Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Кунашакская средняя общеобразовательная школа»

 «3D моделирование и печать!»

Научно-исследовательская работа учеников

МКОУ «Кунашакская СОШ»

Выполнил:

Ахмадеева Ирина

Зарипова Ксения

Мулдабаев Рустэм

Абдрахманов Руслан

Абдуллин Владислав

ученики 8 «А» класса

Научный руководитель: Валеева Р.Р.

учитель информатики и ИКТ

Кунашак

2021

Содержание

Введение        3

Основная часть        5

Глава 1. Анализ источников информации о технологии 3D-печати.        5

1.1.        Стереолитография        6

1.2.        Порошковая печать        7

1.3.        Ламинирование        7

1.4.        Послойное наплавление        8

Глава 2. Исследование осведомленности учеников нашей школы о 3D-печати        9

Вывод опроса        10

Заключение        11

Список литературы        12

Введение        

        Некоторые из нас наверняка сталкивались с ситуацией, когда в какой-то нашей вещи из-за времени или по небрежности ломается какая-то важная деталь из-за которой пользоваться любимой вещью становится невозможно. Выбрасывать вещь дорого или просто жалко и встает вопрос, где взять сломанную деталь и вернуть к жизни любимую вещь. 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, но нам интересны возможности 3D-печати для создания определённой вещи, которая нужна человеку в быту. Мы хотели бы на практике проверить, насколько технологии 3D-печати могут помочь человеку в повседневной жизни и решить какую-то бытовую проблему.

Актуальность этой темы то, 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. Мир, где каждый сможет создавать вещи по собственному усмотрению, не прибегая к помощи крупных корпораций. Из-за этого сокращение крупного промышленного производства может в будущем привести мировую экономику к кризису и вызвать тотальную безработицу. Но ученые также 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.

        Цель нашей работы изучение возможностей технологии 3D-печати, а также определение степени знакомства с этой технологией и её перспективами.

        При достижении этой цели нам необходимо решить ряд задач:

- изучить информацию о возможных методах 3D-печати для их анализа и сравнения;

- выбрать и изучить одну из программ для создания трёхмерных моделей и создать опытный образец;

- провести опрос учеников школы относительно их осведомленности о возможностях использования 3D-печати.

        В ходе работы мы выдвинули гипотезу: технология 3D-печати позволяет создавать уникальные детали и предметы, даже те, аналогов которым не существует, но большинство школьников не совсем знакомы с появившимися техническими возможностями.

        Объект исследования: этапы и виды 3D-печати, программы и оборудование, мнения учеников нашей школы.

        Предмет исследования: возможность быстро и экономично изготовить необходимую человеку деталь.

        В ходе исследования мы применяли разные 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;
• проведение анкетирования учеников школы.

Основная часть

Глава 1. Анализ источников информации о технологии 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.

1. 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.

        Когда я посещала лабораторию 3D-прототипирования в Технопарке я посмотрела, как работает профессиональный принтер для печати фотополимером ZBUILDER ULTRA. Это очень большой и тяжелый, а главное дорогой, аппарат высотой выше моего роста. Скорость выращивания модели довольно низкая - около 13 мм в час.

        На мой взгляд, такая технология для решения стоящей передо мной бытовой задачи непригодна. Стоимость детали может превысить стоимость всего сломанного механизма.

2. 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!

3. 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!

        Я не видела, как работает такой принтер, но подержав в руках модели из бумаги, поняла, что этот вариант нам также не подходит, потому что они красивые, но очень непрочные и боятся влаги.

4. 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, на мой взгляд, самой оптимальной для бытовых задач.

        Для своего эксперимента мы выбрали именно этот вид 3D-печати.

Глава 2. Исследование осведомленности учеников нашей школы о 3D-печати.

        Чтобы понять, насколько новая технология уже вошла в жизнь каждого из нас мы провели опрос, в котором приняли участие 67 учеников нашей школы.

Результаты ответов на вопрос «Видели ли Вы, как печатает 3D-принтер?» показывают, что две трети школьников знают о 3D-печати и видели, как происходит печать.        Но это знакомство с технологией все-таки больше теоретическое, что показывают ответы на вопрос «Держали ли Вы когда-нибудь в руках вещь, напечатанную на 3D-принтере?». Три четверти школьников никогда не держали в руках результат 3D-печати.

        Хочу отметить, что у школьников большой интерес к этой технологии и более половины опрошенных хотели бы глубоко изучать 3D-моделирование и меньше одной десятой, кому это вообще не интересно. Этот опрос подтверждает актуальность выбранной мною темы.

        Три четверти опрошенных считают, то в будущем 3D-принтеры появятся в каждом доме. Думаю, что основным здесь является желание иметь возможность самим печатать нужные вещи, то есть решать именно ту проблему, которую я определила предметом своего проекта.

        Вывод опроса

        В ходе нашей исследовательской работы первая часть выдвинутой гипотезы о том, то технология 3D-печати позволяет создавать уникальные детали и предметы, даже те, аналогов которым не существует, полностью подтвердилась. Но в настоящее время еще существует сильная зависимость нужного результата от выбранного метода 3D-печати и оборудования.

        Вторая часть гипотезы, о том, что большинство школьников не совсем знакомы с возможностями 3D-печати, не совсем подтвердилась. Большинство, как минимум слышали об этом, однако лично ещё никогда не сталкивались с этой технологией. Однако, то что подавляющему большинству интересна 3D-печать и они готовы её углубленно изучать, говорит о её больших перспективах.

Заключение

        В ходе исследовательской работы, мы многое узнали о технологии 3D-печати, о ее видах. Мы сами можем создавать и распечатывать модели и узнали, как работают современные принтеры. Я узнала о возможности проведения опросов создания диаграмм в программе MO Excel и, конечно, нам было очень интересно узнать мнение обучающихся об технологии 3D-печати.

        Однако у нас возникло ещё много вопросов, например, о 3D-сканировании, об опасностях 3D-печати запрещенных предметов (оружия), о возможностях 3D-печати в медицине. Поэтому, мы планируем продолжать исследовать эту тему.

Список литературы

1. Оборудование и методические материалы Технопарка Центра молодежного инновационного творчества, проектирования, прототипирования и производства (3dideas.ru)
2. Интернет-сайт 3dtoday.ru/wiki/3D_print_technology/
3. Интернет-сайт 3d-format.ru/technologies/