Использование 3D принтера в современном мире

XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Использование 3D принтера в современном мире

Пекарева Э.А. 1
1АНОО Ломоносовская школа Зелёный мыс
Попова Е.Г. 1
1АНОО Ломоносовская школа Зелёный мыс
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Меня заинтересовала 3D печать. Этим летом у меня появился 3D принтер. Мы вместе с родителями настроили его, изучили технологию печати, подобрали пластик для изделий, а также углубились в изучение 3D моделирования. Я начала печатать с помощью принтера разные фигурки, картинки, значки, смотреть видео и читать статьи о 3D печати. Это оказался очень увлекательный процесс, о котором я расскажу в своей работе.

3D—печать стала моим хобби, которым я занимаюсь более года. На принтере, из пластика я могу сделать различные изделия, которые будут полезны в быту, могу создавать игрушки, а также можно изготовить оригинальные подарки для друзей и семьи. В моей коллекции сделанных моделей есть: игрушки, кашпо, брелки и. т.д. Для ежегодной благотворительной акции «Арт-базар», которая проводится в нашей школе я сделала очень много различных изделий, которые раскупили практически сразу и благодаря этому наш класс смог заработать много денег, которые пошли на корм животным.

Цель моего проекта: рассказать о 3D — печати, представить изделия, изготовленные на 3D — принтере.

Задачи:

1.Изучить литературу по 3D –моделированию и печати.

2. Провести анкетирование с целью изучения знаний ребят о 3D— печати.

3. Изготовить несложное изделие, подробно описать процесс создания.

4. Ознакомить обучающихся школы с новыми технологиями.

Объект исследования: создание изделий с помощью 3D—принтера

Предмет исследования: возможности 3D—печати.

Методы исследования:

Изучение литературы, наблюдение за процессом создания изделия и результатом, анкетирование.

Гипотеза исследования: 3D-печать способна изменить жизнь человека к лучшему в различных сфера, 3D—принтер может упростить и улучшить жизнь человека

Глава 1. Теоретическая часть

1.1 История создания 3D — принтера.

В развитии 3D—технологий принимали участие инженеры—изобретатели разных стран. Первопроходцем в мире объемной печати считают американского разработчика Чака Халла. «Установку для стереолитографии» он начал создавать в 1984 году, а спустя пару лет получил на нее патент. Он определил стереолитографию как метод и устройство для изготовления твердых объектов путем последовательной «печати» тонких слоев отверждаемого ультрафиолетом материала один поверх другого. Луч света, движущийся под управлением компьютера, рисует каждый слой объекта на поверхности жидкости. Везде, где луч попадает на поверхность, фотополимер полимеризуется (сшивается и превращается в твердое вещество). В 1986 году Халл понял, что его концепция не ограничивается жидкостями, и поэтому дал ей общее название “стереолитография” (3D—печать), и подал обширные патентные заявки, охватывающие любой «материал, способный к затвердеванию» или «материал, способный изменять свое физическое состояние». Это позволило перевести проект на коммерческие рельсы и в 1988 году началось серийное производство 3D—принтеров.1 Первые агрегаты не отличались высоким качеством и точностью печатных изделий, но это был только первый шаг в прорывной технологии 3D—печати.

1.2 В чем суть 3D печати

3D печать – это сложный технологический процесс послойного воспроизведения модели, в результате чего создается трехмерный объект. 3D печать на принтере позволяет создавать сложные геометрические формы, что невозможно при использовании других методов.

Почему данную технологию принято называть «печатью»? Здесь проведена аналогия с печатью на бумаге, поскольку изображение создается методом нанесения красителя на поверхность. Принтеры, печатающие на бумаге, контролируют количество красителя и его цвет (если речь идет о цветной печати). Таким же образом работает и 3D принтер, но в него заложен дополнительный параметр – пространственное измерение, то есть ось Z.

1.3 3D-Принтер и 3D-Печать

3D–принтер — станок с числовым программным управлением, реализующий только аддитивные операции, то есть только добавляющий порции материала к заготовке.

