XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Возможности применения 3D-принтера в работе учёных
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
3D-принтеры — это удивительная техника, которая может создавать объекты по цифровым моделям. Тема применения 3D-принтеров в науке и образовании является крайне актуальной, поскольку технологии 3D-печати стремительно развиваются и открывают новые возможности в различных областях. Сегодня такие принтеры используются не только в промышленности, но и в науке. Для ученых 3D-принтеры — это настоящая находка, потому что они помогают создавать точные модели, которые можно использовать для разных исследований. Например, с помощью 3D-принтеров можно печатать модели человеческого тела, органов, растений и даже животных. Это помогает лучше понять, как устроен мир вокруг нас.
Современные 3D-принтеры могут создавать объекты самых разных форм и размеров, используя специальные материалы, такие как пластик, металл и даже живые клетки. Это открывает перед учеными огромные возможности.
В этой работе я расскажу, как 3D-принтеры помогают ученым, медикам и исследователям. Какие полезные вещи можно создать с их помощью и как эта технология меняет науку. А также рассмотрим, как 3D-принтеры используются в образовании для создания моделей, которые помогают школьникам и студентам лучше изучать сложные темы.
Целью данного исследования является изучение возможностей применения 3D-принтеров в научной деятельности, а также их роли в медицине, образовании и других областях.
Задачи:
1. Узнать, что такое 3D-принтер и как он работает.
2. Понять, какие модели учёные могут напечатать с помощью 3D-принтера.
3. Рассмотреть, как 3D-принтер используется в образовании для создания учебных моделей.
4.Провести эксперимент и исследовать модели, напечатанные на 3D-принтере. 5.Оценить преимущества и проблемы применения 3D-принтеров в будущем.
6. Обобщить и проанализировать полученную информацию, сделать выводы.
Объект исследования: 3D-принтер, его возможности и использование в научной работе.
Предмет исследования: процесс использования 3D-принтера учёными для создания различных объектов и моделей, которые помогают в научных исследованиях.
Гипотеза: если учёные могут печатать модели на профессиональных 3D-принтерах, то сможем ли мы с помощью домашнего 3D-принтера напечатать похожие модели.
Методы исследования: изучение и сбор информации по выбранной теме, эксперимент, наблюдение, сравнение.
В процессе подготовки исследования я не только изучал теоретическую информацию о 3D-принтерах, но и сам работал с настоящим 3D-принтером, который находится у нас дома. Это позволило мне научиться запускать процесс печати и самостоятельно распечатать несколько моделей с помощью родителей.
Практическая значимость данного исследования заключается в том, что это может быть полезным как просветительский материал, а также для использования на уроках информатики, биологии и окружающего мира. Готовые напечатанные 3-D модели, созданные с помощью 3D-принтера, могут значительно облегчить процесс обучения. Это может повысить интерес к изучаемым предметам и улучшить качество образования.
Глава 1. Что такое 3D-принтер: Принципы работы и возможности
1.1. Что такое 3D-принтер?
3D-принтер — это машина, которая может создавать настоящие объекты, начиная с нуля. Вместо того чтобы рисовать картинку или печатать текст на бумаге, как обычный принтер, 3D-принтер строит предметы из разных материалов, например, пластика, металла или смолы. Он делает это по слоям. Можно представить, строительство замка из кубиков Lego. Сначала ставится один кубик, затем второй и так дальше. Точно так же работает 3D-принтер: он накладывает один слой материала на другой, пока не получится целый объект.
Чтобы начать работу, нужно сначала создать компьютерную модель того, что необходимо распечатать. Это может быть все что угодно — игрушка, деталь для машины или даже модель человеческого тела. Принтер читает эту модель и создает объект слой за слоем. Так он «печатает» трехмерный предмет. Технология 3D-принтера может использовать разные материалы, такие как пластик, металл, и даже специальные гели или клетки для создания биологических объектов.
1.2. 3D-принтеры в образовании
3D-принтеры полезны и в школе. На уроках биологии, например, нужно узнать, как устроено тело человека. Школьники могут увидеть это только на картинках в учебниках или на экране компьютера. Но если бы была реальная модель, например, модель человеческого сердца или мозга, которую можно потрогать и рассмотреть со всех сторон, учить было бы гораздо интереснее.
