XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изготовление 3-D модели полимерного гипса
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность моей работы заключается в том, что применение компьютерной техники в современной жизни стало незаменимым. Одним из перспективных направлений развития компьютерных технологий является создание трехмерных моделей объекта (3D). 3D моделирование — это процесс создания виртуальных объемных моделей любых объектов, позволяющий максимально точно представить форму, размер, текстуру объекта, оценить внешний вид и эргономику изделия. Основной задачей 3D-моделирования является разработка визуального объемного образа желаемого объекта, который может быть как реальным, так и полностью абстрактным. Абстракция позволяет оценить элемент, устранить возможные ошибки, усовершенствовать презентаций. Ведь вещь, которую можно увидеть собственными глазами и даже потрогать, выглядит гораздо убедительнее, чем обычный чертеж. Такое решение часто конструкцию и трезво оценить изделие до того, как оно поступит в производство. Предмет воссоздается до последних мелочей и соответствует техническому заданию. Такая тщательность позволяет усовершенствовать его и получить более прибыльное и эффективное производство. Презентация с использованием виртуально смоделированных деталей изделия в последнее время становится наиболее популярным способом представить новую продукцию. Такая востребованность объясняется эффективностью демонстрации и возможностью наглядно показать все преимущества нового продукта.
Уже сегодня 3D графика активно применяется в науке, промышленности, архитектуре и дизайне, медицине и других областях для визуализации происходящих процессов, элементов зданий, деталей машин, механизмов и т.д., что позволило значительно повысить эффективность производства. Например, до недавнего времени работу по созданию спецэффектов в кинематографии выполняли в специальных павильонах с использованием физических моделей, методов прозрачной фотографии и т.п., что занимало много времени и требовало привлечения большого количества людей и материалов. Теперь для решения этой проблемы достаточно посадить одного человека за персональный компьютер, на котором установлено программное обеспечение, позволяющее создать спецэффекты.
На сегодняшний день разработано большое количество программ, позволяющих создавать трёхмерные сцены и объекты. Среди наиболее популярных можно назвать такие программы, как 3D studio Max2, Blender и Auto-CAD (применяется в основном инженерами и проектировщиками для создания чертежей и пространственных моделей).
Объект исследования: изучение основных приемов трехмерного моделирования.
Предмет исследования: создание 3D модели полимерного гипса в программеBlender.
Цель проекта: изучить программу Blender и разработать с помощью нее 3D модель полимерного гипса.
Задачи:
- подобрать и изучить материал по теме исследования;
- изучить правила работы с программой Blender;
-создать с помощью программы Blender модель полимерного гипса;
- обобщить и сделать выводы.
Гипотеза: 3D моделирование в Blender можно освоить за неделю.
Практическая значимость: практическая значимость моего проекта заключается в популяризации 3D–моделирования.
Глава 1. Теоретическая часть
1.1 История появления первого гипса
Иммобилизация костных фрагментов с помощью наложения различных отвердевающих субстанций при лечении переломов проводилась с давних времен. Арабские врачи использовали глину, в Европе применяли отвердевающие смеси камфорного спирта, свинцовой воды и взбитого белка, крахмала с гипсом использовались также крахмал, декстрин, столярный клей.
Одним из первых европейских врачей, успешно применившим для этих целей гипс, был русский хирург Карл Гибенталь в 1811 или 1812 году, однако он и его современники использовали гипсовые формы, а не повязки.
В 1851 году голландский хирург Матейсен стал применять повязки из ткани, предварительно натертой сухим гипсом, смачивая повязку водой после наложения с помощью губки.
В 1853 году Ван-де-Лоо усовершенствовал этот метод, предложив смачивать водой натёртую гипсом ткань до наложения повязки. Королевская академия медицины Бельгии считает Матейсена и Ван-де-Лоо изобретателями гипсовой повязки.
Советско-российская историография считает изобретателем гипсовой повязки русского хирурга Николая Ивановича Пирогова. В 1847 году во время боевых действий на Кавказе он впервые применил фиксирующую «налепную повязку». В качестве отвердевающего реагента сначала использовался крахмал, который Пирогов в дальнейшем заменил на коллоидин, гуттаперчу, и, наконец, на гипс. С 1852 года Николай Пирогов и его последователи успешно применяли гипсовую затвердевающую повязку для лечения переломов. В 1854 году выходит в свет труд Н. И. Пирогова «повязка в лечении простых и сложных переломов и для транспорта раненых на поле сражения». Повязка Пирогова применяется без существенных изменений до наших дней.
