V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

3D печать – технология будущего?

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Корнеева К.А. 1

---

1МАОУ "СОШ № 24"

Бунькова Е.А. 1

---

1МАОУ "СОШ № 24"

Работа в формате PDF

9.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

I. ВВЕДЕНИЕ

До чего же сильно продвинулась наука! Мы привыкли к компьютерам, планшетам, принтерам, сканам, сотовым телефонам, интернету, общению по skype, 3d фильмам и другим современным вещам, которые в прошлом встречалось только в книгах фантастики. Одним таким чудом, пришедшим в нашу жизнь, стали 3D- принтеры.

Перед тем, как написать научный проект о 3D

я участвовала в конкурсе видеороликов «Сам себе ученый» в рамках недели науки в школе и получила грамоту. (См.Приложение 1) Сняв ролик о 3D принтере, мне захотелось больше узнать информации, поэтому я продолжила собирать информацию о 3D печати.

Мне стало интересно узнать, как они работают и где их используют, какую пользу приносят людям, это и стало целью моей работы.

Гипотеза: Будут ли возможности 3D-принтера в будущем востребованы.

Задачи:

История создания 3D-принтера.

Изучить принцип работы этого устройства.

Изучить различные технологии печати 3D-принтера.

Выяснить область применения 3D-принтера.

Провести анкетирование среди учащихся с целью проверить знания о 3D-принтере.

Создать объемную модель на 3D-принтере.

Объект моего исследования – 3D- печать.

Предмет исследования– возможности 3D- печати.

Практическая значимость - 3D-печать – это инновационное технология для создания физических копий любых цифровых 3D-моделей. Изученный и проанализированный материал может быть полезен в качестве просветительского материала, на уроках информатики и математики.

Актуальность работы: исследования в том, что новые информационные технологии всегда очень быстро развиваются и без них немыслимо современное общество.

Основные методы выполнения работы:

Аналитический;

Сбор информации из книг, журналов и интернета;

Опрос и анкетирование;

Краткий обзор изученной литературы;

Степень изученности данной темы.

Мне стало интересно, знают ли школьники что такое 3D-принтер и для чего он нужен. Я провела анкетирование. Всего в анкетировании приняли участие 66 человек: 3 класс-23 человека, 7 класс-25 человек и 9 класс –18 человек. Им были предложены следующие вопросы.

Анализ анкет показал следующие результаты:

1. Знаете ли Вы, что такое 3D печать?

В какой сфере можно использовать 3D принтер? Для чего он нужен?

3. Интересно ли Вам узнать больше о 3D принтере?

Анализируя ответы на эти вопросы, я поняла, что учащиеся 9-х классов лучше других знают о 3D принтере (что это такое и где может использоваться). Почти все учащиеся 3-го класса хотели бы как можно больше узнать о 3D принтере.

II. 3D- ПРИНТЕР 2.1. История создания 3D-принтера

3D-принтер - это устройство для трехмерной печати, посредством которого можно генерировать объемные предметы, дублирующие заранее подготовленную виртуальную модель объекта.

Знакомое всем слово «принтер» пришло к нам из английского языка и переводится как «печать». Вы, конечно же, видели простые принтеры, на которых можно вывести любой материал — текстовой или графический — в бумажном виде.

История создания этого прибора длилась много лет и над разработкой работали ученые всего мира. Каждый внес свой вклад в развитие 3D-технологий.

Многие думают, что 3D-принтеры появились совсем недавно. На самом деле недавно только появился термин «3D-принтер», а сама технология объемного печатания появилась в 1984 году. 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.

Технологию стали развивать по всему миру. Появилось множество компаний, которые привносили новые возможности и улучшения. А с 2012 года в свободной продаже появились трехмерные принтеры для домашнего использования.