Вот здесь на помощь приходят 3D-принтеры! В школах с их помощью можно создавать настоящие модели различных объектов. Например, можно распечатать модель человека или модель части растения, чтобы ученики могли понять, как это устроено внутри. Вместо того чтобы просто читать в книге, можно работать с реальными моделями и изучать их. Это помогает легче запомнить, как устроены разные части мира вокруг нас.
На уроках географии с помощью 3D-принтера можно сделать карты, горы, океаны и даже целые континенты, чтобы ученик мог не только смотреть на карту, но и держать в руках модель Земли. Так намного легче понять, где находятся страны, реки и горы.
А на уроках химии и физики 3D-принтеры могут помочь создать модели атомов, молекул и различных приборов. Например, можно распечатать молекулу воды или модель планеты, чтобы на практике увидеть, как все это работает.
1.3. 3D-принтеры в науке
3D-принтеры не только помогают на уроках, но и в настоящих научных исследованиях! Учёные и врачи тоже используют 3D-принтеры, чтобы делать разные полезные вещи.
Например, в медицине 3D-принтеры используют для печати моделей человеческих органов, таких как сердце, легкие или кости. Это помогает врачам планировать операции. Если врач может посмотреть на модель сердца пациента перед операцией, ему будет легче принять решение, как лучше сделать операцию. В будущем 3D-принтеры могут использовать для создания искусственных органов, которые будут заменять поврежденные органы в теле человека.
Кроме того, с помощью 3D-принтеров можно делать протезы для людей, потерявших руки или ноги. Протезы, напечатанные на 3D-принтере, идеально подойдут для каждого человека, потому что они делаются по его индивидуальным замерам.
В науке ученые используют 3D-принтеры, чтобы создавать модели клеток, животных и растений. Это помогает им лучше изучать, как устроен мир живых существ и как работают разные части тела. 3D-принтеры также помогают инженерам разрабатывать новые технологии. С помощью принтеров можно быстро печатать детали для машин, автомобилей, самолетов и других важных вещей.
Учёные создают модели с помощью 3D-принтера в несколько шагов. Для начала используют специальные программы на компьютере, чтобы нарисовать модель того, что они хотят напечатать. Это может быть, например, модель машины, части тела или даже какой-то необычный объект. Программы для создания моделей называются 3D-редакторами. Это как особенные «цифровые карандаши», с помощью которых можно рисовать объекты в трёх измерениях — длину, ширину и высоту. Когда модель готова, она сохраняется в специальном формате, который называется STL. Это как перевод модели в язык, понятный для 3D-принтера. После этого учёные используют программу, которая "нарезает" модель на маленькие слои, потому что 3D-принтер печатает каждый объект именно по слоям, один за другим. Это называется слайсинг. Теперь, когда модель готова, её можно отправить на 3D-принтер. Принтер начинает работать и «печатает» объект, слой за слоем, с помощью специального материала — например, пластика или другого вещества. Принтер расплавляет материал и укладывает его очень точно, чтобы получилась нужная форма. Когда печать завершена, учёные могут взять свою модель и использовать её для исследований или экспериментов. Иногда модели нужно немного доработать, например, отполировать или собрать из нескольких частей.
Вот так учёные используют 3D-принтеры: они рисуют модели на компьютере, превращают их в понятный для принтера формат, а потом печатают эти модели слой за слоем. Это помогает им создавать точные и нужные объекты для работы.
1.4. Плюсы и минусы 3D-принтеров
3D-принтеры имеют много плюсов, но у них есть и несколько минусов. Вот основные плюсы:
Точность и индивидуальность. 3D-принтеры могут создавать точные модели, которые идеально подходят для конкретных нужд, будь то медицинская операция или учебная модель.
Наглядность. С помощью 3D-принтера можно создавать модели, которые помогают легче понять сложные вещи в учебе и науке. Модели можно потрогать, изучать с разных сторон.
Инновации. 3D-принтеры помогают создавать новые решения в медицине и других областях, например, для создания протезов, имплантатов или даже искусственных органов.
Но есть и минусы:
Высокая стоимость. 3D-принтеры и расходные материалы для них могут быть довольно дорогими, и не всегда есть возможность использовать эти технологии в каждой школе или больнице.
Время печати. Иногда 3D-принтеру нужно много времени, чтобы напечатать сложный объект. Это может занять часы или даже дни, в зависимости от того, насколько сложная модель.
