V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Сравнение свойств пластика, используемого в 3D-печати

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ожегова  А.К. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 16» Копейского городского округа

Худякова  Л.П. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 16» Копейского городского округа

Работа в формате PDF

759.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

С начала нового тысячелетия понятие «3D» прочно вошло в нашу повседневную жизнь. В первую очередь мы связываем его с киноискусством, фотографией или мультипликацией. Но едва ли сейчас найдётся человек, который хотя бы раз в жизни не слышал о 3D-печати. 3D- печать основана на технологии послойного выращивания твёрдых объектов из различных материалов. Объёмные модели печатаются из пластика, бетона, металла и даже из живых клеток и шоколада.

В нашей работе объектом исследования стал пластик разного состава, предметом исследования – свойства пластика.

Цель нашего исследования – сравнений свойств пластика, используемого в 3D-печати.

Гипотеза исследования: свойства разных видов пластика, используемых в 3D-печати, не должны сильно отличаться по механическим и химическим свойствам.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

проанализировать литературу по теме исследования;

провести эксперименты по сравнению свойств разных видов пластика;

изучить технологию печати на 3D- принтере;

изготовить на 3D-принтере модель ДНК из разных видов пластика.

В своей работе мы использовали следующие методы: анализ литературы, наблюдение, эксперимент.

Новизна работы заключается в том, что в условиях школьной лаборатории изучены свойства пластика разного химического состава, проведен их сравнительный анализ.

Глава 1. Полимеры в 3D-печати

Сведения о полимерах

Полимеры – это вещества с очень высокой молекулярной массой, длинные молекулы, состоящие из одинаковых звеньев [1].

Среди полимеров различают термопластичные и термореактивные полимеры. Полимеры, которые при нагревании размягчаются и которым можно придать желаемую форму, называют термопластичными. Это, например, этилен. Полимеры, которые при нагревании теряют свою пластичность, становятся твердыми и не поддаются последующей переработке, называют термореактивными. Это, например, полиуретан.

Полимеры, которые способны изменять свою форму при нагревании или при деформации и сохранять ее после охлаждения или снятия усилия, называют пластмассами (пластиками).

В 3D-печати используются термопластичные полимеры. Наиболее часто используются пластики ABS, PLA, Watson.

Пластик ABS

ABS- наиболее распространенный пластик, используемый в 3D-печати. Акрилонитрилбутадиенстирол, ударопрочная техническая термопластическая смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом [3,4].

Может быть повторно переработан. Используется для изготовления крупных деталей автомобилей, корпусов крупной бытовой техники, радио- и телеаппаратуры, деталей электроосветительных и электронных приборов, игрушек, детских конструкторов и др.

В 3D-печати используется благодаря своей температуре стеклования — достаточно высокой, чтобы не возникало нежелательных деформаций при небольшом нагреве в бытовых условиях. Выдерживает кратковременный нагрев до 90-100 °С. Максимальная температура длительной эксплуатации: 75 – 80 °С. Износостоек. Стоек к щелочам, смазочным маслам, растворам неорганических солей и кислот, углеводородам, жирам, бензину. Растворяется в ацетоне, эфире, бензоле, этилхлориде, этиленхлориде, анилине, анизоле. Не стоек к ультрафиолетовому излучению. Обладает пониженными электроизоляционными свойствами.

В то время как при комнатной температуре ABS не представляет угрозы здоровью, при нагревании пластика выделяются пары акрилонитрила – ядовитого соединения, способного вызвать раздражение слизистых оболочек и отравление.

Пластик PLA

Полилактид (полимолочная кислота) — биоразлагаемый, биосовместимый полимер (рис.1). Сырьем для производства служат ежегодно возобновляемые ресурсы, такие как кукуруза и сахарный тростник. Используется для производства изделий с коротким сроком службы (пищевая упаковка, одноразовая посуда, пакеты, различная тара), а также в медицине, для производства хирургических нитей и штифтов. Не токсичен, не имеет запаха [3,4].