Это технология, которая позволяет создавать реальные объекты из цифровой модели. Всё началось в 80-х годах под названием «быстрое прототипирование», что и было целью технологии: создать прототип быстрее и дешевле. С тех пор многое изменилось, и сегодня 3D-принтеры позволяют создавать всё, что можно представить.

3D-печать — это процесс аддитивного производства, потому что, в отличие от традиционного субтрактивного производства, трехмерная печать не удаляет материал, а добавляет его, слой за слоем — то есть выстраивает или выращивает.

Устройство 3D-принтера

3D-принтер состоит из корпуса (1), закрепленных на нем направляющих (2), по которым перемещается печатающая головка (3) с помощью шаговых двигателей (4), рабочего стола (5), на котором выращивается изделие; и всё это управляется электроникой (6).

Рисунок 1 – Устройство 3D-принтера [2]

1.4. Расходные материалы

Расходными материалами для 3D-принтеров являются пластиковые нити, намотанные на катушки. Расходные материалы бывают различных типов и свойств. Вот некоторые расходные материалы, используемые для печати:

  1. ABS (термопластик) - Прочность, невысокая стоимость, небольшой вес ABS обеспечили ему заслуженную популярность. Термопластик имеет широкую сферу применения, используется в производстве аксессуаров.

  2. PLA (полимер) - Появление на рынке полимера PLA, сырьем для которого является полимолочная кислота, существенно снизило популярность ABS. Многие любители 3D-печати, специалисты отдали ему предпочтение. Материал изготавливается из возобновляемого сырья, является биологически разлагаемым. В категории пластмасс PLA занимает первое место по экологической безопасности.

  3. PET (полимер) - Отличной альтернативой традиционным вариантам является полимер PET. Идеально сочетаются гибкость и прочность. По этим показателям он превосходит ABS, а по простоте настройки параметров печати PET аналогичен PLA.

  4. HIPS (полимер) - Способность полимера HIPS разлагаться в биологической среде, отсутствие вреда при контактах с человеком, животными обеспечили ему широкое применение в производстве тары для пищевой продукции.

    1. Принцип работы 3D-принтера

Нить (филамент) (1) поступает в печатающую головку (Экструдер) (2), в которой разогревается до жидкого состояния и выдавливается через сопло экструдера. Шаговые двигатели с помощью зубчатых ремней приводят в движение Экструдер (2), который перемещается по направляющим (3) и наносит пластик на платформу (4) слой за слоем. Снизу в вверх. В итоге изделие (5) растёт слой за слоем.

Рисунок 2 – Принцип работы 3D-принтера[2]

1.6. Как запрограммировать 3D-принтер на печать?

Для начала работы (печати) на 3D-принтере, будущий предмет необходимо нарисовать, причем во всех трех измерениях. Делается это с помощью специальных программ, называемых CAD-редакторами или системами автоматизированного проектирования. При этом рисовать модели самому совершенно необязательно – готовые варианты всевозможных крючков, чехлов или даже квадрокоптеров можно просто скачать с различных интернет-сайтов. В крайнем случае, если душа к проектированию не лежит, а необходимой модели в интернете нет, всегда можно заказать ее у профессионалов.

Когда дело доходит до 3D-печати, такие модели подвергаются «слайсингу», то есть разбиваются на отдельные слои с помощью специальных программ, так и называемых – слайсеры. Представьте, что вы хотите напечатать вазу: первым делом вазу необходимо условно нарезать на тонкие-тонкие слои, а каждый из них опять-таки условно сфотографировать. Стопку полученных снимков можно передать принтеру, и он сделает копию каждой картинки, одну поверх другой, пока слой за слоем не воссоздаст оригинальную вазу. Вот только «рисуют» принтеры по-разному и разными материалами.

Слайсер формирует специальную программу для 3D-принтера. В этой программе принтеру рассказывается, как нужно печатать модель - куда двигаться экструдеру, с какой скоростью выдавливать пластик, какая толщина слоев будет у модели и другие параметры. Вся программа для принтера сохраняется в файл под названием g-code. Дальше через флеш карту или USB провод программа загружается в 3D-принтер и запускается печать.

