VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Есть ли будущее у 3D ручки?
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
До чего же сильно продвинулась наука! Как же далеко зашёл человек в своих рассуждениях и действиях. Со слов родителей мы знаем, что в их детстве не было сотовых телефонов, ноутбуков, интернета. А, если бы кто-нибудь им тогда сказал, что через пару десятилетий у них будут разные устройства, в которых одновременно будет и цветной телевизор, и фотокамера, и видеокамера, и радиоприемник, и телефон, да еще и без проводов, да еще и такого размера, что в карман поместится. Они бы не поверили. Но они также бы не поверили и в то, что обычной ручкой можно делать модели объемных предметов. И сейчас мы не представляем себе, как можно жить без новых технологий.
Мы часто смотрим телеканал «Моя планета» и «24 техно». И увидели передачу о 3D- ручке - устройстве, которое может делать реальные предметы, окружающие нас. Нас это очень заинтересовало. Есть ли будущее у этого «чудо – предмета»? И как она будет служить человеку? На благо ему или нет? Вот мы и решили изучить эти вопросы глубже.
Тема исследования. Есть ли будущее у 3D-ручки?
Цель: узнать, что такое 3D- ручка и как её можно использовать.
Задачи.
Найти информацию об истории создания 3D-ручки.
Изучить принцип работы этого устройства.
Познакомить своих одноклассников с технологией изготовления изделий из него.
Выполнить творческую работу с использованием 3D – ручки.
Сформировать интерес к новому виду декоративно – прикладного творчества.
Методы исследования: изучение информации, полученной из Интернета, наблюдение, анализ результатов.
Объект исследования: 3D - ручка.
Предмет исследования: возможности 3D – ручки.
Актуальность исследования в том, что новые информационные технологии всегда очень быстро развиваются и без них немыслимо современное общество.
1. Теоретическая часть
1.1. История создания 3D-ручки
Всего несколько десятилетий назад 3D принтеры, творящие объёмные фигуры, считались фантастикой. Самые первые трёхмерные печатающие устройства имели впечатляющие габариты, хотя при всём этом имели возможность создавать только ограниченное количество объектов. Ко всему прочему, стоили они десятки и даже сотни тысяч долларов. Поэтому брать на себя первую продукцию аддитивных технологий имели возможность исключительно приличные компании. В 2012 году возникли наиболее малогабаритные и экономные приспособления для трёхмерной печати. Обширное использование получили принтеры южноамериканской фирмы 3D Systems, которая сейчас считается основным поставщиком в области AF-технологий. Инновации начали вводить конструкторские бюро, НИИ, архитекторы, художники. 3D принтеры отвоевали для себя место в учебных действиях при освоении инженерных квалификаций.
Сейчас 3D принтеры доступны любому желающему. А в феврале 2013 года возникла первая ручка для создания объёмных форм, получившая название 3Doodler, была разработана американской компанией WobbleWorks. Идея пришла в голову основателям компании, Максу Боугу и Питеру Дилворту, когда сломался 3D принтер и потребовалось заделать брешь в напечатанной 3D модели. Инженеры создали прототип ручки, рисующей пластиком.
1.2 Что такое 3D-ручка?
3D - печать постепенно становится распространенной и узнаваемой технологией, возможности которой в большей или меньшей степени уже представляет себе практически каждый.
3D - ручка для рисования пластиком «в воздухе» – это достаточно новое направление, которое каждый день вовлекает все большее творческих людей.
Это легкое и компактное устройство для рисования пластиком, так сказать «ручной 3D-принтер», способный создавать объемные фигуры прямо в воздухе и не по волшебству, а на основе современных технологий и материалов, которые позволили произвести настоящий прорыв в современно трехмерном моделировании.
В основе работы 3D-ручки лежит тот же принцип, что и в FDM-принтере, при этом простота использования и относительно невысокая стоимость делают возможности ее применения весьма широкими: от простых рисунков любимых персонажей до настоящих шедевров художества.
1.3 Технические особенности 3D-ручек
Сегодня пользователям представлены два типа 3D-ручек, так называемые «холодные» и «горячие».