Заливка гипсовой кашицей при переломах упоминается в трудах арабских учёных IX—XI веко. Современная гипсовая повязка представляет собой гигроскопический бинт, просыпанный гипсом, выпускается промышленно, в герметичной упаковке
В 2017 году инженеры из США и Нидерландов, вдохновленные технологией 3D-печати, разработали метод создания гипса для фиксации переломов костей. Основываясь на уже существующей технологии 3D-сканирования, они разработали процесс, где сканирование конечности переводится в печатный файл, который затем используется для создания гипса точной формы.
3D-печать в медицине действительно произвела революцию в области ортопедии и лечения травм. Использование 3D-технологий для создания индивидуализированных ортезов и гипсовых повязок позволяет не только улучшить комфорт пациента, но и повысить эффективность лечения.
1.2 Виды полимерного гипса
Скотчкаст – это жесткий полимерный бинт (искусственный или пластиковый гипс), который используется для фиксации поврежденных различными травмами участков тела и в скором времени, наверняка, заменит гипс обыкновенный.
По сравнению с традиционным гипсом этот современный материал абсолютно не хрупок, его практически невозможно сломать, поэтому допускается небольшая нагрузка на повязку. При этом скотчкаст прочен и легче обычного гипса почти в 5 раз.
Повязка на основе этого полимерного бинта позволяет коже «дышать», пропускает кожные испарения наружу и воздух с внешней стороны, противодействуя появлению зуда, мацерации или аллергии. Так как при использовании искусственного гипса не используется слой подкладочной ваты, повязка из этого материала не боится воды, и травмированный человек способен принимать душ и даже купаться в водоемах, отдыхая на пляже.
Кроме того, полиуретановая смола, находящаяся в основе материала, содержит вещество, которое не дает бинту прилипать к перчаткам, что заметно облегчает процесс наложения иммобилизирующей повязки, а сама структура скотчкаста позволяет обходиться гораздо меньшим количеством слоев по сравнению со стандартным гипсом.
Скотчкаст рекомендуется применять в следующих случаях:
- как замена гипса при изготовлении циркуляционных повязок;
- лонгеты;
- корсеты;
- при создании комбинированных повязок (лонгетно-циркулярные повязки) в сочетании с полужестким бинтом (софткаст).
Выпускается полимерный бинт в двойной упаковке, которая состоит из герметичной индивидуальной упаковки (полиэтилен и фольга) и общей, картонной, на 10 рулонов бинта и соответствует стандартам CE и ISO 9000. Изделие может быть самой разнообразной, цветовой гаммы (синий, красный, зеленый, бежевый и др.) и ширины. При стандартной длине 3,6м самая «ходовая» ширина обычно составляет 7,5см и 10см. Бинты с шириной 5см обычно используются в детской травматологии и ортопедии, а бинты шириной 12,5см применяют для наложения больших повязок, например, для корсетов или повязок на бедро, или тазобедренный сустав.
Полификс – это прочный и легкий материал лучшая альтернатива старому, вечно пачкающему все гипсу. Удобный в обращении, легко моется и не вызывает раздражения, имеет красивый и легкий дизайн и является абсолютно безопасным. Уникальная кристаллическая решетка делает материалы «Полификс» полностью прозрачными для рентгеновского излучения, что позволяет делать рентгеновские снимки контролируя процесс восстановления тканей на всем этапе лечения.
Официальный представитель компании Полификс, инновационный материал пришедший на замену старому и неуклюжему гипсу. Шины из материала Полификс могут использоваться так часто, как это необходимо потому, что они имеют 100% памяти и восстанавливают свое исходное положение при повторном нагревание. Их уникальный состав позволяет не только принимать душевые процедуры, но также заниматься любыми водными видами спорта.
Турбокаст — изделие из низкотемпературного термопластика, которое может приобретать любую форму для надежной и эффективной иммобилизации конечности. Он используется более чем в 70 странах. Пластиковый фиксатор позволяет проводить лечение переломов максимально комфортно для пациента и не требует соблюдения строгих ограничений в повседневной жизни.
