XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Проектирование конструкции с использованием трехмерного моделирования в среде «Компас 3д» с последующей подготовкой раскроя деталей для станка лазерной резки металла

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Хахулин Г.С. 1

---

1МАОУ Динской район СОШ 30 имени Н.А.Примака

Ольшанская Г.М. 1

---

1МАОУ Динской район СОШ 30 имени Н.А.Примака

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Изначально чертежи и другие технические документы проектировались вручную, это занимало большое количество труда и времени. Нельзя было допускать ошибки в документах, а от специалиста требовался навык черчения и пользования измерительными инструментами.

На данном этапе развития инженерии и проектной деятельности появилось большое количество программ, которые позволяют создавать не только чертежи, но и 3D-модели производимых изделий.

Актуальность 3D-моделирования на производстве обусловлена рядом преимуществ.

1. Снижение затрат на изготовление изделий. Стоимость создания 3D-модели меньше, чем создание физической модели.

2. Сокращение времени изготовления деталей. Проектирование и моделирование проводятся на компьютере, что позволяет быстро создавать и редактировать детали. 

3. Возможность создавать сложные детали с высокой точностью. Это повышает качество готовой продукции и уменьшает количество брака. 

4. Возможность симулировать и тестировать работу деталей до их производства. Это позволяет избежать ошибок в конструировании и улучшить процесс металлообработки. 

5. Возможность оценить все характеристики модели. Можно оценить визуальное исполнение, прочность и надёжность, эргономику детали, разработать специальные литейные формы. 

6. Кроме того, 3D-моделирование позволяет в полной мере представить продукцию покупателям, что облегчает работу менеджеров и экономит время потенциального заказчика. 

Цели исследования и проектной деятельности:

1. Изучение принципов и основ черчения согласно ЕСКД.

2. Обучение работе в программе Компас 3Д, разработка эскизов, чертежей и 3Д моделей. 

3. Подготовка раскроя деталей для станка лазерной резки.

4. Изготовление адресной таблички из листового металла.

Задачи:

1. изучение и анализ справочной литературы и ресурсов сети – Интернет по теме исследования;

2. подготовка модели и чертежа адресной таблички;

3. приобретение навыков проектирования и моделирования на базе программного обеспечения Компас 3Д с использованием оборудования для лазерной резки металла.

4. изготовление адресной таблички на производстве.

Практическое применение: полученные знания и навыки практической деятельности помогут мне в освоении курса «Робототехника», занятие которого я посещаю на базе нашей школы.

Методы: изучение литературы, технологический и технический приемы, фотографирование.

Сроки проведения работы: c декабря 2024 года по настоящее время.

Глава 1. Теоретическое обоснование темы

1.1. Программное обеспечение Компас 3Д

КОМПАС-3D — российская система автоматизированного проектирования (САПР) для решения проектных задач в области строительства, машиностроения, приборостроения и других отраслей. 

Система разработана для двухмерного и трёхмерного проектирования деталей, механизмов и конструкций любой сложности. Позволяет создавать как простые чертежи, так и электронные модели изделий, зданий, конструкций, механизмов и т.д.

Первая версия КОМПАС появилась ещё в 1989 году, но она была доступна лишь избранным. Причиной тому были сложившиеся привычки советских конструкторов, ранее работавших на кульманах, ограниченные знания пользователей ПК, да и сама техника была далеко не у всех.

Но прогресс не стоял на месте. В 97 году мир увидел КОМПАС 5.0 - версию программы, которая работала на Windows. Это стало настоящим прорывом, открыв проектирование широкому кругу пользователей.

Все последующие годы разработчики КОМПАС-3D не сидели сложа руки. Год за годом они трудились над её улучшением, добавляя новые функции. В результате 1 июля 2024 мир увидел плод их упорного труда – КОМПАС-3D v23. Сегодня для программы разработаны десятки приложений, модулей и плагинов, существенно расширяющих её функциональные возможности.

Актуальная, 23-я, версия КОМПАС-3D содержит расширенные возможности для реверс-инжиниринга, работы с импортированной геометрией, инструменты моделирования изделий сложных форм. Эти и многие другие новинки будут востребованы как предприятиями высокотехнологичных отраслей, потребности которых учитывались при создании версии, так и массово другими пользователями.

