VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Практическое использование 3D-принтера
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ
С течением времени или по небрежности у механизмов может сломаться какая-то важная деталь и пользоваться механизмом становится невозможно. Выбрасывать – дорого и встает вопрос, где взять сломанную деталь и вернуть к жизни механизм. Крупные производители такие детали могут уже не выпускать и найти её крайне сложно или стоит она неоправданно дорого.
И тут новые современные технологии предлагают использовать
3D-печать. Эта технология позволяет создавать на основе компьютерной модели её точные копии из различных материалов. 3D-печать часто используется и для создания прототипов будущих изделий для промышленности.
Актуальность этой темы в том, что в настоящее время 3D-принтеры начали решать всё больше задач в абсолютно различных сферах жизни: в науке, искусстве, образовании, ювелирной промышленности и во многих других отраслях. С дальнейшим распространением 3D-принтеров человечество ждет технологический прорыв. Ученые-футурологи уже описывают будущее, где все вещи не будут покупать в магазинах, а будут скачивать в Интернете и распечатывать. Ученые считают, что бытовое применение технологий 3D-печати может снизить экологический урон, наносимый промышленностью, за счет снижения объемов расходуемых материалов и затрат энергии и топлива на перевозку материалов и товаров.
Постановка цели и задач
Цель работы: изучение возможностей технологии 3D-печати для создания прототипов механизмов.
Задачи:
- изучить информацию о возможных методах 3D-печати;
- изучить программы для создания трёхмерных моделей;
- разработать 3D-модель и напечатать ее на 3D-принтере;
- проанализировать полученный результат.
Гипотеза: технология 3D-печати позволяет создавать детали механизмов.
Объект исследования: этапы и виды 3D-печати, программы и оборудование.
Предмет исследования: возможность быстро и экономично изготовить необходимую человеку деталь.
Методы исследования:
теоретический анализ источников и сравнение различных технологий 3D-печати;
проведение эксперимента по созданию модели выбранной детали;
наблюдение за процессом печати в целях определения качества полученной копии;
анализ финансовой составляющей 3D-печати необходимой детали.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ТЕХНОЛОГИЯХ 3D-ПЕЧАТИ
Когда известного французского скульптора Огюста Родена спрашивали, как он создает свои статуи, он отвечал: «Я беру глыбу мрамора и отсекаю от нее все лишнее». Так обычно люди создают все предметы, за счет удаления лишнего материала путем вырезания, вытачивания, высверливания и т.п. Такое традиционное производство называют «субтрактивным» (от слова subtractive – вычитание).
3D-печать – полная противоположность традиционных методов механического производства. Она представляет собой «аддитивное» производство (от слова additio – прибавление). Аддитивное производство строит объекты на основе цифровой модели за счет добавления необходимого материала слоями, а не удаления лишнего.
Основателем 3D-печати считают американского ученого Чарльза Халла. В 1983 году ему пришла идея нанести смолу тонкими слоями один поверх другого и закрепить полученную форму ультрафиолетовым светом. Халл смог наложить друг на друга тысячи ультратонких слоев пластика и создать настоящий трехмерный объект. Так появился первый 3D-принтер. Сегодня все 3D-принтеры работают на базе технологии Халла. Имя ученого занесли в списки Национального зала славы изобретателей США.
3D-модели создаются методом компьютерного дизайна или в результате 3D-сканирования. Моделирование в специальной программе - редакторе напоминает создание скульптуры. В результате же 3D-сканирования данные реально существующего объекта автоматически собираются и преобразовываются в цифровую трехмерную модель.
Во время печати принтер считывает из файла трехмерной модели нужные данные и наносит один за другим слои жидкого, порошкообразного или иного материала, выстраивая трехмерную модель. Эти слои соединяются или сплавляются вместе для создания цельного объекта нужной формы. Построение модели занимает от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от размера и сложности модели.
В настоящее время существует несколько технологий 3D-печати в зависимости от метода нанесения слоев и используемых материалов. Все они отличаются между собой трудоемкостью, качеством и стоимостью созданных изделий.
Некоторые методы основываются на плавке или размягчении материалов для создания слоев: лазерное спекание, лазерная плавка, послойное наплавление. Другое направление – производство твердых моделей за счет затвердевания жидких материалов. Существует ламинирование листовых материалов, когда тонкие слои материала вырезаются и соединяются в единое целое. Некоторые методы 3D-печати позволяют использовать несколько материалов разных цветов.
Давайте проанализируем и сравним эти технологии, чтобы понять, какая подходит для решения нашей задачи.
Стереолитография
В емкость заливают специальное вещество – фотополимер. Луч лазера по команде компьютера начинает «рисовать» в этой жидкости слой за слоем изделие. В точке соприкосновения с лучом фотополимер твердеет, формируя модель. После завершения постройки, изделия промываются от остатков полимера.
Стереолитография позволяет наносить слои в несколько раз меньше толщины человеческого волоса и создавать модели очень высокого разрешения. Это позволяет создавать прототипы зубных протезов и ювелирных изделий. Но есть недостаток - очень высокая цена полимерной смолы (один литр стоит около 6000 рублей), а стоимость принтера превышает несколько миллионов рублей. Кроме того, невозможна цветная печать и сочетание разных материалов.
Порошковая печать
Одним из методов 3D-печати является спекание порошковых материалов. Слои модели вычерчиваются (спекаются) тонким слоем порошкообразного материала, после чего платформа опускается, и наносится новый слой порошка. И так повторяется до получения цельной модели. Для спекания на порошок воздействуют лазером. Таким методом возможно создавать очень сложные модели и скорость выше, может достигать 40 мм в час. Но требуется очень мощный лазер, а поэтому цена таких 3D-принтеров превышает несколько десятков миллионов рублей. Поэтому это не наш вариант!