Ортез Турбокаст выполняет такую же функцию, что и традиционный гипс. Он используется при переломах различной локализации в области верхней или нижней конечности. Изделие подходит для создания иммобилизирующих повязок разного размера и формы, одновременной фиксации нескольких суставов. Турбокаст может накладываться в сложных анатомических зонах — на кисти, в области голеностопа.
Преимущества Турбокаста:
- пластиковый ортез в 4-5 раз легче традиционного гипса, что обеспечивает комфорт для пациента;
- толщина изделия всего 2-4 мм, что придает ему эстетичный вид, позволяет надевать одежду на поврежденный участок тела;
- турбокаст устойчив к воде, поэтому пациент сможет принимать душ и ванну без ограничений;
- гипоаллергенный материал, который не вызывает раздражения и токсических реакций, подходит для пациентов с чувствительной кожей;
- наличие вентиляционных отверстий, которые предотвращают зуд, потливость кожи под гипсом и другие дискомфортные ощущения;
- возможность быстро снять гипс для обработки раны и других медицинских процедур, после чего повязку можно легко надеть снова;
- отсутствие помех при проведении рентгенологических снимков;
- возможность моделирования изделия путем повторного нагревания.
1.3 Преимущества полимерного гипса
Благодаря этой новаторской идее экзоскелетного гипса, напечатанного 3D-принтером и имеющего оригинальный дизайн, вам больше не придется мучиться, не зная, как почесать руку, зудящую под гипсом, или балансировать стоя на одной ноге в душе, чтобы не намочить загипсованную другую. Экзоскелетный гипс обеспечивает полную фиксацию и защиту сломанной кости, отлично вентилируется, просто перерабатывается, дружит с водой и помимо этого он еще и легкий. “После многих столетий шин и громоздких гипсов, которые были зудящим и воняющим бичом миллионов детей и взрослых по всему миру, мы наконец-то подняли фиксаторы переломов на уровень 21 века”.
Для создания гипса пациента сканируют рентгеном, находят перелом, затем зона перелома проходит 3D-сканирование и данные загружают в компьютер, который моделирует гипс, который, в свою очередь, затем печатается 3D-принтером. Финальный продукт имеет одну открывающуюся сторону, которая в последствии фиксируется прочными крепежами.
1.4 Применение полимерного гипса
Пластиковый гипс очень точно повторяет любые изгибы и при этом не деформируется от влаги или нажатия. Это существенно расширяет возможности его использования по сравнению с обычной гипсовой повязкой. Полимерная фиксация незаменима в следующих случаях:
Сложные переломы с осколками
При использовании обычного гипса достигается неполная иммобилизация, к тому же он может сползать, сжиматься или даже ломаться, что приведет к смещению костей.
Переломы пятки, локтя, запястья, бедра
При таких травмах лучшее заживление также сильно зависит от надежности фиксации костей. Кроме этого, важно чтобы суставы и мышцы не страдали от плотной, воздухонепроницаемой повязки.
Переломы мелких костей
При наложении обычного гипса приходится использовать большую повязку. Например, при переломах пальцев она продлевается на ладонь и часть предплечья. Полимерный гипс фиксируется намного надежнее, поэтому и его площадь будет меньшей.
1.5 Сроки реабилитации при использовании пластикового гипса
Комфорт — не единственное преимущество пластикового гипса. Врачи отмечают, что конструкция существенно упрощает лечение и помогает избежать осложнений после травм. Прежде всего, надежная повязка, которая не сползает и не деформируется, исключает смещение обломков костей. Поэтому даже сложные переломы заживают быстрее, не требуют коррекции.
Еще одно важное преимущество — такой гипс не задерживает рентгеновские лучи. Это значит, что при сложных травмах врач может контролировать срастание костей, не снимая при этом повязки — рентгенография проводится прямо через материал.
Полимерный гипс накладывается строго на поврежденное место, плотно прилегает, достаточно легкий и надежный, поэтому не сковывает движений так, как это делает классический вариант повязки. Это помогает сократить сроки реабилитации после перелома, избежать контрактур с последующей необходимостью длительной разработки сустава. Полимерный гипс практически исключает следующие осложнения:
- атрофия мышц и суставов (утрата подвижности конечности);
-нарушение питания хрящевой ткани (разрушение и воспаление хрящей);
- нарушения кровообращения и компрессия мягких тканей (пролежни, повреждение мышц и суставов).