    1. Виды 3D печати

Есть следующие технологические процессы:

  • FDM (послойное наращивание);

  • SLA (полимеризация смол с помощью ультрафиолета);

  • SLS (селективное лазерное спекание);

  • MJF (фотополимерная печать).

Глава 2. Практическое применение

2.1. Применение 3D-печати в современном мире.

Печать объемных объектов — технология будущего. Являясь настоящей многофункциональной и при этом компактной фабрикой 3D печать становится все более популярной. Сегодня технология используется в разных сферах:

  1. Строительство ;

  2. Сельское и лесное хозяйство;

  3. Энергетика;

  4. Инженерия;

  5. Автомобилестроение;

  6. Образование;

  7. Робототехника;

  8. Искусство;

  9. Медицина;

  10. Пищевая промышленность;

  11. Электроника;

  12. Развлекательная индустрия.

Строительство

Напечатанный дом больше не считается чудом. В Китае, Дубае и странах Европы уже есть архитектурные объекты, напечатанные огромными строительными 3D—принтерами, использующими в качестве филамента строительный раствор.

Медицина

Главное направление внедрения печатных устройств в медицине— получение органов для пересадки. Формирование кровеносных сосудов, кожных покровов с успехом практикуется в среде научных медучреждений. 3D-печать в медицине позволяет с высокой точностью моделировать и создавать стоматологические имплантаты, протезы, прототипы органов. Также 3D-печать помогает уже работающим специалистам и медикам эффективнее учиться и повышать квалификацию, практиковаться и составлять точные планы хирургических операций.

Машиностроение

Для производства деталей уже сейчас применяется технология 3D—печати. Существуют прототипы, полностью созданные на принтере.

В пищевой промышленности кроме создания кулинарных шедевров, устройства печати будут задействованы для производства блюд с заданными свойствами — диетических, с точно рассчитанной пищевой ценностью. Есть пищевая 3D-печать, или биопринтинг. Еду для космических путешественников тоже предлагается печатать. Прототипирование

Самый лучший способ применения 3D-печати – по ее прямому назначению. Прототипирование является не только вторым названием методики, но и изначальной целью ее разработки. Создание опытных образцов с помощью 3D-печати значительно сокращает время и издержки производства. А благодаря возможностям 3D-моделирования спектр проектируемых деталей практически не ограничен. Прототипирование позволяет наглядно оценить возможные недостатки изделия еще на этапе проектирования и внести существенные изменения в конструкцию детали еще до ее окончательного утверждения.

Мелкосерийное производство

Для мелкосерийного производства 3D-печать – просто находка. Свойства многих материалов позволяют производить готовые компоненты с минимальными затратами. Сравнительно с традиционными методами производства, мелкосерийное производство с помощью 3D-печати очень выгодно с финансовой точки зрения. Изготовление, к примеру, литейных форм, представляет собой длительный и дорогостоящий процесс. При этом само литье под давлением занимает немало времени. На 3D-принтере же напечатать партию необходимых изделий можно в считанные часы. Это применение 3D-печати крайне актуально при частых заказах на небольшие партии деталей.

Ремонт и восстановление

Еще одно применение 3D-печати – ремонт и восстановление поврежденных деталей. Для этих целей 3D-печать подходит идеально. Проводить такую процедуру можно как самостоятельно, при наличии соответствующих навыков и оборудования, так и в специализированных сервисах 3-D печати, таких как 3DDevice. Сначала на основе поврежденного изделия строится 3D-модель. Для упрощения проектирования также может быть использовано 3D-сканирование. Далее готовая модель отправляется в печать и воспроизводится на 3D-принтер в нужном количестве экземпляров. Ремонт и восстановление поврежденных деталей с помощью 3D-печати происходит быстро, а наличие цифровой модели компонента позволяет заново отпечатать его в любое время.