В «холодных» 3D-ручках в роли «чернил» используются фотополимерные смолы, которые затвердевают под действием встроенного элемента, излучающего ультрафиолет.
Принцип работы «горячих» 3D-ручек достаточно простой: в качестве «чернил» используется нить пластика (ABS, PLA и др.), большинство 3D-ручек, используют нить диаметром 1,75 мм .
В задней части корпуса 3D-ручки находятся два отверстия: одно для подключения блока питания, второе – для пластиковой нити, которая с помощью встроенного механизма затягивается в 3D-ручку, где нагревается и в расплавленном виде подается наружу через тонкий «носик» (сопло). При контакте с воздухом пластик быстро застывает и через короткое время полученная форма становится твердой, как сама нить. Современные модели 3D-ручек призваны быть максимально удобными и легкими, а также имеют специальные полезные функции:
1. Поддержка разных типов пластика - современные модели поддерживают как ABS, так и PLA пластики, которые могут использоваться для разных задач. Такие 3D-ручки автоматически нагреваются до нужной температуры при выборе определенного типа пластика, что дает возможность быстрой замены пластика при рисовании разными цветами.
2. Наличие дисплея является неотъемлемой опцией для 3D-ручек, поддерживающих разные типы пластиков, с его помощью легко следить за состоянием нагрева.
3. Возможность регулировки скорости подачи пластика особенно актуальна при рисовании мелких элементов или тонких линий, чтобы рисунки получались аккуратными.
4. Функция автоматического «спящего» режима весьма полезна, когда нужно сделать короткий перерыв в рисовании и оставить 3D-ручку без присмотра: при отсутствии активности в течение 2-5 минут она автоматически перестает поддерживать нагрев и остывает.
Самым распространенным пластиком для 3D-ручки является ABS-пластик. Он характеризуется долговечностью и устойчивостью к износу. Несмотря на то, что этот пластик не является токсичным, все же он имеет выраженный запах жженой пластмассы при использовании в рисовании 3D-ручкой, работать с ним лучше в хорошо проветриваемом помещении.
PLA-пластик производится на основе растительного сырья из кукурузы и является биоразлагаемым и более экологичным, чем ABS. Не разрешается мыть и чистить изображения из PLA нитей, они от этого разрушаются. Расцветки пластика имеют глянцевый блеск. При рисовании такой пластик имеет более низкую температуру плавления, не выделяет неприятных запахов, поэтому как нельзя лучше подходит для детского творчества особенно в домашних условиях.
1.4 Применение 3D-ручки
Обычно освоение 3D-ручки начинается с рисования каких-то простых фигурок и узоров, после того, как принцип действия становится понятным просыпается интерес к рисованию более серьезных картинок с помощью трафаретов, это могут быть и различные животные, и персонажи игр и мультфильмов, а также просто интересные картинки, которые хочется раскрасить в разные цвета.
Кроме творчества и хобби, 3D-ручки могут использоваться также для решения бытовых задач, когда нужно заполнить пластиком какие-либо полости, связанные, например, с дефектами моделей при печати на 3D-принтере или другими бытовыми потребностями.
Занятия с 3D-ручкой не просто развивают умение создавать ровные контуры, но и развивают творческое мышление, отвечающее за то, как именно создать ту или иную модель, помогают учиться поиску решения в творческих задачах, развивать фантазию и абстрактное мышление, позволяют ребенку почувствовать себя творцом.
Кроме этого 3D-ручки помогают в развитии мелкой моторики рук, что очень важно для детей с раннего возраста.
Если сломалась игрушка? Не беда, ведь теперь не обязательно бежать за клеем или клеевым пистолетом, который можно назвать прародителем горячих 3D- ручек, поскольку в нем используется похожий принцип плавления клеевых стержней. Но теперь, для того чтобы склеить две половинки сломанной детали достаточно включить 3D ручку в розетку.