Рис.1. Полилактид

Существует два способа синтеза полилактида: поликонденсация молочной кислоты и полимеризация лактида. В промышленности используется их комбинация (рис.2).

Рис.2. Схема получения полилактида

Пластик Watson

Watson -SBS - стирольный пластик высокого качества на основе сополимера стирола и бутадиена [4]. Прочность, пластичность и термостойкость делают из него материал, которому часто отдается предпочтение в инженерных и механических приложениях. Напечатанные детали получаются более гибкими, чем у ABS. Удлинение при разрыве >250%. Нить, в отличие от ABS, не ломается, не говоря о PLA, который наиболее хрупкий.

Мы проанализировали информацию про каждый из этих видов пластика, отметили преимущества и недостатки, данные занесли в таблицу (приложение 1).

Что такое 3D-печать

Технология 3D-печати существует уже достаточно давно. В 1984 году компания Charles Hull разработала технологию трёхмерной печати для воспроизведения объектов с использованием цифровых данных, а двумя годами позже дала название и запатентовала технику стереолитографии [5].

Тогда же эта компания разработала и создала первый промышленный 3D-принтер. Затем эстафету приняла компания 3D Systems, разработавшая в 1988 году модель принтера для 3D- печати в домашних условиях SLA – 250.

Рис.3. Принтер SLA-250

В 1993 году основывается компания Solidscape, которая приступает к серийному производству принтеров на струйной основе, которые способны производить небольшие детали с идеальной поверхностью, причём при относительно небольших затратах.

Тогда же Массачусетский университет патентует технологию трёхмерной печати, подобную струйной технологии обычных 2D- принтеров. Пик развития и популярности 3D- печати пришёлся на начало 21 века.

В 2005 году появился первый 3D- принтер, способный печатать в цвете, Spectrum Z510, а буквально через два года появился первый принтер, способный воспроизводить 50% собственных комплектующих.

В настоящее время круг возможностей и сфер применения 3D-печати постоянно растёт. Этим технологиям оказалось подвластно всё — от кровеносных сосудов до коралловых рифов и мебели.

3D- печать открыла большие возможности для экспериментов в таких сферах как архитектура, строительство, медицина, образование, моделирование одежды, мелкосерийное производство, ювелирное дело, и даже в пищевой промышленности. В архитектуре, например, 3D-печать позволяет создавать объёмные макеты зданий, или даже целых микрорайонов со всей инфраструктурой — скверами, парками, дорогами и уличным освещением.

Калифорнийскими инженерами создана система 3D-печати для крупногабаритных объектов. Она работает по принципу строительного крана, возводящего стены из слоёв бетона.

В медицине благодаря технологиям трёхмерной печати врачи получили возможность воссоздавать копии человеческого скелета, что позволяет более точно отработать приёмы, повышающих гарантии успешного проведения операций.

Всё большее применение находят 3D-принтеры в области протезирования в стоматологии, так как эти технологии позволяют намного быстрее получить протезы, чем при традиционном изготовлении.

Не так давно немецкими учёными была разработана технология получения человеческой кожи. При её изготовлении используется гель, полученный из клеток донора. А в 2011 году учёным удалось воспроизвести живую человеческую почку.

Также эти технологии используются для производства предметов искусства, фигурок персонажей для ролевых игр, прототипов моделей будущих товаров или каких-либо конструктивных деталей.

3D печать -это построение реального объекта по созданному на компьютере образцу 3D-модели. Затем цифровая трёхмерная модель сохраняется в формате STL-файла, после чего 3D-принтер, на который выводится файл для печати, формирует реальное изделие.

Сам процесс печати – это ряд повторяющихся циклов, связанных с созданием трёхмерных моделей, нанесением на рабочий стол (элеватор) принтера слоя расходных материалов, перемещением рабочего стола вниз на уровень готового слоя и удалением с поверхности стола отходов.

Циклы непрерывно следуют один за другим: на первый слой материала наносится следующий, элеватор снова опускается и так до тех пор, пока на рабочем столе не окажется готовое изделие.

