VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
3D- принтеры. Технологии будущего
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Наша жизнь состоит из череды самых разнообразных событий. Некоторые события являются ожидаемыми, поскольку мы их планируем, другие же происходят благодаря его величеству - случаю. Одно из таких случайных событий и побудило нас к работе над данным проектом.
Как и многие ребята моего возраста, я обожаю играть в компьютерные игры, а особенно в игры с использованием контроллеров движений, поскольку такие игры очень увлекательные, подвижные и в них можно играть вместе с друзьями. Каково же было мое разочарование, когда у одного из двух контроллеров случайно порвался силиконовый светящийся шар. К сожалению, нам не удалось найти в магазинах порванную запасную часть, и нам ничего не оставалось кроме как выбросить неработающее устройство. Конечно можно было купить новый контроллер, но хотелось именно восстановить имеющийся. Я раньше немного слышала об устройствах, способных создавать предметы любой формы из различных материалов, поэтому мы решили подробнее изучить эту тему и постараться починить устройство при помощи современных технологий.
Актуальность проблемы заключается в том, что часто при поломке устройств, отдельно заменить сломанную часть не представляется возможным, поскольку их попросту нет в продаже.
Объектом исследования является технология 3D-печати.
Предмет исследования - устройства, использующие технологии 3D-печати и позволяющие создавать объемные предметы.
Цель исследования - воссоздать сломанную деталь контроллера движений, тем самым восстановить его работоспособность.
В качестве гипотезы исследования, можно предположить, что технологии 3D-печати используются во многих сферах человеческой деятельности.
Для достижения поставленной цели мы определили для себя следующие задачи исследования:
Узнать, что такое 3D-печать и какие способы печати существуют;
На примере рассмотреть устройство 3D-принтера;
Узнать порядок создания предмета на 3D-принтере;
При помощи рассмотренных технологий, создать сломанную деталь для контроллера движений и заменить ее.
В своей работе мы будем использовать следующие методы исследования:
Сбор, анализ и обобщение информации из различных источников;
Наблюдение за процессом создания предметов;
Проведение эксперимента по восстановлению работоспособности устройства с замененной деталью.
3D-печать и 3D-принтеры
Что такое 3D-печать?
Идея автоматического формирования трехмерного твердого предмета впервые была реализована еще 18 веке, когда во Франции для копирования медальонов стали использовать устройство, подобное пантографу [1]. Позднее по тому же принципу было создано несколько машин, способных вырезать полномерный человеческий бюст. Полвека назад появились токарные станки с компьютерным управлением, способные напрямую создавать предметы по их цифровым моделям. Используемые при этом технологии получили название субтрактивных (от англ. subtract - отнимать), поскольку устройства при формировании предмета различными способами вырезали, выпиливали, дробили или удаляли из цельной заготовки ненужный материал.
Более продвинутый подход - аддитивные технологии (от англ. add - добавлять), то есть когда создание предмета происходит путем последовательного добавления новых участков предмета из жидкости, пластика или порошкового материала, выстраивая его слой за слоем. [2]
Итак, 3D-печать - процесс создания цельных предметов практически любой формы на основе ее компьютерной модели, который основан на способе создания предмета последовательно выстраивая его слой за слоем, пока не будет полностью создан весь предмет.
Первые технологии 3D-печати появились еще в 80х годах прошлого века, и практически через пару лет начали появляться первые модели устройств, работающих по принципу 3D-печати. Однако широкую популярность они обрели в середине 2000х годов, когда уже сформировалось то разнообразное количество технологий, по которым работают такие устройства.
Технологии 3D-печати
На сегодняшний день существуют огромное количество технологий 3D-печати, каждая из которых технически сложна, и для ознакомления мы кратко рассмотрим основные из них. Сразу обозначим, что мы приведем упрощенное описание этих технологий, так как подробное выходит за рамки формата нашей работы.