Называть КОМПАС-3D обычным приложением для 3D-моделирования – значит, сильно его недооценивать. На самом деле программный продукт представляет собой полноценную систему автоматизированного проектирования (САПР) с широким спектром функциональных возможностей.

Помимо создания объёмных цифровых прототипов, КОМПАС-3D позволяет разрабатывать чертежи, создавать проекты инженерных систем, готовить необходимую документацию для их использования в дальнейшей работе. Благодаря обширным возможностям, программа обрела большую популярность. В частности, среди инженеров-новичков, которые хотят быстро освоить все этапы проектирования.

1.2. Лазерная резка металла

Лазерная резка металла — это эффективная технология обработки твёрдых материалов, которая позволяет получать детали со сложной геометрией без использования традиционных режущих инструментов. 

Принцип работы основан на сфокусированном воздействии луча на материал. Направленный поток энергии в заданной точке попадает на поверхность и оказывает на неё интенсивное воздействие. Материал нагревается до очень высокой температуры, в результате он начинает плавиться и испаряться. В результате испарения материала по запрограммированной линии заготовка разделяется на фрагменты требуемой формы. 

Технология лазерной резки применяется при производстве металлоконструкций, при изготовлении различных фигурных изделий из листового металла, деталей механизмов, компонентов приборов. Она востребована при мелкосерийном и штучном производстве, так как с её помощью можно изготавливать детали с высокой точностью и быстро менять параметры работы станка и траекторию режущей головки.

На сегодняшний день существует 3 основных способа работы лазера по металлу:

Плавление — наиболее распространенный способ, который подходит для большого количества материалов. Луч лазера разогревает поверхность металла до температуры плавления, которая различается у видов сырья. При правильно подобранном режиме металл расплавляется только по срезу, целостность кромок сохраняется. В зону обработки бьет поток сжатого газа, который выдувает расплавленный металл, охлаждает края, предотвращает плавление и деформации на срезах.

Например, присутствие кислорода при резке нержавеющей стали или алюминия грозит окислением места среза, поэтому поверхность обдувается азотом. Алгоритм движения составлен на базе информации о материале (толщине, температуре плавления) и заложен в программное обеспечение, которое управляет действиями оборудования. Эта технология отличается высокой точность, скоростью и экономичностью.

Горение — способ лазерной резки металла, который оптимизирует обработку черных металлов, но не подходит для цветных металлов и стали с высоким содержанием легирующих элементов. Воздействие кислорода дает в несколько раз больше тепловой энергии, чем работа лазера. Себестоимость процесса и время обработки уменьшаются. Методика имеет недостаток — горят кромки некоторых материалов. Затраты на постобработку срезов могут превысить экономию непосредственно резки.

Выбор технологии лазерной резки “горение” определяет материал. Например, черная сталь в процессе обработки не образует оксидов или позволяет легко удалить их. Сплавы алюминия и нержавеющая сталь при контакте с O₂ окисляются, поэтому при раскрое этих материалов поступление кислорода отсекают струей азота.

Испарение — используется редко, востребован только при резке тонкостенных изделий или листов малой толщины. Луч работает не сплошной струей, а короткими импульсами, рассчитанными на то, чтобы расплавить и испарить металл, не задев ничего вокруг, например, подложку (в изделиях). Воздушный напор удаляет технический мусор из рабочей области.

Эта методика требует значительно большего нагрева материала. Например, алюминий плавится при 660 С⁰, а закипает при 2 519 С⁰. Соответственно, нужно почти в четыре раза больше энергии. Процесс более затратный, поэтому оправдан только в случаях, где не справляются другие технологии.

2. Практическая часть.

2.1. Обоснование производства адресной таблички.

Современные технологии позволяют нам создавать уникальные и практичные изделия, используя лазерное оформление и 3D-моделирование. Адресная табличка — это не только полезный элемент, помогающий посетителям и службам легче находить нужные здания, но и важная деталь, придающая индивидуальность каждой домохозяйстве или учреждению.

Лазерная резка и 3D-моделирование открывают новые возможности в создании уникальных и высококачественных табличек, а именно.

Точность и качество. Лазерные технологии позволяют с высокой точностью вырезать детали и создавать сложные узоры, что невозможно добиться при традиционных методах.

Индивидуальный подход. 3D-моделирование дает возможность разрабатывать уникальные дизайны, отражающие стиль и предпочтения владельца.

