдера и сроки эксплуатации принтера в целом.

• SEM

Производит филаменты для 3D-печати с 2013 года. Для производства пластика используется сырье импортного производства, благодаря чему нити получаются высококачественными и не вызывают забивания экструдера.

1.6. Достоинства и недостатки 3D- принтеров

Достоинства 3D-печати:

• «ювелирная» точность в создании деталей;

• возможность создавать детали практически любой сложности. В отличии от традиционных способов изготовления вы можете напечатать самые сложные детали без особых трудностей;

• гибкость производства. Вы в любой момент сможете изменить 3D модель, изменив выпускаемые детали;

• уменьшение отходов: повторное использование ушедшей в

утилизацию пластмассы;

• единичные изделия дешевле изготавливать методом 3D печати, т.к. не требуется подготовка производства, нет необходимости закупать специальный инструмент, приспособления, изготавливать формы;

• покупатель участвует в создании товаров;

• всё необходимое, кроме картриджей с материалом, можно скачать из интернета;

• для производств – быстрое создание прототипов.

Недостатки использования 3D-принтеров в производстве:

• неравномерность материала (неизотропность). Т.к. материал склеивается послойно, структура материала отличается от литья, возникает возможность расслоения, снижаются механические показатели. Изделие становится более хрупким и при одинаковых геометрических размерах детали, изготовленные на 3D принтере, не смогут держать такую же нагрузку, как детали, изготовленные традиционными способами. Это является основным недостатком данной технологии;

• при большой серии — высокая стоимость производства. Пресс-форма дорогая, но если необходимы тысячи одинаковых изделий, то каждое будет дешевле изготавливать литьем;

• при серийном производстве – медленное производство. Отливка происходит гораздо быстрей, чем 3D печать.

Таким образом, изучив информационные источники по данной проблеме, мы пришли к выводу, что массовое распространение технологии, позволяющей делать 3D-печать моделей любой сложности сильно влияет на нашу жизнь, а дальнейшее распространение технологии, на основе которой стало возможно мелкосерийноепроизводство, повлечет за собой еще большие перемены.

1.7 Типы соединительных элементов.

Типы соединительных элементов 3D-деталей бывают разных видов и принципов печати:

• Стыковочные соединения

Эти соединения полагаются на силу трения между двумя сопрягаемыми деталями для удержания соединения.

• Замковые соединения

Конструкция замкового соединения предусматривает наличие выступа на одной детали. На другой детали имеется паз или канавка, в которую вставляется выступ.

• Коробчатые соединения

Одна деталь имеет на конце ряд выступов в форме пальцев. На другой детали имеются углубления или отверстия в форме коробки, в которые вставляются выступы. Затем вы можете соединить оба конца вместе для получения бесшовного соединения.

• Соединение «ласточкин хвост»

Соединение "ласточкин хвост" - это небольшая разновидность коробчатого соединения. Вместо коробчатых выступов его профиль имеет форму клина, напоминающего хвост голубя. Клиновидные выступы обеспечивают лучшее, более плотное прилегание за счет повышенного трения.

• Шпунтовые и пазовые соединения

Шпунт и паз - это еще одна разновидность коробчатого соединения. Мы можем использовать их для соединений, которые требуют скользящего механизма и других движений в одном направлении.

Профили точек их соединения такие же, как в соединениях типа "коробчатый хвост" или "ласточкин хвост", но в этом случае профили более вытянуты, что обеспечивает относительную свободу скольжения сопрягаемых деталей между собой.

Для некоторых конструкций имеет смысл 3D-печати раздвижных деталей, поэтому все зависит от проекта и работы в целом.

• Защелкивающиеся соединения

Защелкивающиеся соединения - один из лучших вариантов соединения для пластика или 3D-печатных объектов.

Они формируются защелкивание или сгибание сопрягаемых деталей в положение, при котором они удерживаются на месте за счет интерференции между сцепляющимися элементами.

• Консольная защелка

В консольной защелке используется крючкообразный соединитель на конце тонкой балки одной из деталей. Вы сжимаете или разгибаете его и вставляете в образовавшийся зазор для закрепления.

В этой другой части имеется углубление, в которое вставляется крючкообразный соединитель и защелкивается для создания соединения. Как только крючкообразный соединитель вставляется в углубление, он восстанавливает свою первоначальную форму, обеспечивая плотное прилегание.

• Кольцевые защелки

Кольцевые защелкивающиеся соединения обычно используются на деталях с круглым профилем. Например, одна деталь может иметь выступающий по окружности гребень, а ее сопрягаемая деталь имеет канавку, вырезанную в ее ободе.

Когда вы сжимаете обе детали вместе во время сборки, одна из них прогибается и расширяется, пока гребень не найдет паз. Как только гребень найдет паз, прогибающаяся деталь вернется к своему первоначальному размеру, и соединение будет завершено.

