Научно-исследовательская работа по искусству "Мир фантазии в твоих руках"

Основная часть

1. Из истории создания 3D-ручки

На самом деле, 3D-ручка является не новым изобретением, но все же она продолжает поражать своими возможностями. Это такой гаджет^[1], который способен навсегда изменить представление о рисовании, поскольку он позволяет отложить примитивное рисование на бумаге, давая возможность творить в пространстве.

Технология изготовления физических трехмерных объектов с использованием цифровых данных была впервые разработана Чарльзом Хуллом в 1984 г. В 1986 г. он получил патент на свое изобретение и назвал данную технологию Стереолитография^[2]. После получения патента, Чарльз Хулл основал компанию 3D Systems и разработал первый промышленный станок для 3D-печати. Так как термин «3D-принтер» в то время еще не использовался, станок назывался просто «аппарат для стереолитографии». В 1988 г., основываясь на откликах клиентов о станке, компания разработала усовершенствованную модель 3D принтера SLA-250 и было начато его серийное производство [4].

 Самые первые трехмерные устройства были немаленькими по размерам, при этом имели возможность производить лишь небольшое количество объектов. Использовать подобную технику могли позволить себе далеко не все, поскольку стоимость новой техники выходила за рамки 10 тыс. долларов (около 600 тыс. рублей).

Но поскольку экономика не стояла на месте, потребность в ускорении производства 3D-принтеров тоже росла. Ведь всем известно, что успешен тот бизнес, который успел одним из первых заполнить рынок новинками.  

 В 2012 году Компания 3D Systems выпустила на рынок персональный трехмерный принтер для домашнего использования 3D Cube [7]. С этого времени принтеры стали востребованы у архитекторов, у дизайнеров, в медицине, в пищевой промышленности. Свою нишу принтеры заняли даже в учебных учреждениях, которые их приобретали в целях освоения студентами инженерных профессий. В нашей школе тоже есть 3D-принтер. С помощью него на уроках робототехники мы планируем печатать детали для своих роботов, как это уже делают старшеклассники.

Но и на этом разработчики решили не останавливаться, и уже в 2013 году Питер Дилворс и Максвелл Боуг удивили мир новым открытием – 3D-ручкой [8]. Это легкое и компактное устройство для рисования пластиком, так сказать «ручной 3D-принтер», способный создавать объемные фигуры прямо в воздухе на основе современных технологий и материалов.

1.1. Устройство 3D-ручки

Моя 3D-ручка была в упаковке. Изучим ее содержимое (рисунок 1):

1) инструкция по применению 3D-ручки на английском и китайском языках, трафареты;

2) 3D-ручка;

3) адаптер^[3];

4) три пакетика с пластиком разных цветов (коричневый, светло-коричневый и серый).

Сама 3D-ручка внешне очень похожа на обычную ручку – только потяжелее и побольше. Еще она работает от розетки и немножко шумит во время работы. Пишет она не чернилами, а пластиком.

1.2. Механизм работы 3D-ручки

Для того чтобы лучше понять, как устроена эта чудо-ручка, мы сравнили ее и обычную ручку в разобранном виде (рисунок 2).

Оказалось, что стержень 3D-ручки находится у нее внутри и никак не вынимается, а чтобы она писала, нужно заправить ее специальной пластиковой нитью. Как и чернила в ручке, эта нить может быть разных цветов, которые идут в комплекте или их можно отдельно докупить в магазине. Специальный механизм внутри ручки подводит этот пластик к носику, и из него он уже расплавленный выдавливается наружу. Носик ручки очень горячий, из-за него пластик и плавится. И поэтому надо быть очень осторожным при рисовании 3D-ручкой. Мы разработали правила техники безопасности при работе с 3D-ручкой (Приложение 1).

1.3. Виды 3D-ручек

3D-ручки бывают нескольких видов:

• ручки, рисующие холодным пластиком.