Лазерная стереолитография
В большинстве способов 3D-печати используется лазер. Одной из таких технологий является лазерная стереолитография. В данном случае устройство использует жидкий фотополимер, который, при попадании на него лазерного луча, превращается в твердый материал. Так формируется первый слой предмета, затем подъемник опускается в жидкость ровно на один слой и лазер создает следующий слой. Эти действия повторяются до тех пор, пока не будет создан весь предмет. По завершении процесса, заготовка удаляется из резервуара с полимером и обрабатывается мощным ультрафиолетовым излучением для закрепления прочности предмета. [5]
Рис. 1. Лазерная стереолитография, Слюсар В.И., 2003
Лазерное спекание
Другая популярная технология с использованием лазеров называется лазерное спекание. Она работает несколько иначе - лазер выжигает слои будущей детали на специальном порошке. После выжигания первого слоя, платформа также опускается на один слой, насыпается и выравнивается последующий слой порошка, который лазер вновь выжигает. Процесс повторяется до образования полной модели. При помощи такой технологии можно получать предметы из различных материалов: пластмассы, металла, керамики, воска и др. [7]
Рис. 2. Лазерное спекание, Слюсар В.И., 2003
Ламинирование
Рис. 3. Ламинирование, Слюсар В.И., 2003
В случае ламинирования, процесс производства состоит из того, что готовый объект создается из большого количества слоев, накладываемых друг на друга. Очередной слой после нанесения, вырезается лазером и склеивается с предыдущими. После обработки всех слоев, с полученного изделия удаляют излишки. Данная технология позволяет создавать достаточно большие предметы. [8]
Метод послойного наплавления
Напоследок рассмотрим один из примеров струйной печати. Эта технология не использует лазеры в своей работе, а принцип работы заключается в следующем: печатная головка выдавливает на охлаждаемую платформу, разогретую в печатной головке пластиковую нить, которая в нее подается. Пластиковая нить соприкасаясь с холодной платформой быстро застывает, формируя слои будущего предмета. Этот способ напоминает выдавливание крема из кулинарного шприца на торт. С этим методом печати мы еще поближе познакомимся, когда перейдем к практической части нашей работы. [9]
Рис. 4. Метод послойного наплавления
3D-принтеры и их конструкция
3D-принтерами, как несложно догадаться, называются те самые устройства, которые при помощи аддитивных технологий воспроизводят твердотельные предметы по созданным компьютерным моделям.
Принтеры использующие, разные технологии, имеют различное устройство. Рассмотрим конструкцию 3D-принтера на примере принтера, печатающего методом послойного наплавления. Схематично конструкция принтера изображена на следующем рисунке.
Рис. 5: Конструкция 3D-принтера (http://3dtoday.ru)
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). [7]
Рис. 6: 3D-принтер Prusa i3 Steel
А вот так выглядит принтер вживую:
Оказывается, несмотря на активное развитие 3D-печати именно в наше время, аддитивные технологии зародились довольно давно и с тех пор очень сильно развились. Появились технологии печати из различных материалов, а также улучшилось качество печати. Наравне с этим, стоимость 3D-принтеров постепенно падает и уже есть в продаже устройства, сравнимые по стоимости с обычными домашними принтерами.
Применение 3D-печати
В данной главе хотелось бы рассмотреть применение 3D-принтеров в современном мире и перспективы их использования в ближайшем будущем. И как выяснилось данные устройства используются во многих сферах человеческой деятельности.Производство
На ранних этапах применение 3D-принтеров ограничивалось быстрым созданием прототипов в производстве. Это намного быстрее и дешевле в сравнении с субтрактивными технологиями. Правда технология 3D-печати имеет очень низкую скорость производства, именно по этой причине не применяется в массовом производстве. Чаще всего 3D-печать используют для изготовления эксклюзивных изделий, например, предметов искусства, фигурок персонажей для участников ролевых интернет-игр, прототипов и моделей будущих товаров или их деталей. [7]
|
|
Рис. 8: Готовая модель черепа с еще не удаленными опорами (www.3dtoday.ru)
|
Одежда
3D-печать получает распространение в мире моды - кутюрье используют принтеры для экспериментов по созданию купальников, обуви и платьев. Коммерческое применение включает быстрое прототипирование и производство профессиональной спортивной обуви, например, бутсы для футболистов или кроссовки для легкоатлетов. [10]
|
|
|
Продукты
Существуют модели пищевых принтеров, которые делают определенные разновидности пищи, например, различные пиццы или торты. Для примера посмотрим на принтер, который делает любимую мексиканцами пищу - буррито. Этот принтер называется - Burritob0t 3D printer. В качестве основы он использует свежие блинчики, которые затем автоматически наполняются различной начинкой в разных сочетаниях и пропорциях, что в итоге дает возможность производить различные буррито.