Примерами кольцевых защелкивающихся соединений являются шаровые и гнездовые соединения, колпачки ручек и т.д.

• Торсионные защелки

Эти типы защелкивающихся соединений используют гибкость пластмасс. Они работают по принципу защелки: крючковидный соединитель со свободным концом удерживает две части вместе, зацепляясь за выступ на другой части.

Чтобы освободить это соединение, можно нажать на свободный конец зацепленного соединителя. Другие известные типы соединений и стыков, которые можно напечатать на 3D-принтере, включают шарниры, винтовые соединения, соединения желоба и т. д.

• Болтовое соединение

Болтовое соединение одно из самых простых соединений, при таком соединении используется болт и гайка, при надобности силу зажима всегда можно ослабить, и повернуть зажатые детали, после этого затянуть гайку обратно.

• Цепное соединение

Цепное соединение не стабильно, но имеет хорошую гибкость, а следовательно большую прочность. такое соединение состоит из звеньев, последовательно соединённых между собой.

• Кольчужное соединение

Кольчужное соединение самое гибкое из всех соединений, оно состоит из двух «Н» образных, наложенных друг на друга деталей и соединяется как 4 в 1 – 4 детали вставляются в одну, и так со всеми.

Таким образом, необходимо спроектировать эти блокирующие элементы достаточно гибкими, чтобы выдержать нагрузку при сгибании. Но, с другой стороны, они должны быть достаточно жесткими, чтобы удерживать соединение на месте после соединения деталей.

Глава 2. Создание 3D-модели на практике

Существует множество технологий создания 3D-печати, но их объединяет общий процесс изготовления от конструирования до конечной детали. И хотя каждый метод 3D-печати производит детали различным способом, рассмотренные ниже шаги присутствуют во всех технологиях.

Для создания 3D-модели нам потребуется:

• PLA пластик - он легко плавный и создан на основе кукурузного крахмала

• 3D – принтер

• компьютер для создания цифровой модели

Основные этапы создания 3D-модели:

• создание 3D-файла

Создание цифровой модели является первым шагом в процессе 3D-печати. Самый распространенный метод создания 3D-модели – это система компьютерного проектирования

• Создание SLT-файла и операции над ним

• Печать

• Удаление напечатанного

• Постобработка

Некоторым технологиям необходим процесс отвержения под УФ-лучами, другие позволяют сразу передавать готовые детали далее.

Существует множество соединений деталей,

Рассмотрим создание 3D - модели на практике, на примере нескольких вариантов соединения деталей.

Первый тип соединения - болтовой.

Рассмотрим на примере держателя для ванночки со смолой от SLA принтера, который помогает сливать остатки смолы обратно в банку.

Рис. 2 - Подставка для ванночки со смолой

При таком соединении 2 детали связанны между собой болтом и гайкой, благодаря которым деталь подвижна в точке соединения.

1. Для начала я произвел все замеры.

Длина и ширина подставки 26 см. и 19 см.

Длина плеча 19 см.

Все отверстия для болтов 1,5 см.

Вырез для банки со смолой 8 см.

Корзина для ванночки со смолой:

длина 23 см.

ширина 18 см.

высота 5 см.

2. На их основе сделал чертеж детали в программе «Компас 3D». Далее, по этому чертежу, я создал цифровую модель двух соединительных планок и болтов с гайками (см. приложение 7).

3. Загрузил получившиеся модели на SD карту, которую потом вставил в 3D – принтер ANYCUBIC.

4. Перед началом работы убедился, что принтер не загрязнён и его рабочая поверхность пригодна для печати.

5. Разогрел рабочую площадь принтера до 80 градусов.

6. Запустил печать детали.

7. После того, как деталь напечаталась аккуратно снял её со столика.

Такое соединение должно печататься в несколько циклов (сначала печаталась первая планка, потом вторая, после уже болт с гайкой). Но это не всегда удобно и зачастую отнимает гораздо больше времени чем в следующем виде соединения.

С помощью такого типа соединения мы можем создать: подставку для настольной лампы, выдвижные конструкции на стене, а та же можем соединять детали которым нужны минимальные зазоры (такие используются в транспорте, т.к. при разгоне и торможении нужны небольшие зазоры в соединение, если их не будет, конструкция будет менее прочной) и т.д.

Второй тип соединения - цепной.

Мы решили провести эксперимент и создать подвижную модель за один цикл печати. Для этого мы решили в качестве изделия выбрать «ящерку».

Рис. 3 – Модель ящерки

Разработав чертеж и 3D модель (см. приложение 8) в программе «Компас 3D» и загрузив его в принтер, мы путем многослойной печати получили цельную модель ящерки, основанную на цепном виде связи, не требующую сборки, но при этом полностью подвижную.