Этот вид 3D-ручки не имеет нагревательного элемента. Через сопло ручки подается фотополимер^[4]. Он твердеет под воздействием встроенного в устройстве источника ультрафиолетового света. Как правило, затвердевание чернил происходит моментально. В качестве источника ультрафиолетового света выступают несколько ультрафиолетовых диодов [9].

В работе 3D-ручка использует картриджи с чернилами-полимерами. Фотополимеры выгодно отличаются от пластика тем, что они могут быть цветными, эластичными и люминесцентными, а также магнитными, ещё встречаются термополимеры, меняющие цвет в зависимости от температуры окружающей среды. Для того чтобы сменить расходный материал холодной 3D-ручки, достаточно сменить капсулу-картридж с чернилами. В ультрафиолетовой 3D-ручке нужно сначала выдавить фотополимер, придать ему требуемую форму, после чего осветить готовую заготовку ультрафиолетом.

3D-ручку необязательно подключать к электросети или USB-порту во время работы, поскольку она способна работать от встроенного аккумулятора, которого обычно хватает на пару часов непрерывной работы, а индикатор заряда устройства подскажет, когда пришло время подключить 3D-ручку к микро USB.

При использовании холодных 3D-ручек рекомендуется надевать специальные очки, защищающие глаза от ультрафиолетового излучения. Также отсутствие нагревательного элемента делает ненужным наличие шумного вентилятора и избавляет от вдыхания токсичных испарений пластика (в частности, горячего пластика).

• ручки, рисующие горячим пластиком

Такой тип 3D-ручки нужно подключать к электросети. Они могут питаться как от обычной розетки, компьютера, так и от переносного зарядного устройства. Происходит нагрев нити, после чего можно рисовать.

В работе используют следующие виды пластика: ABS, PLA, PRO и KID. Производители предлагают устройства, работающие с одним или несколькими видами материалов. Покупка инструментов, способных работать на нескольких видах материалов, выгодна. Если закончится один вид пластика, его всегда можно заменить другим.

ABS при плавлении неприятно пахнет (температура плавления: 210 - 240 ̊С). Поэтому при работе с ним нужно проветривать помещение. Работы, выполненные пластиком ABS, прочные и устойчивые к агрессивной среде, их можно мыть, протирать бытовой химией. Цветовая палитра пластиков ABS широкая: от классических до светящихся в темноте. ABS более насыщен в цвете, цвета все «плотные».

Пластик PRO обладает прозрачностью и эластичностью. Подходит для проектов больших размеров. Достаточно прочный, не имеет запаха. Цветовой спектр обширен: насыщенные глянцевые цвета, светящиеся, кристаллические, имитирующие металл и стекло. Температура плавления: 200 – 220 ̊С.

Для детского творчества подходят устройства, работающие на органическом материале. К ним можно отнести биоразлагаемый пластик PLA и KID.

Пластик PLA экологичен. Он прочный, но более жесткий. За счет него 3D-предметы становятся более гладкими и блестящими. При нагревании издает запах сладковатого кулинарного масла. Этот пластик более «липкий». Но в твердом состоянии, как правило, более «ломкий». Работы из PLA похожи на вкусный прозрачный леденец. С PLA-пластиком работают только ручки, оснащенные дисплеем. Температура плавления: 180 – 220 ̊С.

Пластик KID многоразовый. Использованный пластик можно применять неоднократно: стоит только полить на него горячую воду, и он становится гибкий, как пластилин. Пластик рекомендован для рисования 3D-ручками для детей младшего возраста, он безопасен от термоожогов и при рисовании не выделяет запахов. Цветовой спектр ограничен только натуральными оттенками. Температура плавления: 75 – 95 ̊С.

Таким образом, в продаже можно найти 3D-ручки, рисующие холодным и горячим пластиком. У каждой из них есть свои достоинства и недостатки, каждая из них имеет свою стоимость (Приложение 2). При покупке надо учитывать, для кого приобретается инструмент – для ребенка или взрослого, новичка или профессионала. Мне подарили 3D-ручку, рисующую горячим PLA пластиком.