Производство функциональных моделей и готовых компонентов

Одна из разновидностей промышленного применения 3D-печати — производство функциональных моделей и готовых компонентов. Изготовление изделий на 3D-принтере из прозрачного материала позволяет увидеть работу функциональной детали «изнутри», что очень полезно при разработке различных инженерных образцов. Кроме того, широкий спектр разнообразных материалов для 3D-печати превращает ее в полноценный производственный инструмент. Промышленные 3D-принтеры постепенно становятся частью каждой сферы производства, позволяя изготовлять прочные металлические компоненты.

Дизайнерские изделия

Для творческих людей существует еще одно применение 3D-печати. 3D-технологии в целом – это уникальная возможность проявить свой талант самым необычным образом. Художники, скульпторы, модельеры и дизайнеры со всего мира используют 3D-печать для создания эксклюзивных предметов искусства, изготовить которые стандартными методами было бы невозможно. Такие дизайнерские изделия впечатляют своей красотой и оригинальностью, часто объединяя цифровое и традиционное искусство. Кроме того, активно разрабатываются методики 3D-печати одежды и обуви. Некоторые модели уже даже поступили в продажу, но о массовом производстве пока рано говорить.

3D-печать всё прочнее входит в нашу жизнь, превращаясь из узконаправленной и дорогой услуги в незаменимого помощника для профессионалов различных сфер деятельности.

Доступность использования позволяет проводить смелые эксперименты в архитектуре, строительстве, мелкосерийном производстве, медицине, образовании, ювелирном деле, полиграфии, изготовлении рекламной и сувенирной продукции.

Давайте отобразим наиболее перспективные направления в мире, где используется 3D-печать:

Рисунок 3 – Сферы применения 3D-печати

Можно сделать вывод, что 3D-печать используется во всех значимых сфер жизни человека, большее значение имеют технические направления в современной экономике, например, промышленность, моделирование, информационные технологии, наука и тому подобное. Подводя итоги исследования сфер применимости 3D-печати, можно смело заявить, что данная технология очень полезна для современного мира, ведь 3D-принтер может производить продукцию любого предназначения, не ограничиваясь геометрическими особенностями.

2.2. Преимущества 3D-принтера

Преимущества 3D-принтеров перед традиционными способами производства хорошо заметны и в профессиональном применении. Если говорить о сравнении с традиционными технологиями производства, такими как (литье, фрезеровка, штамповка, резка и т.д.), то можно выделить следующие категории отличий:

  1. скорость производства — указывает на затраченное время, от моделирования и до постобработки деталей;

  2. стоимость производства — финансовые затраты на производство каждой конкретной детали;

  3. качество продукции — говорит о точности производства относительно её соответствия итоговому продукту до постобработки.

  4. точность копий — указывает на уровень идентичности производимых копий одного и того же изделия.

  5. гибкость производства — затраты времени и финансов на переход к изготовлению нового продукта или внесение изменений в дизайн, уже запущенного в производство;

  6. доступность — необходимость в финансовых затратах для приобретения производственных мощностей разного уровня сложности.

2.3. Особенности технологии

3д печать – инновационный процесс, который существенно сокращает время и затраты на производство, улучшает точность и качество изготовленных деталей. 3D печать обеспечивает новые возможности и перспективы для творческого и промышленного процессов.

Технология трехмерной печати быстро развивается и совершенствуется, соответственно растет качество изделий. Они становятся прочнее, увеличивается точность изготовления. Отметим, что ассортимент материалов, которые можно задействовать в 3д производстве тоже расширяется.

Система трехмерной печати позволяет создавать уникальные детали, механизмы, сувенирную продукцию, пресс-формы, модели для литья, дизайн-макеты и архитектурные элементы.

2.4. Изготовление изделий на 3D-принтере у меня дома

У нас 3D принтер - Bambu Lab. Расскажу вам процесс создания на примере игрушки «дракончик», она больше всех понравилась моим одноклассникам.

Создавая изделия, я выбираю разные модели для печати. 3D—модель можно скачать с сайта или создать самому. Далее через специальную программу (слайсер) подготовить ее к печати. Необходимо выбрать филамент – слово с английского языка переводится как нить или 3 D—пластик – это материал на основе базовых полимеров или их сочетаний. Для нашей игрушки выбор основывается на цене, цвете и составе.