Школьные учителя уже начинают вводить в свою программу использование 3D-ручек с целью вызвать интерес у детей к образовательному процессу и наглядной демонстрации обучающего материала. 3D-ручки имеют все шансы стать нужным художественным средством для разных уроков. Геометрия - раздел математики, в котором изучаются пространственные отношения (напр., взаимное расположение) и формы (напр., геометрические тела) и их обобщения: с внедрением 3D-ручки ученик имеет возможность изображать геометрические фигуры, а вслед за тем делать собственные сложные формы.
Архитектура / История. При исследовании важных исторических памятников учащиеся могут воссоздать их силуэты для проведения презентаций.
Создание архитектурных чертежей содержит в себе математические способности – знание геометрии, пространственной ориентации и измерений.
Технология . Ребята могут делать разные поделки: украшения, объёмные цветы, героев любимых мультфильмов.
При помощи 3D- ручки вы всегда можете изготовить элементы спортинвентаря, например, воланчик.
3D- ручка станет волшебной палочкой, по мановению которой можно создавать образы, только что появившиеся или давно засевшие в голове, например, того же разработчика игр. Бывает так, что некоторым не дано (а зачастую просто и не нужно) представить будущего персонажа или уровень подземелья на листе бумаги, особенно в изометрической проекции или перспективе. Теперь разработчику или заказчику не нужно рисовать в изометрии в 2D, не нужно запускать массивный 3ds Max, достаточно лишь взять 3D-ручку в руки и продемонстрировать наглядно другу, коллеге или заказчику свою идею или видение решения проблемы.
3D-ручки являются не только индивидуальными объектами для творчества и самовыражения, но и могут стать дополнением к использующимся инновационным технологиям в бизнесе. Представьте себе такую ситуацию, что художнику-декоратору, конструктору, дизайнеру интерьеров или архитектору заказали макет, который тот закончил, и ему его исполнили в 3D виде, например, напечатав на 3D- принтере.
Заказчику понравился макет, но он попросил исполнителя работ что-то добавить к имеющемуся проекту, например, высадить живую изгородь по периметру территории, обнесенной забором, или техника пожарной безопасности требует наличия лестницы на второй этаж дома. Иметь под рукой все необходимые материалы в виде миниатюр редко когда получается. Гораздо легче взять в руку 3D-ручку и “дорисовать” такую живую изгородь или лестницу, о которой попросил заказчик, чем отвозить макет обратно в офис или бегать по магазинам миниатюр в поисках необходимых элементов окружения, декора и т.д. Такой подход позволит исполнителю сэкономить время и деньги, которые он мог бы потратить на подобную доработку и дополнительную встречу с заказчиком. Идеальным окончанием сделки может стать подписание контракта на строительство объекта в день демонстрации макета проекта заказчику.
3D-ручки, применяющиеся в медицине, называются Биоперьями или Биоручками (BioPen). Такие ручки используются для устранения трещин в костях. Живые клетки, нанесенные Биоручкой на кости и хрящи во время операций, размножаются и проникают в нервную, мышечную и костную ткань, способствуя их скорейшему восстановлению. В некоторых экспериментах ученым уже удалось вырастить хрящ коленного сустава из клеток, “напечатанных” 3D-ручкой. Биоручки используют биологически чистые материалы, например, экстракты водорослей, превращенные в гель, отверждаемый все тем же ультрафиолетовым светом.
Конечно, выращивание тканей из клеток и 3D- печать биоматериалом не является чем-то новым, но всегда приятно осознавать тот факт, что появился новый хирургический инструмент, выросший из идеи, ограниченной стенами лабораторий.
1.5 Безопасность при использовании 3D- ручки
Не стоит забывать, что 3D ручка – это электроприбор. Она работает от розетки с 220v, поэтому техника безопасности с ней такая же, как и при работе с любыми другими электроинструментами.
Подготовка рабочего места. Как обычно, перед началом какого-либо занятия следует очистить рабочие место от лишних вещей и деталей, которые ухудшат вашу работу и само изделие. Под рукой у вас не должно быть ничего, что мешало бы производить ювелирную работу, либо что могло бы испортиться, попади туда капля горячего пластика.