До 2008 года любой 3D-принтер мог работать только с использование одного вида расходного материала — пластика АВС. Это один из лучших расходных материалов для 3D печати. Но компания Objet Geometries Ltd. разработала принтер Connex500, который мог работать с различными видами материалов одновременно. Сейчас количество материалов перевалило за сто. Сегодня можно использовать такие материалы, как: акрил; бетон; гидрогель; бумага; гипс; деревянное волокно; лёд; металлический порошок; нейлон; поликапролактон (PCL); полилактид (PLA); полипропилен (PP); полиэтилен низкого давления (HDPE); шоколад.

2.2. Принцип работы 3D-принтера

3D-принтер состоит из корпуса (1), закрепленных на нем направляющих (2), по которым перемещается печатающая головка (3) с помощью шаговых двигателей(4), рабочего стола (5), на котором выращивается изделие; и всё это управляется электроникой (6).

Как работает 3D-принтер: Нить (филамент) (1) поступает в печатающую головку (Экструдер) (2), в которой разогревается до жидкого состояния и выдавливается через сопло экструдера. Шаговые двигатели с помощью зубчатых ремней приводят в движение Экструдер(2), который перемещается по направляющим (3) и наносит пластик на платформу (4) слой за слоем. Снизу в вверх. В итоге ваше изделие (5) растёт слой за слоем.

Для начала работы (печати) на 3D-принтере, будущий предмет необходимо нарисовать, причем во всех трех измерениях. Делается это с помощью специальных программ, называемых CAD-редакторами или САПР («Системами автоматизированного проектирования»). Когда дело доходит до 3D-печати, такие модели подвергаются «слайсингу», то есть разбиваются на отдельные слои с помощью специальных программ, так и называемых – слайсеры. Принтеры «рисуют» по-разному.

Слайсер составляет специальную программу для 3D-принтера. В этой программе принтеру рассказывается, как нужно печатать модель - куда двигаться экструдеру, с какой скоростью выдавливать пластик, какая толщина слоев будет у модели и др. параметры. Вся программа для принтера сохраняется в файл под названием g-code. Дальше через флеш карту или USB провод программа загружается в 3D-принтер и запускается печать.

Поток подается в печатающую головку, где плавится и выдавливается через тонкое сопло. Головка передвигается в двух плоскостях, вырисовывая нитью целый слой – один из срезов предмета. Закончив один слой, принтер приподнимает головку или опускает платформу, а затем начинает печатать новый слой поверх только что нанесенного. Так, слой за слоем, срез за срезом, выращивается копия оригинального предмета.

В основу принципа работы 3D принтера заложен принцип постепенного (послойного) создания твердой модели, которая как бы «выращивается» из определённого материала. Плюс 3D печати перед привычными способами построения моделей — высокая скорость, простота и относительно небольшая стоимость.

Например, для создания 3D модели или какой-либо детали вручную может понадобиться довольно много времени — от нескольких дней до месяцев. В итоге значительно возрастают расходы на разработку, увеличивается срок от разработки изделия до его серийного производства. 3D технологии же позволяют полностью исключить ручной труд и необходимость делать чертежи и расчёты на бумаге — ведь программа позволяет увидеть модель во всех ракурсах уже на экране, и устранить выявленные недостатки не в процессе создания, как это бывает при ручном изготовлении, а непосредственно при разработке и создать модель за несколько часов. При этом возможность ошибок, присущих ручной работе исключается.

2.3 Технологии трёхмерной печати

Существуют различные технологии трёхмерной печати. Разница между ними заключается в способе наложения слоёв изделия.

Наиболее распространенными являются SLS (селективное лазерное сплетение), НРМ (наложение слоев расплавленных материалов) и SLA (стереолитиография). Наиболее широкое распространение благодаря высокой скорости построения объектов получила технология стереолитографии или SLA.

Технология SLA: Технология работает так: лазерный луч направляется на фотополимер, после чего материал затвердевает. В качестве фотополимера используется полупрозрачный материал, который деформируется под действием атмосферной влаги. После отвердевания он легко поддаётся склеиванию, механической обработке и окрашиванию. Рабочий стол (элеватор) находится в ёмкости с фотополимером. После прохождения через полимер лазерного луча и отвердения слоя рабочая поверхность стола смещается вниз.