Не все материалы подходят. Некоторые материалы, которые нужны для определенных задач, еще не разработаны для использования в 3D-принтерах, что ограничивает их возможности в некоторых сферах.
Таким образом, мы узнали, что такое 3D-принтеры и как они могут помочь в науке и образовании. В медицине эти принтеры помогают делать операции безопаснее, а в школе — делают обучение более интересным и понятным.
Глава 2. Практическая часть: Печать 3D-моделей органов человека
На уроке «Окружающего мира» мы изучали строение человека: внешние части тела и внутренние органы. Домашним заданием было выполнить модель внутренних органов организма человека. Прежде чем приступить к выполнению задания я подумал: «А может ли наш 3D-принтер напечатать модели таких органов?» С этим вопросом я подошёл к маме с папой, и мы провели целое исследование.
2.1. Подготовка к проведению эксперимента
В нашем городе Челябинске 3D-принтеры популярны в домашнем использовании. Несколько лет назад и в нашем доме появился первый 3D-принтер. Папа заказывал для него детали и собирал его сам. Первыми напечатанными моделями были игрушки и поделки для детского сада. Спустя время у нас появился второй 3D-принтер, который печатал не только игрушки, но и модели разных деталей. Третья модель 3D-принтера печатала модели, используя специальный материал – смолу. В настоящее время у нас стоит четвёртая модель 3D-принтера, на которой мы с папой и решили провести эксперимент: распечатать несколько моделей, которые могут использоваться на уроках в школе, чтобы проверить гипотезу нашей работы.
Для того чтобы провести эксперимент, мы нашли готовые 3D-модели органов человека в интернете. Для использования печати выбрали экологичные и безопасные материалы. Скачали 3D-модели с помощью специальной программы. Проверили, чтобы модели были правильно масштабированы и пропорциональны. Это важно для точности печати. Подготовили 3D-принтер и запустили процесс печати.
2.2. Исследование 3D-печати моделей органов человека
В ходе эксперимента было напечатано 2 модели внутренних органов человека и 1 модель конечности человека. Наблюдая за процессом печати, мы решили поподробнее изучить готовые модели. Сравнение напечатанных изделий мы проверяли по нескольким параметрам: объем, цвет, подвижность, точность исполнения и время печати.
Объект № 1 «Сердце человека» (Приложение 1)
Объем: Эта модель представляет собой объемную копию человеческого сердца.
Цвет: Модель красного цвета, яркая, красочная. Объект изготовлен из стандартного пластикового материала. При детальном изучении наблюдаются следы послойного нанесения. Простой процесс печати с использованием одного цвета материала.
Подвижность: Модель напечатана без подвижных частей. Однако, если модель выполнить в разрезе и напечатать с подвижными частями, например, клапанами, то можно легко показать, как сердце перекачивает кровь.
Точность исполнения: Модель сердца выглядит как модель в натуральную величину, достаточно хороша для понимания наглядности.
Время печати: Модель простая, процесс печати составил 5 часов.
Таким образом, такая модель помогает наглядно представить внутренние органы, использование такой модели на уроках способствует лучшему пониманию биологии и работы органов человека.
Объект 2 «Мозг человека» (Приложение 2)
Объем: Эта модель представляет собой объемную копию человеческого мозга.
Цвет: Модель напечатана в бледно-розовом цвете. Объект изготовлен из стандартного пластикового материала. Наблюдаются следы послойного нанесения. Простой процесс печати с использованием одного цвета материала.
Подвижность: Выполнена без подвижных частей, выполнена из двух половин, соединенных между собой.
Точность исполнения: 3D-модель человеческого мозга — это точная копия мозга.
Модель выполнена из пластика и выглядят как модель в натуральную величину.
Время печати: Модель печати простая, процесс печати составил 7 часов
Таким образом, модель человеческого мозга может быть очень полезна для изучения школьниками, которые начинают изучать биологию и анатомию, потому что визуальное восприятие помогает усвоить информацию гораздо быстрее. Такая 3D-модель может быть использована в школах для проведения уроков по анатомии, медицины или науки о жизни.
Объект № 3 «Конечность человека (стопа)» (Приложение 3)
Объем: Эта модель представляет собой объемную копию человеческой стопы.
Цвет: Модель выполнена в белом цвете из легкого, одноцветного пластика, с четкими контурами и элементами.