Глава 2. Практическая часть
2.1 Создание объекта полимерного гипса с помощь программы Blender
Для создания объекта на ноутбук загружена программа Blender версии 2.8. Эта версия оптимальна по системным требованиям для ноутбука с минимальными показателями ﴾64-битный двухъядерный процессор, 4 Гб оперативной памяти, видеокарта, размер памяти которой превышает 1 Гб), но имеет большой набор функций для создания трехмерных моделей.
Для изготовления 3-D модели полимерного гипса, я воспользовался пошаговой инструкцией:
-изучил моделирование в программе Blender, посмотрев обучающие видеоролики;
-удалил все лишние детали и модели в поле для моделирования;
-выбрал подходящую фигуру для нужной нам модели, в нашем случае для создания «Полимерного гипса» и приступил непосредственно к самому процессу моделирования.
-растянул базовую модель с помощью посторонних meh объектов и модификаторов, тем самым начав выстраивать модель;
-после создания самой базы подходящей формы с помощью модификатора «логический» я начал создавать отверстия в будущем 3d гипсе для комфортной носки;
-с помощью тех же meh фигур и того же модификатора я добавил модели крепления, которые помогут гипсу крепко держаться на руке.
После проделанной работы я начал шлифовать и зачищать изделие, чтобы получить конечный результат.
Советы:
-добавляйте столько деталей, сколько вам нужно. Добавление слишком большого количества граней, ребер и вершин к объекту может замедлить работу компьютера и привести к длительному рендерингу;
-прежде чем моделировать сложный объект, сначала нарисуйте вид объекта спереди и сбоку на миллиметровой бумаге;
-как только вы закончите моделировать объект, попробуйте добавить к нему материалы и текстуры.
Заключение
В ходе выполнения проекта мы успешно разработали 3D модель полимерного гипса, которая может быть использована для создания различных изделий и прототипов. Этот материал обладает высокой прочностью и легкостью, что делает его идеальным для применения в условиях, требующих надежности и мобильности.
Проект не только продемонстрировал возможности современных технологий 3D моделирования и печати, но и подчеркнул важность создания доступных и эффективных решений для людей, находящихся в сложных условиях.
Изготовленные нами полимерные гипсы будут направлены для бойцов, получивших травму, связанную с переломами верхних и нижних конечностей в зону боевых действий. Мы надеемся, что результаты нашей работы помогут улучшить качество жизни участников.
Мы уверены, что полученные знания и навыки будут полезны в будущем и помогут в дальнейших разработках.
.
Список используемой литературы
-
https://bestclinic.ru/articles/plastikovyy-gips-stoit-li-platit-za-svoy-komfort/?ysclid=m31aryl8hc210823357
-
https://vrachnadom-spb.ru/info/plastikovaya-polimernaya-povyazka-vmesto-gipsa
-
https://medaboutme-ru.turbopages.org/medaboutme.ru/s/articles/gipsovaya_povyazka_legkaya_i_udobnaya/?turbo_uid=AADC2JnHzta-ZbpnSmwgHDfQf4nxgUEolcT8U_72jk2Ic_tM5obeQTVkCFbXjXkN_ODOr3bfjG8SMi58axZG6WuRIMunMSpOGm9aW1uyLOf_2PXEwKH5W-ml7BzecQh_E39S9k6M&turbo_ic=AABfWL-hyT6Ws0dn5oyQPxh8cyLkBywovWCOO7xQj8fn6vBegxReZLMbSdw15Y4zJ-xUGahRudCEA7NENQjZi_-dOyPURkENjJ36OUjv16pL52nkGzxlQd2AttwYxpFNVLffiXaC&sign=74e56a4b71b78515472b9c0ae2de80dc8e206b96dd316ed76f0d4c73bb4b1dfe%3A1730620522&parent-reqid=1730620522993265-5468771927303783911-balancer-l7leveler-kubr-yp-vla-199-BAL&trbsrc=wb
-
https://grantimed.ru/about/news/plastikovyy-gips-sovremennaya-immobilizatsiya-pri-perelomakh/
-
https://habr.com/ru/articles/185562/
-
https://craft3d.by/poleznaya-informatsiya/gips-na-3d-printere/
-
https://cvetmir3d.ru/blog/primenenie/kak-3d-pechatnye-ortezy-lechat-perelomy/?ysclid=m31awsyfdu292377095
-
https://medassist-k.ru/clients/articles/plastikovy-gips/