Технология SLS: Спекание порошковых реагентов под действием лазерного луча – оно же SLS — единственная технология 3D печати, которая применяется при изготовлении форм, как для металлического, так и пластмассового литья. Пластмассовые модели обладают отличными механическими качествами, благодаря которым они могут использоваться для изготовления полнофункциональных изделий. Устройство 3d принтера выглядит следующим образом: порошковые вещества наносятся на поверхность элеватора и спекаются под действием лазерного луча в твёрдый слой, соответствующий параметрам модели и определяющий её форму.

Технология НРМ: Печать по технологии НРМ выгодно отличается чистотой, простотой использования и пригодностью для применения в офисе.

Детали из термопластика устойчивы к высоким температурам, механическим нагрузкам, различным химическим реагентам, влажной или сухой среде. Растворимые вспомогательные материалы позволяют создавать сложные многоуровневые формы, полости и отверстия, которые было бы проблематично получить обычными методами. 3D-принтеры, действующие по технологии НРМ, создают детали слой за слоем, разогревая материал до полужидкого состояния и выдавливая его в соответствии созданными на компьютере путями. Нити обоих материалов подаются из отсеков 3D-принтера в печатающую головку, которая передвигается зависимости от изменения координат X и Y, и наплавляет материал, создавая текущий слой, пока основание не переместится вниз и не начнется следующий слой.

III. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ 3D ПЕЧАТИ

Программ для проектирования моделей 3D печати много. Я выбрала самую удобную и понятную программу для начинающих проектировщиков – Tinkercad - это простое веб – приложение для 3D проектирования и 3D печати, доступное каждому. Tinkercad поддерживает все существующие 3D-принтеры, для которых используются стандартные файлы STL. Для цветной печати – файлы VRML.

Принцип работы:

1. Вставка. Формы – это базовые элементы в Tinkercad, которые позволяют добавлять или удалять материал. Импортируя собственные формы или пользуясь существующими;

2. Регулирование. Модели свободно перемещаются, вращаются и корректируются формы в рабочем пространстве. Можно задать точные размеры с помощью таких инструментов, как линейка;

3. Объединение. Группируются формы для создания сложных моделей.

Я попыталась создать некоторые 3D модели в этой программе и расскажу основные этапы проектирования кружки. Для начала на рабочую плоскость надо импортировать цилиндр, подобрать необходимый размер изделия.

Для создания отверстия надо импортировать цилиндр, подходящий для выреза. Далее, изменяя рабочую плоскость, два цилиндра необходимо совместить для создания корпуса кружки.

После этого, из цилиндра наименьшей формы превратить его в отверстие и сгруппировать два цилиндра клавишей Shift, так что бы в корпусе кружки получилось общее отверстие. Корпус кружки готов.

Для создания ручки кружки, надо импортировать геометрическую фигуру – тор и вставить в корпус кружки.

Далее надо сгруппировать ручку и кружку клавишей Shift. Так же можно изменить цвет изделия.

Кроме кружки я так же сделала карандашницу и вазочку для варенья.

IV. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ 3D ПЕЧАТИ

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. В недалёком будущем может намного ускорится и упростится процесс возведения зданий. Калифорнийскими инженерами создана система 3D печати для крупногабаритных объектов. Она работает по принципу строительного крана, возводящего стены из слоёв бетона. (См.Приложение 2)

В медицине благодаря технологиям трёхмерной печати врачи получили возможность воссоздавать копии человеческого скелета, что позволяет более точно отработать приёмы, повышающих гарантии успешного проведения операций. (См.Приложение 3)

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

Принтеры с технологией 3D печати постепенно осваивают сферу производства одежды, и в первую очередь – производство моделей для высокой моды. Не так давно голландский модельер Айрис Ван Херпен представила коллекцию «Напряжение», все модели которой были созданы при помощи 3D печати. Коллекция была представлена на Неделе высокой моды в Париже. Первая пара обуви, напечатанная на 3D принтере, появилась в 2011 году благодаря стараниям шведских студентов. Сегодня трёхмерная обувь, напечатанная на принтерах, красуется на ведущих подиумах всего мира. Существенным преимуществом такой обуви является точный учёт индивидуальных особенностей её владельца, включая размер и форму стопы. (См.Приложение 4)

