Исследовательская работа «Практическое использование 3D-моделирования»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение  

«Пятницкая средняя общеобразовательная школа

Волоконовского района Белгородской области»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

на тему

«Практическое использование 3D-моделирования»

Работа ученицы 10 класса Коваленко Карина

Руководитель: Дегтяренко А.В.

2018 год

СОДЕРЖАНИЕ

1. Обоснование темы
2. Постановка цели и задач
3. Гипотеза, объект, предмет и методы исследования
4. Теоретический анализ источников информации о технологиях 3D-печати
5. Экспериментальная часть
6. Исследование осведомленности учеников нашей школы о 3D-печати
7. Вывод
8. Заключение
9. Список использованных источников

1. ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ

        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 мне интересны возможности 3D-печати для создания определённой вещи, которая нужна человеку в быту. Я хотела бы на практике проверить, насколько технологии 3D-печати могут помочь человеку в повседневной жизни и решить какую-то бытовую проблему.

Актуальность этой темы придает 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. Ученые-футурологи уже описывают будущее, где все вещи не будут покупать в магазинах, а будут скачивать в Интернете и распечатывать. 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.

2. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ

        Целью моей работы было изучение возможностей технологии 3D-печати, а также определение степени знакомства школьников с этой технологией и её перспективами.

        При достижении этой цели мне 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;

- найти научно-технические или образовательные учреждения, где можно напечатать пробный образец, посетить выбранную лабораторию для проведения эксперимента по печати модели и проанализировать полученный результат;

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

3. ГИПОТЕЗА,

ОБЪЕКТ, ПРЕДМЕТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

        В ходе работы я выдвинула 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 я применяла 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;
• анализ финансовой составляющей 3D-печати необходимой детали.

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ

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.

        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.

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!

        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.

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 я выбрала именно этот вид 3D-печати.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

        В ходе изучения материалов в сети Интернет я узнала, что в продаже уже есть множество моделей 3D-принтеров, а цены на простые китайские модели начинаются от 10 тысяч рублей. Кроме того, 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.) именять и объединять в один сложный объект. Чтобы понимать, как формируется цифровая компьютерная модель, я дома самостоятельно изучила и приобрела навыки работы в 3D-редакторе Blender. Этот редактор я выбрала потому, что в нём можно также создавать сложные 3D-сцены с установкой источников света и камеры и даже делать анимацию. Все эти программы позволяют сохранять модели в общепринятом формате «.stl». В файле этого формата записываются все параметры 3D-объекта, что позволяет переносить и открывать на других компьютерах. Я узнала, что существует уже множество интернет-сайтов (myminifactory.com, thingiverse.com, 3dshook.com), где в этом формате можно бесплатно скачать для 3D-печати цифровые модели разных предметов и даже игрушек.

        Таким образом, цифровая модель не требует материальных затрат и может быть создана в бесплатном редакторе или скачана с бесплатных интернет-сайтов.

        Я не стала использовать 3D-сканирование потому, что выбранная для эксперимента несложная деталь (например - болт) этого не требовала и это бы все усложнило, а итоговый результат стал бы дороже. При дальнейшем развитии моего проекта я планирую на практике изучить возможности 3D-сканирования.

        Эксперимент я запланировала провести в несколько этапов: выбрать подходящую модель принтера, заправить его необходимым материалом, загрузить в компьютер цифровую модель необходимого объекта, распечатать его, измерить время печати и вес получившегося объекта, проанализировать финансовую составляющую 3D-печати.

        Свой эксперимент я решила провести в лаборатории 3D-производства в Технопарке, где установлены относительно дорогие модели принтеров. Для печати был выбран принтер 3D Designer PRO250, который производится на российском заводе и стоит около 120 тысяч рублей. Этот принтер работает по технологии послойного наплавления пластика.

        В принтер была заправлена пластиковая нить зеленого цвета. После загрузки с компьютера в принтер цифровой модели болта, принтер начал его печать. Печать детали заняла 30 мин. 34 сек.

        В результате моего эксперимента в лаборатории 3D-прототипирования получен образец болта, выполненной по технологии послойного наплавления. Образец получился не очень высокого качества, однако при дополнительной обработке он вполне может быть использован для ремонта сломанного механизма. Как мне объяснил специалист, неровности на детали вызваны плохим охлаждением печатающей головки и их возможно потом загладить ацетоном, который продается во многих магазинах.

        Далее я попыталась определить финансовые затраты на изготовление нашей детали.

        В результате изучения цен на интернет-сайте Яндекс.Маркет (market.yandex.ru) я узнала, что стоимость пластиковой нити составляет около 800 рублей за 1 кг. Я взвесила на электронных кухонных весах напечатанный болт и определила, что он весит 5 грамм. Таким образом, стоимость материала на такую деталь составила 4 рубля (800x0,005=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 4 рубля 80 копеек (4+0,8=4,8). Правда, в расчёт я не включила стоимость использованного оборудования.

        Таким образом, стоимость печати модели таким способом крайне низка и доступна широкому кругу людей.

        Но, на мой взгляд, в настоящее время качество печати методом послойного наплавления недостаточное. Остается надеяться, что в будущем принтеры будут совершенствоваться или снизится стоимость фотополимерных принтеров.

        Кроме того, использованный мною принтер печатает только одним цветом, что очень ограничивает возможности творчества.

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСВЕДОМЛЕННОСТИ

УЧЕНИКОВ НАШЕЙ ШКОЛЫ О 3D-ПЕЧАТИ

        Чтобы понять, насколько новая технология уже вошла в жизнь каждого из нас я провела в интернете опрос, в котором приняли участие 67 учеников нашей школы. Для оформления анкеты мню был использован бесплатный интернет-сервис www.survio.com (www.survio.com/survey/d/P2F3G8V1F4O8V1E7L).

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.

7. ВЫВОД

        В ходе моей 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.

8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

        В ходе исследовательской работы, я многое узнала о технологии 3D-печати, о ее видах. Я освоила программу 3D-моделирования Blender и даже планирую в дальнейшем попробовать сделать 3D-мультик. И в этом мне могут пригодится размещенные в интернет многочисленные 3D-модели, которые я нашла, пока готовилась к печати на 3D-принтере. Я своими глазами увидела, как работают современные принтеры разных видов и разницу в качестве печати. Я узнала о возможности проведения опросов дистанционно с использованием интернет-сервисов и, конечно, мне было очень интересно узнать мнение одноклассников об технологии 3D-печати.

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

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

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/
4. Фотографии - istockphoto.com