PLA (Полилактид) — биоразлагаемый пластик, в основе которого находится молочная кислота. Производится из сахарного тростника или кукурузы. Может также производиться из других натуральных продуктов, таких как картофельный крахмал или целлюлоза. Данный пластик нетоксичен и представлен разными производителями в широкой цветовой гамме. Является одним из самых популярных пластиков для 3D—печати. Хорошо подходит для печати дома.

HIPS (высокопрочный полистирол) — достаточно мягкий, позволяет использовать данный пластик для производства мебельного декора и интерьерных украшений.

PETG (полиэтилентерефталат—гликоль) — относительно новый, материал, но уже завоевавший заслуженное признание. Особо прочный пластик.

Для моей игрушки я выбрала полилактид. Когда мы определились с выбором модели для печати, пластиком – садимся за компьютер. После отрисовки модели, необходимо подготовить ее к созданию с помощью программы— слайсера. Это программа для разложения модели на слои, согласно которым принтер и будет ее печатать. Расход материала и время изготовления модели зависит от размера модели и плотности печати, и изменив плотность печати в настройках 3D—принтера, мы не только увеличим объем производства моделей, но и снизим стоимость готового изделия. Подготовленную модель отправляем на принтер через USB—носитель, с помощью SD—карты либо через Wi—Fi и запускаем печать. При работе с 3D— принтером, как и с любым техническим оборудованием, необходимо соблюдать технику безопасности. В процессе печати нагретый тягучий пластик подается в сопло печатающей головки на стеклянный стол—основание. Предметы печатаются слоями снизу верх, им можно придавать практически любую форму. Обычно перед тем, чтобы подержать в руках самостоятельно отпечатанную фигурку или деталь, проходит несколько часов.

Ф ото процесса изготовления игрушки

Вывод: благодаря возможности снизить себестоимость изделий за счет уменьшения производственных затрат оснащаться печатающими устройствами будет все больше предприятий, а в быту они прочно займут место рядом с традиционными струйными и лазерными аппаратами и стали доступны для домашнего использования, перестав быть эксклюзивным оборудованием. Ведь способы применения 3D — принтера безграничны от маленькой игрушки для ребенка, до спасенных жизней при пожаре, в медицине или иной области.

Заключение

М оя гипотеза исследования, что3D-печать способна изменить жизнь человека к лучшему в различных сфера, 3D—принтер может упростить и улучшить жизнь человека ПОДТВЕРДИЛАСЬ!

В ходе работы над проектом я выяснила, что мои одноклассники знакомы с новыми технологиями, но для нескольких ребят мой рассказ о 3D — принтерах и изделиях, сделанных с его помощью, были новыми открытиями. Я поняла, что для создания более сложных изделий на принтере надо владеть навыками 3D — моделирования, что планирую сделать в будущем.

Список литературы и интернет-источников:

  1. Э. Кэнесс, К. Фонда, М. Дзеннаро Доступная 3D печать для науки, образования и устойчивого развития / первое издание. — : МЦТФ, Май 2013 года — 192 c. / ISBN 92-95003-48-9

  2. Рэдвуд Бен, Гаррэт Брайан, Шофер Филемон 3D-печать. Практическое руководство / ДМК-Пресс, 2020 г. — 220 c. / ISBN: 978-5-97060-738-1 c. 3

  3. Чак Халл // Википедия : [сайт]. — URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Chuck_Hull (дата обращения: 05.10.2023).

  4. Разные виды 3D-принтеров или технологии 3D-печати // Цветной мир : [сайт]. — URL: https://cvetmir3d.ru/blog/poleznoe/raznye-vidy-3d-printerov-ilitekhnologii-3d-pechati/ (дата обращения: 15.10.2023).

  5. Как 3D-принтеры завоевывают мир: история возникновения и развития устройств объемной печати // Мektorus : [сайт]. — URL: https://vektorus.ru/blog/pervyj-3d-printer.html (дата обращения: 05.10.2023).

  6. UltiMaker Thingiverse : [сайт]. — URL: https://www.thingiverse.com/ (датаобращения: 09.10.2023).

Просмотров работы: 20