Возможно, у многих испытателей сразу возникают опасения, не будут ли они вредны для человеческого здоровья. С другой стороны, в качестве плюса этого подхода, можно, к примеру, сразу регулировать количество белков, жиров и углеводов, а, при необходимости и микроэлементов.
|
Рис. 11: Принтер Burritob0t 3D |
Рис. 12: Торт, распечатанный на 3D-принтере |
Мебель
Игрушечная мебель? Нет, не только. Появление различных материалов для послойной печати делает возможной печать «деревянной» мебели, практически не отличимой от настоящей. В этом специальном материале не обошлось без настоящей древесины в виде мелких опилок. Этот материал даже пахнет, как дерево! [7]
Рис. 13: Мебель от французской компании Ventury Paris
Медицина
3D-печать используется для создания имплантатов и устройств, применяемых в медицине. Успешные операции включают такие примеры, как вживление титановых тазовых и челюстных имплантатов. Наиболее широкое применение 3D-печати ожидается в производстве слуховых аппаратов и стоматологии. В марте 2014 года хирурги из Суонси использовали 3D-печать для реконструкции лица мотоциклиста, получившего серьезные травмы в дорожной аварии. [10]
Не так давно сила и мощь 3D-печати была продемонстрирована на примере обыкновенного орла, который по вине браконьеров лишился клюва. 3D-печать позволила изготовить точную копию орлиного клюва. Процесс прикрепления протеза занял около двух часов, и теперь орлан может пить и есть самостоятельно. Ранее птицу кормили и поили вручную. [11]
Рис. 14: Белоголовый орлан с протезом клюва, распечатанным на 3D-принтере (orgprint.com)
Не останавливаясь на достигнутом, медики научились печатать «заплатки» для поврежденной человеческой кожи. В качестве материалов для печати используется специальный гель из клеток донора. По словам ученых, для печати кожи может быть использован даже самый обычный офисный принтер, немного модернизированный под поставленную задачу.
Рис. 15: Синтетическая человеческая кожа (orgprint.com)
Печать человеческих органов тоже уже не за горами, на сегодняшний день ученые научились печатать такие структуры как хрящи, нервы, сосуды, щитовидные железы, и в скором времени в больнице можно будет нуждающимся заменить такие сложные органы как почки, печень и сердце. [12]
Ювелирные изделия
Наиболее популярным выбором является лазерная стереолитография - установки, использующие эти технологии, позволяют печатать детали необыкновенной точности. Такие изделия используются для создания ювелирных литейных форм, значительно упрощая процесс производства.
Но есть и вариант прямого производства ювелирных изделий: технологии лазерного спекания и позволяют создавать готовые изделия из металлического порошка, включая порошки драгоценных металлов. Правда, стоимость таких установок и материалов зачастую слишком высока для широкого применения даже ювелирами. [3]
Рис. 16: Модель украшения из ювелирного воска и золота
Строительство
Строительные 3D-принтеры представляют собой инженерные устройства, создающие элементы зданий или целые строения послойно - так же, как любой 3D-принтер печатает объекты из пластика или другого материала.
От обычного 3D-принтера строительный отличается используемым материалом и размерами - рабочей поверхностью ему служит участок стройплощадки или цеха, а печатает он цементной смесью. [4]
Рис. 17: Рисунок 3D-принтера для строительства зданий (www.techno-guide.ru)
Космическая промышленность
Также 3D-принтерам можно найти огромное количество неожиданных применений. Например, в космической промышленности, для строительства лунной базы непосредственно на Луне из лунного же грунта, или печати различных предметов от инструментов до продуктов питания для космонавтов.