Подвижность: Стопа представлена в натуральных размерах, с подвижными элементами и включает основные части: пальцы, подошву, арку и пятку.
Точность исполнения: 3D-модель стопы человека, представляет собой точную копию человеческой стопы.
Время печати: Модель печати сложная, процесс печати составил 11 часов.
Такую модель можно использовать на уроках биологии или окружающего мира, чтобы показать, как устроен человек и как важны стопы для поддержания баланса и движения.
Таким образом, можно сделать вывод, что 3D-принтер справился со своей задачей. 3D-модели органов человека, такие как сердце, мозг и конечность, могут использоваться на уроках окружающего мира и биологии. Модели, особенно с подвижными частями, делают уроки более увлекательными, вызывают любопытство и интерес к науке, активное участие школьников, позволяя им исследовать органы с разных сторон и лучше понимать их работу.
Глава 3. Будущее 3D-принтеров: что нас ждет?
3.1. Как 3D-принтеры могут изменить наш мир?
3D-принтеры уже сейчас помогают ученым, врачам и учителям, но как они могут повлиять на наше будущее? В будущем можно распечатать все, что нужно, прямо дома. Например, если нужно починить игрушку или заменить деталь в компьютере, можно просто найти нужную модель в интернете и распечатать её на 3D-принтере!
Кроме того, с развитием технологий в будущем можно будет распечатывать продукты питания, такие как шоколад, пиццу или даже хлеб! Это может помочь людям, особенно в тех местах, где трудно достать еду.
3D-принтеры могут также помочь создавать дома и даже целые города! Например, вместо того чтобы строить дома по старинке, можно будет распечатать их с помощью 3D-принтеров. Это сделает строительство быстрее и дешевле, а значит, у людей будет больше возможностей жить в удобных и красивых домах.
3.2. Будущее 3D-принтеров в медицине и образовании
В будущем 3D-принтеры могут совершить настоящую революцию в медицине. Например, уже сейчас учёные и врачи пробуют распечатывать искусственные органы, такие как сердце или почки. В будущем эти органы могут быть использованы для пересадки людям, которым они очень нужны. Это поможет многим людям, которые ждут донорские органы, и может спасти тысячи жизней.
Кроме того, с помощью 3D-принтеров можно будет создавать не только органы, но и ткани, такие как кожа или мышцы, которые могут быть использованы при лечении людей с ожогами или другими травмами. Так, например, человек, получивший ожоги, сможет получить новую кожу, напечатанную на 3D-принтере, чтобы исцелиться быстрее.
3D-принтеры могут даже создавать лекарства и препараты. В будущем может появиться возможность печатать лекарства прямо по рецепту, и это упростит лечение и сделает его доступным для большего числа людей.
Возможно, будет гораздо больше возможностей работать с 3D-принтеромв образовании. Можно будет не только распечатывать модели для уроков, но и создавать свои собственные проекты. Например, можно распечатать модели, которые помогут в изучении разных наук, или даже создавать свои собственные изобретения!
С помощью 3D-принтеров в будущем ученики смогут строить роботов, устройства и другие удивительные вещи. Это будет полезно для изучения математики, физики, инженерии и других предметов. Можно стать ученым или изобретателем, который будет использовать 3D-принтер для создания новых удивительных объектов, которые еще никто не придумал!
3.3. Преимущества и проблемы использования 3D-принтеров в будущем
Как и любая новая технология, 3D-принтеры будут иметь как преимущества, так и некоторые проблемы, которые нужно решить.
Преимущества:
Удобство и доступность. В будущем 3D-принтеры будут доступны многим людям, и каждый сможет распечатать себе нужные вещи — от игрушек до деталей для машин.
Быстрое производство. 3D-принтеры смогут помочь создавать вещи быстрее и дешевле, что будет полезно для людей по всему миру.
Инновации в медицине. Благодаря 3D-принтерам в будущем можно будет создавать органы и лекарства, которые спасут жизни.
Проблемы:
Безопасность. Нужно следить за тем, чтобы 3D-принтеры не использовались для создания опасных или вредных вещей.
Дороговизна. Хотя технологии 3D-принтеров становятся доступнее, они все еще могут быть дорогими, и не у всех людей будет возможность купить такой принтер.
Новые законы и правила. С развитием технологий необходимо будет придумывать новые правила, как безопасно и правильно использовать 3D-принтеры.
