VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
3Д-принтеры и их практическое применение
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Кому не знакомо слово «принтер»?! Оно пришло к нам из английского языка и означает «печать». Печатающие на бумаге принтеры пережили эволюционный путь развития..., и сейчас обосновались практически в каждом доме, офисе, школьном и медицинском кабинете и т.д. Они необходимы как для учебы, так и для работы. У современного человека всегда есть необходимость распечатать на бумажном носителе какой либо документ, договор, справку, доклад, реферат, научную работу, поэтому проще сказать, где печатающих устройств сейчас нет! Разве что в лесу или где-нибудь в глухой деревне!
Принтеры были сначала матричными, затем появились струйные, а спустя годы, в нашу жизнь вошли и первые лазерные принтеры! По аналогии с телевизорами, сначала принтеры были чёрно-белыми, которые появились в 50-е годы прошлого столетия, но пройдя долгий путь прогресса, к 1976 году миру явилось первое цветное струйное печатающее устройство от компании IBM! Это, безусловно, было великим прорывом в технологии печати..., но, по сути, все описанные выше принтеры наносят один слой краски на бумажную основу, что в итоге даёт нам плоское, двухмерное, изображение!
Но, мы с Вами живём в трёхмерном измерении. Всё, что нас окружает – горы, деревья, дома, автомобили, мебель, бытовая техника и т.д. – это объемные предметы, которые имеют свою длину, ширину и высоту. Наверное, именно поэтому и двухмерные игры, и плоские изображения становятся всё менее интересными и уходят на второстепенный план. Появляются картины, книги и открытки с рельефными, объемными формами, создаются телефоны с двумя камерами для создания объёмного изображения, уже давно выпускаются мультипликационные (анимационные) фильмы и видеоигры с трёхмерной графикой и т.д. Проще говоря: людям нужен объём!
Слова и выражения с приставкой «3D» уже основательно вошли в современную жизнь и используются повсеместно: 3D-очки, 3D-фильмы, 3D-открытки, 3D-обои, 3D-пазлы…, и, конечно же, 3D-принтеры и 3D-печать!
Именно по этому пути, ещё много лет назад, пошли многие великие учёные из разных стран мира, постепенно внося свою лепту в развитие трёхмерных технологий.
Так, в 1984г. Американец Чарльз Халл разработал технологию «стереолитографии» (SLA) для печати 3D-объектов по данным цифровых моделей из фотополимеризующихся композитных материалов (ФПК).
В 1985г. Михаило Фейген предложил послойно формировать объемные модели из листового материала: пленок, полиэстера, композитов, пластика, бумаги и т.д., скрепляя между собой слои при помощи разогретого валика. Такая технология получила название «производство объектов ламинированием» (LOM).
По сути, листы приклеиваются друг к другу, а лазер вырезает контур.
В 1986г. состоялось получение патента на технологию «стереолитографии» (SLA), разработанную в 1984 году.
В этом же году Чарльз Халл основал компанию 3D Systems и разработал первый коммерческий прибор трехмерной печати. Его незатейливо назвали - «установка для стереолитографии».
Также в 1986 году доктора Карл Декарт и Джо Биман в Университете штата Техас в Остине разработали и запатентовали метод селективного лазерного спекания (SLS). Суть метода заключается в послойном спекании порошкового материала лазерным лучом.
В рабочей камере порошок разогревается до температуры, граничащей с температурой плавления. После этого материал разравнивается и на его поверхности лазерный луч прорисовывает необходимый контур. Когда луч касается порошка, тот разогревается до температуры плавления и спекается. После этого в камеру насыпается новый слой порошка, и процесс спекания повторяется. Циклы добавления материала, его разравнивания и спекания повторяются по заранее заданной схеме до тех пор, пока на рабочем столе камеры не образуется готовая модель с шероховатой пористой структурой. Готовое изделие извлекается из принтера, а излишки порошка удаляются.
Устройство способно работать с порошковыми полимерами, литейным воском, нейлоном, керамикой, металлическими порошками, при этом при переходе с одного материала на другой камеру следует тщательно очистить от остатков прежнего материала. В одной камере можно выращивать сразу несколько моделей.
В 1987 году израильской компанией Cubital была разработана Технология послойного уплотнения (SGC).
Год спустя компания 3D Systems разработала модель SLA-250, которая была запущена в серийное производство для широкого круга пользователей.
Тогда же Скотт Крамп изобрел FDM-технологию трехмерной печати. Это технология послойного наплавления материала (декомпозиции плавящегося материала), которая на сегодняшний день является самой распространенной и применяемой! Она и используется в большинстве промышленных и персональных «домашних» 3D-принтерах. Суть технологии заключается в следующем: В печатающей головке материал (расплав из пластика, металла, литейного воска) предварительно разогревается до температуры плавления и поступает в рабочую камеру. Головка выпускает расплавленный материал в виде нити, которая укладывается на рабочий стол. После этого платформа опускается ниже на толщину одного слоя, чтобы можно было сформировать следующий слой.