Рис. 18: Европейское космическое агентство хочет напечатать базу на Луне
Как мы увидели, 3D-печать используется практически во всех сферах человеческой деятельности, и чем больше мы изучаем эту тему, тем больше способов применения находим. Мне кажется, вариантов применения 3D-принтеров настолько много, что их использование может ограничиться лишь только фантазией людей.
Мы уверены, что в скором времени аддитивные технологии настолько плотно войдут в нашу жизнь, как сейчас компьютеры и смартфоны являются постоянными нашими спутниками, что мы сможем вместо приобретения необходимых предметов в магазинах, а просто купить их онлайн или скачать в интернете и тут же распечатать на своем домашнем 3D-принтере. Или, например, мы с друзьями сможем отправить друг другу не просто текстовые сообщения в мессенджерах, а поделиться с другом новенькой игрушкой, или необычным чехлом для телефона, сделанным своими руками, ну или вкуснейшим бутербродом.
Практическая часть
Теория - теорией, ну а мы вернемся к практической части нашей работы, и рассмотрим варианты решения поставленной задачи. Напомним, что проблема состоит в том, что в результате поломки нашего контроллера движений мы не можем починить устройство, поскольку запасных частей мы не нашли в продаже.
Извлечение сломанной детали
Работа над практической частью началась вот с такой ситуации:
Рис. 19: Сломанный контроллер движения (Герасимов О.В., 15.01.2018)
Как мы видим, силиконовый шар порвался у основания крепления к контроллеру. Классическим вариантом решения такой задачи было бы склеивание сломанных деталей, либо покупка нового устройства, но как мы уже узнали, в современном мире есть и другие решения. Ранее мы предпринимали попытку починить путем склеивания, но это решение не продержалось и одной игры, а покупку нового устройства мы не рассматривали.
Мы разобрали оба устройства и вынули силиконовые шары из обоих контроллеров. Как мы видим сломанная деталь имеет практически шарообразную форму с небольшой выпуклой частью, в форме полого цилиндра.
Рис. 20: Сломанная деталь (Герасимов О.В., 17.01.2018)
В этот раз мы хотим решить задачу, заменив сломанную деталь на новую, которую и распечатаем на 3D-принтере.
Снятие размеров
Для того, чтобы распечатать деталь необходимо создать ее компьютерную модель. Это очень похоже на обычный рисунок, только выполнен в виде объемной фигуры. Конечно такие модели можно нарисовать на листке бумаги, и раньше так и делали, но, как мы знаем, для печати детали 3D-принтеру необходима объемная компьютерная модель. Поэтому мы приступили к ее созданию.
Рис. 21: Размеры детали (Герасимов О.В., 18.01.2018)
Для начала мы сняли все размеры с целой детали, и все записали на бумаге.
Создание компьютерной модели
После того как получили размеры, мы приступили к проектированию компьютерной модели нашей детали. Для этого мы использовали компьютерную программу 3ds Max.
Первым делом мы нарисовали шар, приплюснули его снизу и сделали его полым внутри. Получилась сфера с отверстием снизу.
Рис. 22: Проектирование модели, шаг 1 - создание сферы
Затем мы сделали основание из полых цилиндров и соединили с ранее полученной сферой.
Рис. 23: Проектирование модели, шаг 2 - создание крепления
Рис. 24: Проектирование модели, шаг 3 - соединение деталей
И в конце добавили кольцо, которое соединяет шар и цилиндры-основания. В результате получили вот такую модель.
Печать детали
После создания модели ее необходимо распечатать. Поскольку мы не имели возможности распечатать деталь из силикона, чтобы максимально соответствовать оригинальной детали, мы воспользовались принтером с технологией послойного наплавления, при помощи которого мы распечатали деталь из пластика.