Ламинирование
Для создания модели тонкие листы материала разрезаются лазерным лучом или специальным лезвием, а потом соединяются между собой. При этом в качестве материала может использоваться не только пластик, но даже бумага, керамика или металл. Чаще всего модели изготавливаются из обычной бумаги. Сперва пачка бумаги загружается в обычный цветной принтер и на каждом из листов в цвете печатается нужный слой. Затем отпечатанные листы переносятся в 3D-принтер, где специальным лезвием на каждом из них делается прорезь по границе нанесенного изображения, а потом листы склеиваются между собой. Потом вручную удаляют лишнюю бумагу, не содержащую изображения. В процессе работы получается довольно много бумажных отходов. Модели получаются довольно прочными, а их стоимость крайне низкой - бумага ведь дешевая!
Послойное наплавление
Сейчас это самая популярная и распространённая технология 3D-печати. Для изготовления очередного слоя материал нагревается в печатающей головке до полужидкого состояния и выдавливается в виде нити на предыдущем слое, соединяясь с ним. Головка перемещается и постепенно «рисует» каждый новый слой. В качестве материала чаще всего используются пластики. Данной технологии присуща невысокая скорость работы и не самая высокая точность модели. Прочность модели также невысока. Но низкая цена на принтеры и расходный материал (пластик) делают эту технологию, самой оптимальной для бытовых задач.
Для нашего проекта мы выбрали именно этот вид 3D-печати.
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В ходе изучения материалов в сети Интернет мы узнали, что 3D-модели можно разрабатывать на онлайн сервисах: в интернете много бесплатных программ моделирования для 3D-прототипирования, например: Blender, TinkerCAD, 3DSlash и другие. Программы позволяют несколько простых фигур (например - шар, куб, цилиндр и т.п.) изменять и объединять в один сложный объект. Чтобы понимать, как формируется цифровая компьютерная модель, мы изучили и приобрели навыки работы в 3D-редакторе Blender эта программа позволяет сохранять модели в общепринятом формате «.stl». В файле этого формата записываются все параметры 3D-объекта, что позволяет переносить и открывать на других компьютерах.
Таким образом, цифровая модель не требует материальных затрат и может быть создана в бесплатном редакторе или скачана с бесплатных интернет-сайтов. Мы не стали использовать 3D-сканирование потому, что выбранная для проекта деталь была не несложная – крепежная платформа для фотоаппарата для штатива Levenhuk TR100. Эта платформа была утеряна во время школьной астрономической экспедиции. При дальнейшем развитии проекта мы планируем на практике изучить возможности 3D-сканирования.
Эксперимент запланировали провести в несколько этапов:
разработать 3D-модель платформы на онлайн сервисе
для использования школьного 3D-принтера, заправить его необходимым материалом,
загрузить в компьютер цифровую модель необходимого объекта,
распечатать его.
Для нашего проекта мы использовали школьный принтер 3D Designer PRO250. Этот принтер работает по технологии послойного наплавления пластика.
В принтер была заправлена пластиковая нить серого цвета. После загрузки с компьютера в принтер цифровой модели платформы, принтер начал его печать. Печать детали заняла 30 мин. 34 сек.
В результате моего эксперимента в лаборатории 3D-прототипирования получен образец платформы, выполненной по технологии послойного наплавления. Образец получился не очень высокого качества, однако при дополнительной обработке она вполне может быть использован для замены потерянной платформы. Неровности на детали вызваны плохим охлаждением печатающей головки и мы их загладили с помощью ацетона.
Далее я попыталась определить финансовые затраты на изготовление нашей детали.
В результате изучения цен на интернет-сайте Яндекс.Маркет (market.yandex.ru) мы узнали, что стоимость пластиковой нити составляет около 1400 рублей за 1 кг. На электронных весах напечатанная платформа весила 75г. Таким образом, стоимость материала на такую деталь составила 105 рублей (1400x0,075=4).
Изучив технические характеристики принтера, я узнала, что он потребляет 400 ватт электричества в час. Наша деталь печаталась полчаса, то есть было потрачено 200 ватт. Московский тариф на электроэнергию в настоящее время в среднем 4 рубля за 1 киловатт в час. Таким образом, стоимость потраченной принтером электроэнергии составила 80 копеек (4/5=0,8).
В итоге, общая стоимость созданной детали составила 105 рублей 80 копеек.
Таким образом, стоимость печати модели таким способом крайне низка и доступна широкому кругу людей.
ВЫВОД
В ходе реализации нашего проекта выдвинутой гипотезы о том, что технология 3D-печати позволяет создавать необходимые детали и предметы подтвердилась. Но в настоящее время еще существует сильная зависимость нужного результата от выбранного метода 3D-печати и оборудования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе проектной работы, мы многое узнали о технологии 3D-печати, о ее видах. Освоили программу 3D-моделирования Blender. Мы смогли самостоятельно изготовить необходимую нам деталь. Продолжая работать над проектом, мы надеемся освоить 3D-сканировании, собрать материал об использовании аддитивной технологии в промышленности и в медицине.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Оборудование и методические материалы Точки роста
Акбутин Э. А., Доромейчук Т. Н. 3D-принтер: история создания машины будущего // Юный ученый. — 2015. — №1. — С. 97-98.
Краткая история 3D принтеров (http://plastic3d.ru/news/Kratkaya-istoriya-3D-printerov-s-kartinkami)
Всё о 3D-печати. Аддитивное производство. Основные понятия. (https://3dtoday.ru/wiki/3D_print_technology/)