Данный тип соединения дает возможность сэкономить время и расходный материал при печати.

С помощью такого соединения мы можем создавать украшения, сувениры, а также создавать модели человека и животных в суставах и т.д.

Третий тип соединения – кольчужный

Мы провели еще один эксперимент и создали своеобразную кольчужную ткань за один цикл печати.

Рис 4 – «Ткань» напечатанная на 3D-принтере

Разработав чертеж и 3D модель (см. приложение 9) в программе «Компас 3D» и загрузив его в принтер, мы путем многослойной печати получили материю, которая прочна и гибка.

Звенья данной ткани имеют Н-образную форму и сцеплены подобно кольчуге (см. приложение 10), образуя форму непрерывной рыхлой ткани, которая имеет низкую плотность и в то же время высокую жесткость на растяжение.

Такое соединение печатается в один цикл, но отличается еще большей гибкостью. С помощью такого соединения можно печатать одежду или вещи по гибкости не уступающие ткани.

С помощью такого типа соединения мы можем создавать: одежду, «пластиковую ткань», сувениры и т.д.

Таким образом, результаты нашего проекта показали, что цель проекта достигнута. Гипотеза о том, что изучив широкие возможности 3D-принтера, с помощью которых можно создавать предметы, улучшающие жизнь человечества, подтверждена.

По окончании исследования, мы пришли к выводу, что у каждого из представленных соединений, есть свои преимущества и недостатки.

Полученные данные мы представили в таблице:

Таблица 2 – Сравнительная характеристика соединений

Заключение

Данная работа посвящена возможностям использования 3D-принтера в современном мире.

Проведя анализ теоретических источников, мы пришли к выводу, что данная тема еще не получила широкого представления в литературе.

В ходе исследования выявлены основные виды, принципы работы и параметры 3D-принтеров, изучены возможности 3D-принтеров российского производства. Произведен сравнительный анализ технических характеристик 3D-принтера российского и зарубежного производства, выявлены их достоинства и недостатки.

Результаты нашего проекта показали, что цель проекта достигнута. Гипотеза о том, что изучив широкие возможности 3D-принтеров, с помощью которых можно создавать предметы и тем самым улучшить жизнь человечества, подтверждена.
Применение 3D-печати в повседневной жизни позволит снизить себестоимость изготовления продукции; сократить сроки производства; разработать изделие любых размеров и форм; точно, без брака воспроизвести предмет.

В серийном же производстве данная технология практически не применима, т.к. при изготовлении большого количества деталей проигрывает и по скорости производства, и по цене, и по качеству.

При этом, мы считаем, что можно уверенно сказать, что применение 3D-печати обеспечивает яркое и комфортное будущее.

Полученные результаты исследования дают возможность утверждать, что продукт исследования является актуальным и востребованным.

Список использованной литературы :

1. Горьков Д., Холмогоров В. 3D-печать с нуля.- СпБ: БХВ-Петербург, 2020. – 256 с.

2. Канесса Э., Фонда К., Зеннаро М. Доступная 3D-печать. – МЦТФ, 2013 – 192 с.

3. Крыжановский В.К., Кербер М.Л., Бурлов В.В., Паниматченко А.Д. Производство изделий из полимерных материалов.- СпБ,: Профессия, 2016 – 455 с.

4. Рэдвуд Б., Шофер Ф., Гаррэт Б. 3D печать. Практическое руководство. – ДМК-Пресс, 2020 – 220 с.

5. https://3dtool.ru/stati/chto-takoe-sls-3d-pechat-kak-rabotaet-sls-3d-printer-obzor-additivnykh-tekhnologiy/

6. https://3d-services.ru/primenenie/

7. https://images.app.goo.gl/YHovbJU1HgbukHks8

8. https://3d-expo.ru/article/izgotovlenie-obektov-metodom-laminirovaniya-lom-78841

9. https://www.3dpulse.ru/news/kosmos/3d-pechat-i-kosmos-samoe-vazhnoe

10. https://igb.ru/industries

11. https://design.hse.ru/news/2333

Приложение 1

Рис. 5 - FDM принтер

Приложение 2

Рис. 6 - SLA принте

Приложение 3

Рис. 7 - SLS принтер

Приложение 4

Рис. 8 - LOM принте

Приложение 5

Рис 9 – принтер «ZENIT»

Приложение 6

Рис 10 – принтер «PICASO»

Приложение 7

Рис. 11 –Чертежи подставки для ванночки со смолой

Приложение 8

Рис. 12 - 3D-Модель ящерки в цифровом виде

Приложение 9

Рис. 13 – Чертежи кольчужного соединения

Приложение 10

Рис. 14 - 3D-Цифровая модель кольчужного соединения