В 1989 году Скотт Крамп основал комапнию Stratasys и уже в 1991 году Stratasys выпустила первый 3D-принтер серии Dimension с экструдирующей печатающей головкой (FDM).
Год спустя Компания Stratasys продала свою первую машину на основе технологии послойного наплавления FDM - «3D Modeler».
1992г. Фирма DTM продала свою первую систему селективного лазерного обжига (SLS)
В 1993 году была создана компания Solidscape. Ныне один из ведущих производителей.
В 1995 году в Массачусетском технологическом институте был придуман термин "3D-печать".
В 1995 году компания Z Corporation получила эксклюзивную лицензию от MIT использовать технологию 3DP (Печать склеиваемым порошком).
1996 год. Компания Z Corporation представила Z402, а 3D Systems представила Actua 2100. К данному устройству быстрого прототипирования было впервые применено название «3D-принтер».
1997 год — компания EOS была продана конкуренту по стереолитографии 3D Systems. И они стали монополистами.
2005 год — Компания Z Corporation выпустила Spectrum Z510. Это был первый на рынке 3D-принтер с высоким качеством цветной печати (3DP).
2006 год — Открыт проект Reprap при использовании лицензии GNU General Public Licence. Проект нацелен на производство принтеров, которые способны реплицировать себя, то есть воспроизводить детали собственной конструкции. Тестовый экземпляр такого устройства был изготовлен в 2008 году английскими конструкторами университета Бата. Он в состоянии «распечатать» около 50 % своих собственных конструктивных частей и деталей.
В 2008 году Objet Geometries Ltd, разработала принтер Connex500, печатающий несколькими различными материалами сразу (3DP). Сейчас количество материалов перевалило за сто.
Сегодня для 3D-печати 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 и многое другое. Главная особенность работы 3D-принтеров заключается в том, что все получаемые модели являются твердотельными и наносятся послойно, слой за слоем. И, если на простом принтере получают только бумажный вариант, то на 3D-принтере можно создать детскую игрушку, сувенирную фигурку, пластиковую посуда, ткань, для пошива одежды, а также импланты, для использования в медицине, и легковой автомобиль. Возможности принтеров нового поколения практически безграничны.
В 2010 году канадский инженер Джим Кор официально продемонстрировал легковой автомобиль, корпус которого полностью был изготовлен на трёхмерном принтере, для которого потребовалось 2500 часов работы. Он весил всего 544 кг.
В 2010 году группа ученых Fluid Interfaces Group из Массачусетского Технологического Института представила первый 3D-принтер для создания продуктов – «Cornucopia». В пищевой принтер вместо обычной бумаги загружаются продукты питания, которые аппарат охлаждает, смешивает и использует для создания готового продукта.
Главными изобретателями печатающего устройства «Cornucopia» считаются учёные Амит Зоран и Марчелло Коэльо. Их инновационное устройство способно перевести кулинарию на новый виток развития. Концепт сможет «печатать» ранее неизвестные блюда с заранее заданной пищевой ценностью, качеством и вкусом.
2011 год — голландский производитель 3D-принтеров Ultimaker развил скорость трехмерной печати до 350 мм в секунду, что на тот момент было очень неплохо, но от скорости пострадала точность. Сейчас такие показатели скорости вызывают лёгкую улыбку...
Также в 2011году под руководством Университета Эксетера и университета Брюнеля и фирмы Delcam, исследователи создали первый 3D-принтер, печатающий шоколадом. В его основу опять таки легла FDM-технология. Сложность состояла лишь в разработке и подборе рецептуры и состава шоколадного сырья.
Всё в том же 2011г. инженерами Университета Саутгемптона создан первый самолёт, напечатанный на 3D-принтере. Сложность была скорее в проектировании модели таким образом, чтобы её можно было распечатать, нежели в самой печати. Модель прекрасно летала.
И тогда жеВенский Технологический Университет представил самый маленький, лёгкий и дешёвый по себестоимости печати (на тот момент) 3D-принтер, работающий по аддитивной технологии фотополимеризации светочувствительной смолы. Принтер весил всего 1,5 килограмма, а стоимость его составляла около 1200 евро.
В конце первого десятилетия XXI века группа учёных Института регенеративной медицины при Университете Уик Форест пришла к выводу, что человеческие ткани можно напечатать при помощи струйных принтеров, заправив их живыми клетками. С этого момента началась кропотливая работа над созданием биопринтера для выращивания человеческих органов. Такое устройство было продемонстрировано в сентябре 2011 года на конференции по новым технологиям и дизайну «TED-2011». Устройство функционирует так же, как и обычный струйный принтер, но вместо чернил оно использует стволовые клетки людей и животных.