2. Пластилин

Пластилин придумал в Англии в 1897 году преподаватель школы искусств Вильям Харбутт [11]. До этого его изобретения студенты-скульпторы пользовались глиной, которая быстро высыхала на воздухе. Для этого Харбутт добавил в состав своего изобретения соли кальция, вазилин и стеариновую кислоту. Получившийся в результате материал практически не сох, не прилипал к рукам, что позволяло студентам делать и без проблем переделывать свои скульптуры. Пластическая масса так и называлась «Пластилин». Сегодня этот пластилин можно найти под торговым названием «Мюнхенский художественный пластилин».

Большую популярность в обществе пластилин приобрел с 1900 года, когда в Германии его начали производить в промышленных масштабах. В него начали добавлять различные красители, в результате чего он стал разноцветным.

Сейчас уже существует огромное количество видов пластилина: шариковый, отскакивающий, восковой, застывающий, плавающий, нанопластилин, арт-пластилин. Продается он в различных формах: в шариках, брусочках, ведерках, ячейках и колбасках. Расскажу о тех, которыми пользовался я. (Приложение 3).

2.1. Пластилин отечественного производства

Достаточно прочный. С поделками из него можно долго играть, не опасаясь, что они развалятся. Отдельные элементы легко соединяются, образуя устойчивую композицию. Но, он очень твердый, и для начала его нужно разогреть и размягчить. Плохо оттирается от одежды и любой другой поверхности, кроме того, у него небогатая цветовая палитра.

2.2. Пластилин для детского творчества

На некоторых упаковках пластилина можно встретить надпись «Для детского творчества». В частности, такой пластилин выпускается под торговой маркой «Каляка-Маляка». Такой пластилин изготовлен по усовершенствованной формуле и обладает хорошим качеством. Пластилин для творчества хорошо разминается, смешивается и склеивается, обладает высокой пластичностью и отлично тянется. Он не прилипает к рукам и не оставляет масляных пятен, в отличие от классического пластилина. Благодаря своим свойствам и безопасности, пластилин для детского творчества подойдет для занятий дома и в саду с детьми от 3-ех лет.

2.3. Пластилин зарубежного производства

Отличается исключительной мягкостью и податливостью, яркостью, которую ему придают натуральные красители. Он не пачкает руки и одежду, легко очищается. Из-за его податливой фактуры и состава из растительных компонентов он рекомендован для самых маленьких детей. Но его мягкость – это и его недостаток. Поделки получаются не очень прочными и легко разваливаются. Отдельные детали плохо соединяются друг с другом. Если оставить баночку открытой, то быстро высыхает. Я пробовал добавлять воды в различных пропорциях, чтобы вернуть пластилину первоначальные свойства, но, к сожалению, это не помогло. Лепить из такого пластилина стало невозможно.

2.4. Шариковый пластилин

Не прилипает к рукам, обладает яркими, сочными цветами. Его лучше использовать для декора, облепливать формочки и фигурки. Приятно трогать руками, обладает терапевтическими свойствами. Поделки из него долго сохнут (около суток), а после высыхания остаются хрупкими. Играть с ними затруднительно.

2.5. Восковой пластилин

Мягкий и отлично склеивающийся материал. Имеет яркие, насыщенные цвета. Но при этом подходит для самых простых фигур, так как работать с ним тяжело из-за того, что он легко слипается.

2.6. Скульптурный пластилин

Это твердый профессиональный пластилин обычно серого или зеленого цвета. Он отлично держит форму и впоследствии окрашивается в разные цвета. Не подходит для маленьких детей из-за твердости, его чаще используют для занятий в художественных школах.

Я люблю лепить из пластилина для творчества «Каляка-маляка». Так как он не дорогой, много цветов, не липнет к рукам, хорошо тянется. Не нужно долго разминать. В своей работе для склеивания фрагментов фигуры использую зубные палочки, алюминиевую проволоку, фольгу.

Практическая часть

Чтобы разобраться, какой материал для создания объемных фигур лучше, пластилин или пластик, нужно было определить параметры для сравнения. Я выбрал следующие параметры:

1. Время, затраченное на создание фигуры.
2. Удобство в работе, безопасность при работе.
3. Внешний вид поделки.
4. Надежность и прочность изделия.