Подключение. Большинство моделей ручек работают от электричества, остальные – от встроенного аккумулятора. При подключении инструмента ваши руки и сама ручка должны быть сухими, как и поверхность стола. Не держите под рукой жидкости, которые могут пролиться и привести к короткому замыканию. ЗD- ручка хоть и имеет надежный корпус, закрывающий от контакта с нагревающими элементами, не стоит забыть о данном правиле.
Использование. Основная опасность исходит от нагретого пластика и внутренней системы. Не прикасайтесь к готовому объекту, пока не будете полностью уверены, что он остыл. Не трогайте стержень ручки во время работы или сразу после выключения. Если вы все равно каким-то образом обожглись, мгновенно бежите в ванну и промойте ожог холодной водой.
Чернила. Существует два вида чернил для 3D- ручки: ASB и PLA. При переходе с одного материала на другой, обязательно очищайте сопла, когда инструмент остыл и не включен в сеть. В противном случае – стержень будет забит чернилами, и вы не сможете полноценно использовать ручку.
Неприятный запах. Если вы почувствовали резкий, неприятный запах, выключите ручку из сети и положите на твердую ровную поверхность до выяснения причин поломки. Ни в коем случае не пытайтесь разобрать инструмент самостоятельно, когда он включен в сеть.
1.6 Ремонт 3D-ручки
3D- ручка является сложным техническим устройством, внутри которого много движущихся механизмов, работающих на плате с микроэлектроникой, которые к сожалению при неправильной эксплуатации или из за некачественных расходных материалов могут выйти из строя. Необходимость ремонта возникает довольно часто. Можно привести в порядок 3D- ручку к которой вы уже привыкли, при том дешевле, чем купить новую.
Могут не загореться индикаторы. В этом случае для начала проверьте исправность розетки или адаптера. Если причина поломки в моторе, плате или нагревательном элементе, то отремонтировать под силу только специалистам. Ремонт будет заключаться в замене вышедшей из строя детали. Чаще всего пользователи говорят, что ручка сломалась, когда из сопла не выходит пластик или температура маркера не достаточно высокая. Здесь особо переживать не стоит. Чтобы починить неисправность, нужно прочистить сопло. Для этого снимаем крышку и выполняем последовательно операции:
Откручиваем шуруп, который удерживает блок подачи пластика, снимаем его и отсоединяем клеммы.
Вынимаем блок из корпуса.
Снимаем направляющую трубку.
Подключаем клеммы блока подачи пластика и включаем ручку в сеть в разобранном виде.
После нагрева подаем пластик в сопло вручную, а затем вытягиваем его. Собираем все детали в корпус, закрываем крышку и тестируем устройство. Нити выходят, гаджет нагревается до нужной температуры. Таким образом, мы прочистили засорившиеся элементы.
Если индикатор нагрева мигает , а пластик не выходит из сопла нужно произвести следующие операции:
Отключить от питания.
Открутить болт на задней панеле.
Отсоединяем провода.
Откручиваем подающий мотор с редуктором.
Меняем старый мотор на новый.
Собираем ручку в обратном порядке.
Проверяем работу ручки.
2. Практическая часть
2.1 Используемые материалы
Для изготовления нашей детали мы использовали материалы:
ABS пластик
PLA пластик
Инструменты и оборудование для изготовления изделия
3D- ручка
Подшипник качения - 2шт
Деревянная шпажка
Контур ракеты
Контур материков
Форма шара
Ножницы
2.3 Технология изготовления
Изготовление ракеты с помощью 3D- ручки:
По заранее приготовленному контуру обводим части ракеты, закрашивая их
Соединяем полученные части ракеты, дорабатываем форму ракеты до нужной нам формы
Изготовление глобуса с помощью 3D- ручки:
По заранее заготовленному шаблону обводим контуры материков. Немного их штрихуем чтобы контур держал форму.
На шар из фольги наносим пластиковую нить синего цвета- цвет моря, накладывая в нужном месте материки
Закрашиваем материки разными цветами
Полученные 2 половинки соединяем
В заготовленные отверстия в глобусе закрепляем подшипники.