Разнообразие материалов. С помощью лазера можно работать с различными материалами — от дерева до акрила и металла, что расширяет выбор и возможности для дизайна.

Экономия времени и ресурсов. Лазерное оборудование позволяет быстро и эффективно производить изделия, минимизируя количество отходов.

Использование современных технологий в производстве адресных табличек также может способствовать более экологичному подходу. Например, 3D-печать позволяет использовать переработанные материалы, уменьшая нагрузку на окружающую среду.

Таким образом, разработка адресной таблички с использованием лазерного резания и 3D-моделирования — это перспективная задача, которая объединяет практическое применение технологий, эстетические аспекты и экологические принципы. Внедрение таких инноваций не только повышает функциональность табличек, но и способствует созданию уникальных и красивых объектов, которые могут украсить любой дом или учреждение.

2.2. Последовательность выполнения технического задания

Так как проект имеет выраженный технический вектор, то за материальной и технической помощью я обратился к папе и брату. Они оказали содействие. Выбор материала на металл пал не случайно. Изделие, изготовленное из металла и обработанное должным образом устойчиво к воздействию влаги, не боится механических повреждений, поэтому прослужит в уличных условиях долго.

Я хочу рассказать о том, как мой старший брат, Лев, научил меня 3D моделированию. Это было очень интересно и увлекательно! Лев учится в университете на инженера и работает на производстве инженером-конструктором. Однажды он решил, что мне тоже стоит научиться 3D моделированию. Я был в восторге! Он посоветовал мне программу, которая называется Компас. Лев сказал, что это одна из лучших программ для создания 3D объектов на отечественном рынке.

Постепенно я научился создавать простые формы: кубы, сферы и цилиндры. Лев объяснял, как изменять размеры объектов. Я помню, как мы вместе сделали простую 3D-модель втулки. Я выбрал диаметры и даже добавил небольшие фаски, а Лев показал, как сделать из модели полноценный чертеж. В тот момент я понял, как здорово создавать что-то своими руками, даже если это виртуально!

Я также понял, что 3D моделирование – это не только создание объектов, но и возможность воплощать свои идеи в жизнь. Я стал фантазировать, какие игрушки или игры я хотел бы создать. Благодаря Льву, я узнал, что любое изобретение начинается с одной маленькой идеи, которую можно развить и воплотить в 3D.

Кроме того, я стал внимательнее относиться к деталям. Когда я создавал новые модели, я понимал, что даже маленькие нюансы могут существенно изменить то, как будет выглядеть конечный результат. Лев всегда говорил, что лучший инженер – это тот, кто обращает внимание на детали и стремится делать всё максимально качественно.

Вместе мы спроектировали модель нашей адресной таблички в Компас 3Д и подготовили ее для лазерной резки для программы CypCut. Было принято решение вырезать ее на заводе, где работает мой брат. Мы посетили завод, и я лично увидел, как работает лазерный станок и забрал домой еще теплую вырезанную табличку.

2.3. Проектная группа. Исполнители

Как ни странно, но у слова «проект» нет чёткого определения. Это может быть, как научная или изыскательская работа, сопровождаемая целым штатом участников, так и какая-то индивидуальная идея, реализуемая всего одним человеком.

Тем не менее у всех проектов есть общие черты – необходимость обязательного завершения или сдачи (тут можно говорить о желаемых или о фиксированных сроках), а также определённая цель или результат. Как только цель проекта достигнута, его можно считать завершённым. После сдачи проекта команда либо начинает работу над новым проектом, либо распускается.

Проектная команда – это группа единомышленников, которая делает всё возможное, чтобы проект был реализован так, как он был задуман. Кроме того, участники проекта могут принимать участие в планировании, сдаче и сопровождении проекта.

Руководитель проекта – это центральный элемент всей системы. Именно он отвечает за итог.

Для качественной и слаженной работы классного коллектива необходима рациональная организация всех ступеней работы.При этом, исполнители — это члены проектной группы, которые обладают компетенциями, необходимыми для получения результата. Нам были нужны художники и технические исполнители. В данной связи мы разделили полномочия и зоны ответственности, закрепив за каждым свой фронт работ. Итак…

Проектная группа:

1. Хахулин Герман;

2. Хахулин Лев.