Результаты сравнения в таблице (Приложение 4).

Таким образом, анализируя данные таблицы, можно увидеть, что время, затраченное на создание фигур из пластилина, гораздо меньше. Мне удобней работать пластилином, он мне больше нравится. Вылепив различные фигуры,  я придумываю сюжеты для будущих игр. Изготовление пластилиновых поделок – увлекательное занятие, дающее радость.   Кроме того, работать пластилином оказалось безопасней (Приложение 1).  При работе 3D-ручкой я сначала изучил правила по технике безопасности (Приложение 1), но в процессе работы я несколько раз обжёгся, пластиковая нить постоянно запутывалась, один раз и вовсе преломилась. Поделки, созданные 3D-ручкой и пластилином, для меня имели одинаково привлекательный внешний вид. Но вот по прочности и надежности поделки, созданные с помощью 3D-ручкой, оказались прочнее. К тому же, данные поделки мы используем в своей повседневной жизни как  украшение интерьера. Доказательство тому служит тот факт, что мои поделки участвовали в школьных конкурсах «Рождественская открытка» и «Новогодняя поделка» (совместно с сестрой). До сих пор данные поделки сохранили свой отличный внешний вид. Мы их будем использовать для украшения интерьера дома на Новый год и Рождество. Поделки же из пластилина через некоторое время, находясь на полке в моей комнате, начали падать, потребовались дополнительные крепления. Под воздействием солнечного света, они «таяли», становились мягкими, ломались. Некоторые поделки с использованием пластилина и вовсе не удалось сохранить. Например, фоторамка. Фотография приобрела жирные пятна, испортилась.

Заключение

До моего знакомства с 3D-ручкой, я создавал поделки, используя пластилин. Совершенствовал их с помощью зубочисток, проволок и других подручных материалов. У этих фигур было несколько недостатков: при игре с друзьями они часто ломались, на солнце плавились, пачкались от пыли и грязи. Пластиковые же фигуры, сделанные 3D-ручкой, по сравнению с поделками из пластилина, должны быть более прочными, долговечными и если запылятся, то я всегда смогу их протереть влажной тряпочкой или помыть водой.

В результате исследовательской работы   я изучил  возможности 3D-ручки, механизм ее работы. Я понял, что филамент (пластик, которым рисует ручка) плавится при высокой температуре. Работать ручкой нужно очень осторожно, соблюдая правила техники безопасности. Горячий пластик достаточно липкий, чтобы соединять детали, быстро остывает и не прилипает к другим поверхностям, не растворяется в воде, не портится от мыла, достаточно прочный (если наложить его несколькими слоями), очень быстро сохнет. Можно рисовать фигуры разных форм, делать надписи, использовать разные цвета. Благодаря этому можно делать не только игрушки, но и полезные вещи для дома, подарки и сувениры для родных и друзей: петушок на Пасху, очки, снежинки, рамку и другие. Изделия получаются прочными, долговечными, практичными и красивыми. Таким образом, моя гипотеза подтвердилась полностью.

В дальнейшем я хочу реализовать идею создания фигур, которые будут объединять как работу с пластилином, так и работу с 3D-ручкой. На это меня вдохновило движение мейкеров. Они в своем творчестве используют такое смешение традиционных и современных материалов, в результате у них появляются новые неожиданные вещи! Кроме того, можно комбинировать материалы, использовать не только пластилин и пластик, но и бумагу, дерево, стекло, чтобы поделки становились все более интересными. Этим я думаю заняться на будущий год.  

 Своей работой я поделился с ребятами из класса. Многие из них уже слышали о  3D-ручке, у некоторых она есть дома, а некоторые сказали, что попросят маму купить. Но никто из них и не задумывался о том, что с помощью нее можно сделать поделки для дома, подарки друзьям. Они были в восторге от фигур из пластилина. Стали предлагать сюжеты для игр. Мои работы, сделанные 3D-ручкой, участвовали в школьных конкурсах.