В подшипники помещаем деревянные шпажки, формируем устойчивую ножку
Заключение
Все-таки будущее гораздо ближе, чем мы думаем. Наше предположение о том, что возможности 3D-ручки очень велики на данный момент, подтвердилось. Объемное моделирование плотно входит в нашу жизнь, а значит у этой технологии большое будущее.
Из нашей работы видно, что возможности применения трехмерной ручки бесконечны, особенно в архитектуре, в машиностроении, в медицине.
Ручка станет отличной игрушкой для детей. Она не только позволит скрасить досуг и по новому взглянуть на современные развлечения, но и способствует расширению детского кругозора, развитию пространственного мышления и моторики рук.
Еще один аргумент в пользу 3D-ручки – доступная цена. При схожих возможностях с настольным принтером, стоимость ручки в разы меньше. Вы сможете купить сразу несколько экземпляров для своей семьи, чтобы самостоятельно оценить прелести трехмерной печати.
3D -ручка – лучший подарок для ребёнка. Время не стоит на месте, а вместе с ним меняются и орудия изобразительного искусства. Еще недавно дети рисовали ручками, карандашами и фломастерами. Сегодня для этого есть 3D-ручка, благодаря которой можно создавать объемные фигуры в режиме реального времени просто в воздухе!
Регулярно используя ручку для 3D-печати ваше чадо заметно улучшить моторику пальчиков. В его руках окажется мощный инструмент, развивающий фантазию и абстрактное мышление.
Более того, инструмент, способный превратить фантазии в реальность. Ваш ребенок сможет самостоятельно создавать для себя игрушки, что поможет ему самореализоваться.
Мы надеемся, что новая технология объемного моделирования принесет пользы значительно больше, чем вреда. За любым изобретением стоит человек. А это значит, что хороших людей больше, чем плохих.
В заключении хочется отметить, что цель нашего исследования достигнута – мы изучили устройство 3D-ручки и область его применения.
По ходу исследования мы поняли, что использование 3D-ручки в учебном процессе поможет нам лучше понять трёхмерное моделирование. В дальнейшем наша цель изготовить модель Эйфелевой башни.
Информационные источники:
3D в школе: кто, чему и как должен учить? // https://habrahabr.ru/post/275495/ (Дата обращения: 29.01.2017 г.)
3D Моделирование // http://3d-artlines.ru/stati/3d-ruchki-kak-ne-poteryatsya-pri-vybore/ (Дата обращения: 16.02.17)
3D Моделирование // babadu.ru/academy/article/3d-ruchka-volshebnaya-palochka-nashih-dney (Дата обращения: 13.02.17)
3D Моделирование // http://illjuzija.ru/3d-risunki/chto-takoe-3d-ruchka-i-kak-ona-rabotaet.html (Дата обращения: 01.03.17)
3D Моделирование // http://3dpen-art.ru/uroki-risovaniya-3d-ruchkoy/ (Дата обращения:11.12.16)
3D Моделирование // http://www.electronics-review.ru/risuem-v-3d-s-pomoshhyu-3d-ruchek/ (Дата обращения: 20.11.16)
7. 3D Моделирование // http://www.toybytoy.com/toy/3D-pen-How-to-use-that-to-draw/ (Дата обращения: 29.11.16)
8.3D Моделирование // http://3dtoday.ru/blogs/cvetmir3d/great-review-on-the-3d-knobs/ (Дата обращения: 05.12.16)
9.3D Моделирование // http://yes3d.ru/blogs/blog/kak-vybrat-3d-ruchku-sravnenie-populyarnyh-modeley-3d-ruchek/ (Дата обращения: 10.01.17)
10.3D Моделирование // https://www.losprinters.ru/articles/trafarety-dlya-3d-ruchek/ (Дата обращения: 14.01.17)
11.3D Моделирование как обязательный элемент школьной программы в гимназии: зачем и почему? // http://education-events.ru/2013/10/30/3d-model-in-school-ptc-irisoft-comments/ (Дата обращения: 10.12.2017 г.)
12.3D-моделирование, как средство воспитания будущих инженеров // https://edugalaxy.intel.ru/?showtopic=6316 (Дата обращения: 11.03.2017 г.)