3D принтер способен печатать кусочки ткани, кожи, позвоночные диски, коленные хрящи и полноценные органы. Перед началом печати орган больного сканируют с разных ракурсов и загружают полученную информацию в трёхмерный принтер, вместе с образцом ткани органа. За несколько часов работы устройство воссоздаёт точную копию органа, включая сосуды.
При помощи трёхмерной печати американские учёные вырастили человеческий мочевой пузырь и половые органы кроликов, которые после их вживления ампутированным кроликам позволили животным снова спариваться. Также учёные воссоздали сердце крысы, которое успешно работало после имплантации подопытному животному.
Этот уникальный аппарат может заживлять раны прямо на пациенте, а также устранять механические повреждения органов, полученные в результате огнестрельных и ножевых ранений, несчастных случаев и т.д. Для этого он сканирует рану (орган) и заполняет её соответствующим типом свежевыращенных тканей.
Эксперты пророчат трёхмерным принтерам звёздное будущее. Грядут времена, когда каждый человек сможет, не выходя из дома, напечатать себе новую пару обуви, кофейный сервиз, игрушки для ребёнка, изысканное блюдо или залечить рану. И такие времена уже не за горами.
2012 год — Компания 3D Systems выпустила на рынок персональный трехмерный принтер для домашнего использования 3D Cube. FDM.
И тогда же в Венском Технологическом Университете создали трехмерный принтер, печатающий микроскопические объекты разрешением до 100 нм со скоростью 5 мм в секунду.
Современные трёхмерные печатающие устройства научились создавать не только предметы обихода и одежду, но и собственные детали, продукты питания посуду, игрушки, украшения, мебели, и, как мы уже знаем, человеческие ткани и органы.
Не так давно робототехник из Италии Энрико Дини научил трёхмерный принтер делать макеты двухэтажных зданий, в которых есть комнаты с перегородками, трубы и лестницы. Всё это делается из неорганического компаунда и песка. Полученный материал имеет прочность, близкую к железобетону. Инженерная мысль на этом не остановилась, поскольку поступило предложение использовать эту технологию при возведении лунных исследовательских баз. Было принято решение доставить трёхмерный принтер на МКС, где космонавты смогут быстрее изготовить необходимые для них детали, не дожидаясь доставки их с Земли.
Сейчас 3D-принтеры, история которых начиналась с громоздких и очень дорогих экземпляров, становятся всё меньше и дешевле.
История 3D-принтеров, можно сказать, только началась…, и самое интересное – впереди.
Сегодня 3D-принтеры больше не кажутся машинами из фантастических фильмов или романов. Они стали реальностью и приносят человечеству большую пользу.
За 3D-принтерами будущее науки и техники.
Основная часть
Цель исследования:
Изучить историю создания и перспективы развития 3Д-печати
Создать объемную 3Д-модель при помощи программного приложения TINCERCAD в домашних условиях и распечатать её на 3Д-принтере.
Предмет исследования:
Внимательно изучив историю создания и развития, разнообразие технологий печати и возможности 3D-принтеров, я понял, что при помощи этой гениальной техники, можно напечатать всё, что угодно! Механическую игрушку, статуэтку, подсвечник, изысканный горшок или вазу для цветов, копию скелета динозавра, автомобиля или самолета, ювелирное украшение, запасную часть для какого либо механизма, и, конечно же, памятный сувенир!
Такой сувенир, который можно создать самостоятельно, приурочив к значимому событию или памятной дате! Уникальность сувенира, созданного самостоятельно при помощи 3D-технологий, заключается в том, что он является авторским и неповторимым!
Для того, чтобы создать 3D-модель, которую в дальнейшем можно будет напечатать, необходимо создать её при помощи специальной программы. Для решения тех или иных задач используется то или иное программное обеспечение (ПО). На сегодняшний день существует великое множество и разнообразие программных продуктов и приложений для 3D-моделирования. Они различны по своим свойствам и возможностям: одни применяются строителями и инженерами, другие – зубными техниками и стоматологами, третьи – дизайнерами и скульпторами.
Учитывая мой возраст, мои возможности на сегодняшний день и те задачи, которые я поставил перед собой в рамках данной научно-практической работы, я выбрал для себя, пожалуй, самую элементарную программу для 3D-моделирования – TINKERCAD. Эта программа на столько проста в использовании, что ей могут пользоваться как обычные дети, не имеющие навыков программирования и моделирования, так бабушки и дедушки!
И так, я зарегистрировался в бесплатной (!!!) он-лайн версии программы TINKERCAD на сайте https://www.tinkercad.com.
В моём распоряжении оказался 3D-принтер PICASO DESIGNER X-PRO, работающий по FDM-технологии (послойного нанесения материала). Кстати, принтер PICASO DESIGNER X-PRO произведен в городе Зеленоград Московской области. Компания PICASO 3D – это первый российский производитель персональных 3D-принтеров и пластиков для них.