Процесс печати у нас занял около 3 часов. В результате мы получили пластиковую деталь, в точности такую же, как и оригинальная из силикона. Конечно она получилась не такая гладкая, и довольно твердая, но надеемся, что это не помешает работе устройства. Ссылка на видеосъемку процесса печати, ускоренная в 30 раз приведена в списке интернет ресурсов. [6]
Рис. 25: Распечатанная деталь в сравнении с оригиналом
Сборка устройства и проверка работоспособности
Нам осталось собрать устройство и проверить его работу. Это самая простая и волнительная часть исследования. Вооружившись отверткой, мы закрутили несколько болтов. В собранном виде контроллеры выглядят следующим образом:
Рис. 26: Контроллеры в собранном виде
После сборки мы скорее отправились включить контроллеры. Как мы и ожидали - все работало как часы!
Рис. 27: Контроллеры включены - все работает!
В рамках практической части нашего проекта мы поставили для себя интересную задачу, в ходе решения которой, мы узнали много нового как в части наблюдения за процессом воплощения технологий 3D-печати в реальном предмете, так и посмотрели на процесс проектирования компьютерных моделей. В нашем случае мы работали с деталями, имеющими довольно простые формы, что позволило нам пройти весь этот процесс с начала и до конца.
Помимо этого, мы разместили созданную нами компьютерную модель шара для контроллера движений на сайте бесплатных 3D моделей для того, чтобы любой желающий, кто столкнулся с подобной проблемой, смог скачать ее и распечатать на своем 3D-принтере.
Заключение
Научно-технический прогресс не стоит на месте - технологии стремительно развиваются, и то, что несколько лет назад казалось чем-то фантастическим, сегодня уже становится довольно обыденным явлением. Аддитивные технологии печати успешно применяются во многих сферах нашей деятельности, будь то производство, строительство, медицина или даже космос! Значит наша гипотеза подтверждена.
3D-печать может быть применена не только в такой высокотехнологичной отрасли как космическая, но и нашем быту. Решение таких обыденных задач, как мелкий ремонт предметов быта, при помощи технологий 3D-печати выходит совершено на новый уровень. С такими помощниками можно с легкостью распечатать различные как части сломанных приборов, так и самостоятельные предметы, элементы декора, игрушки, вешалки, формы для печенья, посуду, инструменты и многое-многое другое. Так нам удалось не только вооружиться новыми знаниями, но и принести практическую пользу себе и всем желающим, кто заинтересуется, созданной нами, моделью детали контроллера.
На основе всего выше описанного, могу с уверенностью утверждать, что мы достигли поставленной цели: смогли восстановить работоспособность устройства путем замены сломанной детали, полученной при помощи современных технологий 3D-печати.
Данная работа позволила нам погрузиться в таинственный мир технологий, которые буквально несут нас в будущее с неимоверной скоростью. В дальнейшем я продолжу следить за ходом развития 3D-печати, в особенности в области медицины.
Список литературы
1. Одноралов Н.В., Техника медальерного искусства, М.,1983
2. Слюсар В.И., Фаббер-технологии. Новое средство трехмерного моделирования, журнал «Электроника. Наука. Бизнес. Технологии», 05/2003
3. Слюсар В.И., Фаббер-технологии. Новое средство трехмерного моделирования, журнал «Электроника. Наука. Бизнес. Технологии», 03/2003
4. Кириллов П., Мейлицев В., Аддитивные технологии – что могут сегодня, что смогут завтра, журнал «Электроника. Наука. Бизнес. Технологии», 09/2016
Интернет-ресурсы
5. Энциклопедия 3D-печати, http://3dtoday.ru/wiki/
6. Видеосъемка процесса печати детали, https://youtu.be/X8Hv8uGuD10
7. 3D принтеры сегодня! http://3dtoday.ru/wiki/DMLS_print/
8. Современные наукоемкие технологии - Обзор современных технологий 3D печати, https://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=35053
9. Википедия. Моделирование методом наплавления, https://ru.wikipedia.org/wiki/Моделирование_методом_наплавления
10. 3D Industry. Все о 3D-печати, http://www.3dindustry.ru/article/2077/
11. Сферы применения 3D печати, http://www.orgprint.com/wiki/3d-pechat/sfery-primenenija-3D-pechati
12. Созданные путем 3D-печати органы заставили приживаться, http://www.bbc.com