В 2011 году учёные из Великобритании первыми показали 3D-принтер, на котором можно было напечатать любую фигурку из шоколада или простую шоколадную плитку. Принтер накладывает слои друг на друга. Благодаря способности шоколада быстро застывать и твердеть при охлаждении, процесс печати протекает довольно быстро. В ближайшем будущем такие принтеры будут востребованы в кондитерских и ресторанах. (См. Приложение 5)

2011 год — год создания первого самолета, напечатанного на 3D-принтере. Эта идея принадлежала инженерам из Университета Саутгемптона (Великобритания). Модель 3D-самолета прекрасно летала на сравнительно большой скорости. (См.Приложение 6)

3D-принтеры можно смело назвать самыми нужными и полезными приборами нашего настоящего и будущего. Сегодня 3D-принтеры больше не кажутся машинами из фантастических фильмов. Они стали реальностью и приносят человечеству большую пользу. За 3D-принтерами будущее техники и науки.

V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Задачи, поставленные мною - выполнены, гипотеза подтверждена. Я спроектировала в программе Tinkercad кружку и распечатала на 3D принтере. В дальнейшем я буду ее использовать.

Я думаю, что все-таки будущее гораздо ближе, чем мы думаем. Возможности 3D-принтера очень велики на данный момент. Объемная печать скоро плотно войдет в нашу жизнь, а значит у этой технологии большое будущее. Сейчас иметь у себя дома 3D - принтер из-за цены считается дорогим удовольствием. Но не так давно и обычные печатающие принтеры имели гигантские размеры и стоили целое состояние. А сейчас трудно представить нашу жизнь без офисной техники.

То же самое ждёт и объёмные 3D- принтеры. Придёт время, и эти принтеры станут дешевле и совершеннее, скорость печати многократно возрастет.

Я думаю, что, когда будет возможным печать на 3D - принтере, человечество, возможно, полностью решит проблему утилизации бытовых отходов и улучшит экологию. Уже сейчас принтеры для строительства домов в Китае используют в качестве расходных материалов строительные отходы.

Возможности применения трехмерной печати помогут в строительстве и медицине. Станет возможной печать любого человеческого органа. А значит, это спасет миллионы человеческих жизней.

3D печать – технология будущего? Я думаю – да.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ВикипедиЯ, https://ru.wikipedia.org/wiki/3D-принтер

2.Автор - Андрей Райтер, FB.ru, http://fb.ru/article/220764/kak-rabotaet-d-printer-izdeliya-na-d-printere

3. 3D Rep, http://www.printfuture.ru/primenenie-3d-texnologij/

4. Make 3D, https://make-3d.ru/articles/chto-takoe-3d-pechat/

5. 3dbot.ru, Технологии 3D печати, http://blog.3dbot.ru

6.Автор – RomaBoy, 3D today, http://3dtoday.ru/blogs/romaboy/free-book-about-3d-printing1/

ПРИЛОЖЕНИЕ Приложение 1 Приложение 2

3D технологии в строительстве

Сайт: https://make-3d.ru/articles/primenenie-3d-pechati-v-stroitelstve/

Приложение 3

3D технологии в медицине

Сайт:http://www.printfuture.ru/primenenie-3d-texnologij/

Приложение 4

3D технологии и мода

Сайт: http://so-serious.ru/fashion-futurum-3d-pechat-menyaet-modu/

Приложение 5

3D технологии в пищевой промышленности

Сайт: http://www.printfuture.ru/primenenie-3d-texnologij/

Приложение 6

3D технологии в самолетостроение

Сайт: https://wordlesstech.com/worlds-first-3d-printed-airbus-aircraft/

Приложение 7

Моя первая модель для 3D печати