Данный принтер имеет рабочую камеру размером 20 х 20 х 21 см, что позволяет печатать изделия вышеуказанных геометрических параметров. На данном принтере можно печатать большим разнообразием пластиков: жесткими (ABS и PLA), гибкими (FLEX и RUBBER), нейлоном и т.д. Отличительной особенностью принтера PICASO DESIGNER X-PRO является его запатентованная двухэкструдерная печатающая головка JetSwitch, позволяющая одновременно печатать двумя материалами не только быстро, но и очень качественно. Для печати могут использоваться два одинаковых по структуре и свойствам материала, но разных цветов, либо один основной материал, а второй – материал поддержки. Материал поддержки используется при печати изделий, имеющих нависающие пространственные элементы.
Мое изделие также имеет нависающие элементы, но так как при печати я расположил его в другой плоскости, это позволило мне сделать его двухцветным!
Программа TINKERCAD имеет набор базовых форм, таких как цилиндры, сферы, параллелепипеды, торы, звезды, кольца и т.д. Кроме того, можно создавать объемные тексты и слоганы, используя буквы и цифры.
Также есть полезная функция импорта в программу уже готовых 3D-моделей, позаимствованных с таких сайтов, как https://www.stlfinder.com, https://www.myminifactory.com и других ресурсов. Загрузив в свой рабочий проект любой сторонний файл в виде изделия, будь то медали, кольца, подвески, скульптуры, игрушки…, можно редактировать его, изменять геометрические параметры, дополнять надписями и т.д.
Я позаимствовал символическое сердечко, которое, в последствии, стало одним из основных смысловых элементов моего проекта. Я скачал его с сайта https://www.myminifactory.com, сохранил на компьютере в папке «Загрузки», а в дальнейшем импортировал в свой проект.
На рабочей плоскости программы я отдельно написал слова: «Я», «ГИМН», «АЗИЯ», «CHINA», «JAPAN», «KOREA».
Отдельным этапом было создание цифры «2». Её размеры и форму я подгонял под уже имеющуюся модель и очертания сердечка. Это заняло у меня очень много времени! Если бы я взял за основу сердечко из имеющейся «библиотеки» программы TINKERKAD, то процесс прошёл бы быстрее. Но мне хотелось создать более изящное изделие, сделать его более уникальным и «воздушным».
Также туда я загрузил параллелепипед из базы основных элементов. Данный параллелепипед я подогнал по размерам (толщина, высоте и ширине) под «хвостик» цифры «2», чтобы он служил подиумом для слова «ГИМНАЗИЯ», являющейся квинтэссенцией моей работы.
В дальнейшем я скомплектовал всё в одну композицию. Глубину слов, цифр и сердечка я сделал разными, чтобы изделие получилось разноуровневое, что ещё в большей мере придало выражение и дополнительный объём моей работе.
Приложение:
Заключение
Я считаю, что за 3D-технологиями будущее человечества! Не за горами то время, когда 3D-принтеры и 3D-сканеры будут на каждом производстве, в каждом офисе, в каждом доме, в каждой квартире... Благодаря 3D-технологиям можно в независимости от внешних обстоятельств быстро и качественно напечатать практически любое функциональное или декоративное изделие.
Я благодарен судьбе, что имею возможность на этапе раннего развития и внедрения 3D-технологий в нашей стране, познакомится с этими передовыми техникой и технологиями и начать изучать и осваивать их.
Если ты обладаешь фантазией, усидчивостью, у тебя есть немного свободного времени и интерес к познанию чего ни будь нового, то 3D-моделирование и 3D-печать – это для тебя!
Список источников и литературы
https://www.rutvet.ru/in-istoriya-sozdaniya-3d-printerov-i-ih-princip-raboty-8253.html
http://yun.moluch.ru/archive/1/64/
https://trashbox.ru/topics/92193/chto-takoe-3d-printery-istoriya-primenenie-kak-vybirat
https://www.orgprint.com/wiki/3d-pechat/istorija-3d-pechati
http://plastic3d.ru/news/Kratkaya-istoriya-3D-printerov-s-kartinkami
Краткая история 3D-принтеров: http://plastic3d.ru/news/Kratkaya-istoriya-3D-printerov-s-kartinkami
3D-принтер: https://ru.wikipedia.org/wiki/3D-принтер
Обзор расходных материалов для 3Д-принтеров: http://zbotcc.ru/obzor-rashodnyh-materialov-dlja-3d-prin
Уникальный 3D-принтер производит синтетические ткани: http://texnomaniya.ru/technology/unikalnijj-3d-printer-proizvodit-sinteticheskie-tkani.html
https://picaso-3d.com/ru/about/