Таким образом, мы узнали, как 3D-принтеры могут изменить наш мир в будущем. Они могут помочь нам быстрее и проще создавать вещи, строить дома, печатать еду, а также сделать медицину еще более эффективной и доступной. Мы даже сможем печатать лекарства и органы для людей! 3D-принтеры могут стать важным инструментом для будущих ученых, инженеров и изобретателей, а значит, нам предстоит много интересного и полезного!
Заключение
3D-принтеры — это удивительные машины, которые могут печатать реальные объекты, как мы видим, на экранах компьютеров или в книгах. С их помощью можно создавать модели, которые помогают нам лучше учиться, изучать мир вокруг и даже спасать жизни людей. В школе они помогают делать уроки более интересными и понятными. Например, можно распечатать модель человеческого тела или карту Земли, чтобы потрогать и увидеть, как это устроено.
В медицине 3D-принтеры могут помочь создавать протезы, органы и лекарства, а в будущем даже печатать целые дома или еду. Это значит, что в будущем мы сможем использовать 3D-принтеры для самых разных вещей, и они сделают нашу жизнь удобнее и интереснее.
В ходе нашего исследования мы выдвинули гипотезу о том, если учёные могут печатать модели на профессиональных 3D-принтерах, то сможем ли мы с помощью домашнего 3D-принтера напечатать похожие модели. По окончанию нашего эксперимента 3D-модели органов человека получились точными и качественными. Можно рассмотреть их в трехмерном виде с разных сторон. Эти печатные модели могут отлично использоваться на уроках для учащихся.
Наши выводы подтверждают, что 3D-принтеры действительно играют важную роль в образовании и науке. Использование 3D-моделей помогает детям и взрослым легче понимать сложное, делает уроки более интересными и наглядными.
Таким образом, гипотеза, выдвинутая в начале исследования, полностью подтвердилась. 3D-принтеры могут улучшить как учебный процесс, так и работу ученых в различных областях.
Мы узнали, как 3D-принтеры могут изменить наш мир, и, возможно, в будущем каждый сможет использовать 3D-принтер для создания своих собственных проектов и изобретений. Это захватывающая технология, и она только начинается!
Список литературы
-
Актуальность 3D-печати: перспективы, развитие и будущее 3D-принтеров [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://vektorus.ru/blog/aktualnost-3d-pechati.html. Дата обращения: 22 мая 2025.
-
Горьков Д.Е., Холмогоров В.А., 3D-печать с нуля / Д.Е. Горьков, В.А. Холмогоров. – Санкт-Петербург: Издательство «БХВ-Петербург», 2020. – 253 с.
-
Егоров И.А, Семенчук О.В. Применение технологии 3D-печати в медицине / И.В. Егоров, О.В. Семенчук // Научный журнал «CHRONOS: Мультидисциплинарные науки». – 2022. – Т.6. – С. 29-32.
-
Карякин Н.Н, Горбатов О.Н, 3D-печать в медицине / Н.Н. Карякин, О.Н. Горбатов. – М.: Гэотар-Медиа, 2019. – 240 с.
-
Майоров И. Г., Бельский А.Б. Технологии 3D-печати в образовательном процессе / И. Г. Майоров, А. Б. Бельский // Цифровая трансформация. – 2018. – № 2 (3). – С. 47–53.
-
Михайлова А. Е., Дошина А.Д. 3D-принтер — технология будущего / А. Е. Михайлова, А. Д. Дошина // Молодой ученый. — 2015. — № 20 (100). — С. 40-44.
-
Anatomical Heart by cicerone – Thingiverse [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.thingiverse.com/thing:932606. Дата обращения: 22 мая 2025.
-
Full Size Anatomically Correct Human Foot Model by DaveMakesStuff – Thingiverse [Электронныйресурс]. – Режимдоступа: https://www.thingiverse.com/thing:4849504. Дата обращения: 22 мая 2025.
-
Human Brain by RichRap – Thingiverse [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.thingiverse.com/thing:13578. Дата обращения: 22 мая 2025.
Приложение 1
Модель человеческого сердца, распечатанная на 3D-принтере.
Приложение 2
Модель человеческого мозга, распечатанная на 3D-принтере.
Приложение 3
Модель человеческой конечности, распечатанная на 3D-принтере.