Выводы по главе 1

Мы проанализировали литературу по теме исследования, узнали, что такое полимеры, 3D-печать. Узнали, какие виды пластика применяются в 3D-печати, рассмотрели их преимущества и недостатки.

Глава 2. Эксперименты с пластиком

2.1. Сравнение свойств разных видов пластика

Мы проверяли механические свойства трех видов пластика (ABS, PLA,Watson) и отношение к воде, 10% раствору соляной кислоты, 10% раствору гидроксида натрия, ацетону. Пластик PLA брали трех разных цветов: бесцветный, бронзовый, черный.

Результаты опытов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты эксперимента

Пришли к выводу, что наиболее приемлемым материалом для изготовления нашей модели будет Watson.

2.2. Изготовление модели ДНК на 3D-принтере

В интернете мы нашли 3D-модель ДНК в формате STL-файла [2].

Открыли в программе Cura.

Установили параметры печати, сохранили файл в формате .gcode.

Сохранили на флеш-карту.

Поместили флеш-карту в принтер Anet A6..

Включили, запустили печать.

Продолжительность печати – примерно 2,5 часа.

Создали модели ДНК из всех трех видов пластика (приложение 2). Убрали поддерживающие перегородки. Модель из Watson получилась более упругая.

Выводы по главе 2

Проведя эксперименты, мы пришли к следующим результатам:

установили преимущества и недостатки каждого вида пластика;

экологически безопасен пластик PLA, т.к. делается из растительного сырья, но недолговечен;

наибольшей механической прочностью обладает пластик Watson;

все виды пластика не растворяются в кислоте и щелочи;

растворимость бронзового PLA в кислоте, щелочи, ацетоне связана с присутствием бронзового красителя;

пластики ABS, Watson растворяются в ацетоне, что используется при обработке готовых деталей;

при нагревании пластика ABS выделяются пары акрилонитрила – ядовитого соединения, способного вызвать раздражение слизистых оболочек и отравление;

более гибкие модели получаются из пластика Watson.

Таким образом, гипотеза о том, что свойства разных видов пластика, используемых в 3D-печати, не должны сильно отличаться по механическим и химическим свойствам, подтверждена частично.

Заключение

В настоящее время в 3D-печати используются разные виды пластика, но доминирующую роль играют пластики ABS, PLA, Watson. У всех из них есть свои преимущества и недостатки.

ABS - прочный и несколько более податливый по сравнению с PLA пластик. Его пластичность позволяет легко создавать элементы различных соединений и крепежа. Он легко шлифуется и обрабатывается. ABS растворяется в ацетоне, что позволяет склеивать детали и добиваться очень гладкой поверхности.

ПластикPLA считается более экологичным, чем ABS. В своем естественном виде он прозрачен и поддается окраске. PLA такой же прочный, но более жесткий, чем ABS, поэтому его сложнее использовать для соединений различных элементов. Распечатанные объекты, как правило, более гладкие и блестящие. PLA немного труднее шлифовать и обрабатывать, чем ABS.

Прочность, пластичность и термостойкость пластика Watson делают из него материал, которому часто отдается предпочтение в инженерных и механических приложениях. Напечатанные детали получаются более гибкими.

Таким образом, выбор пластика для печати зависит от того, для каких целей будет использоваться напечатанная модель.

Список литературы

Габриелян, О.С. Химия: Органическая химия: учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений с углубленным изучением химии [Текст] / О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов, А.А. Карцова. – М.: Просвещение, 2010.

Biochemistry Chess Set [Электронный ресурс] / URL: http:// thingiverse.com

Сравнение ABS и PLA пластика [Электронный ресурс] / URL: http://reality-3d.ru

Сравнение ABS, PLA, SBS [Электронный ресурс] / URL: http://3dsfera.by

Что такое 3D-печать и как работает 3D-принтер? [Электронный ресурс] / URL: http://make-3d.ru

Приложение 1

Сравнение разных видов пластика

Приложение 2

Печать модели на 3D-принтере

Принтер Anet A6

Модель, напечатанная на 5%

Модель, напечатанная на 23%

Модель, напечатанная на 100%

Готовые модели ДНК