Исполнители:

1. Хахулин Герман;

2. Хахулин Лев.

Руководитель (учитель начальных классов):

1. Ольшанская Г.М.

2.4. Организационный план проекта

Нами был разработан поэтапный план работ (табл.1).

Таблица 1 – План работ

2.5. Перечень необходимых материалов и инструментов

Для разработки и изготовления адресной таблички нам понадобилось оборудование и программное обеспечение, для подготовки было достаточно домашнего персонального компьютера, а станочное оборудование уже было задействовано на работе старшего брата.

Таблица 2 – Инструменты и оборудование

2.6. Технология изготовления

Первым этапом создания адресной таблички является прорисовка эскиза. Для подобной детали возможно использование лекал. Прорисовка составляющих элементов выполняется основной линией.

В начальном меню выбирается «Деталь». Затем на рабочем поле выбирается плоскость для создания эскиза. На плоскости ХУ чертим эскиз таблички и выполняем операцию «Элемент выдавливания». В параметрах операции укажем расстояние 4, толщина листа, из которого выйдет вырезаться деталь будет 4 миллиметра. Получившаяся модель нас полностью устраивает, теперь необходимо подготовить файл для программы лазерного раскроя.

Копируем эскиз адресной таблички и создаем новый файл «Фрагмент», он не имеет параметрии и базовых плоскостей. Без изменений сохраняем файл в формате «dxf». Остается запустить программу лазерной резки «CypCut» и открыть деталь, чтобы проверить ее.

Сохраняем файл в формате «dxf» на флешку и отправляемся на производство.

Рисунок 1 – Выбор создаваемого элемента

Рисунок 2 – Рабочее поле создания детали

Рисунок 3 – Эскиз адресной таблички

Рисунок 4 – Исходные параметры детали

Рисунок 5 – 3Д модель адресной таблички

Рисунок 6 – Подготовка фрагмента эскиза для перевода в CypCut

Рисунок 7 – Сохранение файла в формате dxf

Рисунок 8 – Готовый раскрой в программе CypCut

Заключение

Обучение школьников работе с инженерными программами позволяет с малых лет готовить работе в машиностроительных, строительных и металлообрабатывающих сферах. Изучение принципов проектирования, основ черчения и моделирования поможет в дальнейшем подрастающему поколению в развитии своей профессиональной деятельности.

Кроме того, приобщение к 3Д моделированию развивает логику, пространственное мышление и заставляет мыслить креативно. К началу построения своей карьеры юный инженер будет иметь практический опыт. Также навыки работы с программами 3Д моделирования могут пригодиться детям в робототехнике и в разработке дизайнов.

Список используемой литературы

1. Богдановская, И. М. Информационные технологии в педагогике и психологии: учебник для вузов. Стандарт третьего поколения / ИМ Богдановская. – СПб.: Питер, 2018. – 405 c.

2. Большая Российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. – М. : Большая Российская энциклопедия, 2004–2017. – Т. 1. – 2005. – 768 с.

3. Гохберг, Г.С. Информационные технологии: учебник / Г.С. Гохберг. – М.: Академия, 2015. – 368 c.

4. Емельянов, С.В. Информационные технологии и вычислительные системы / С.В. Емельянов. – М.: Ленанд, 2015. – 96 c.

5. Политехнический словарь / редкол. : А. Ю. Ишлинский (гл. ред.) и др. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Советская энциклопедия, 1989. – 656 с.

ХАХУЛИН Герман Сергеевич

Краснодарский край, Динской район, с. Нововеличковская

МАОУ МО Динской район СОШ №30 имени Н.А. Примака, 3 «Г» класс

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТРЕХМЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В СРЕДЕ «КОМПАС 3Д» С ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ПОДГОТОВКОЙ РАСКРОЯ ДЕТАЛЕЙ ДЛЯ СТАНКА ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ МЕТАЛЛА

Научный руководитель: Ольшанская Галина Михайловна, учитель начальных классов

МАОУ СОШ №30, Динской район, с. Нововеличковская

ПРИЛОЖЕНИЕ

Процесс создания адресной таблички в электронном виде

Процесс создания адресной таблички в электронном виде

Консультация со старшим братом по существу вопроса

Экскурсия на производстве

Станок лазерной резки после работы

Готовая адресная табличка