Исследовательский проект: ПЕРВЫЕ шаги в науку. Проект «3D принтер-технология будущего».

МКУ МО Хасавюртовский район

МКОУ «Теречная СОШ»

ПЕРВЫЕ шаги в науку.

Проект «3D принтер-

технология будущего».

(3D моделирование)

МКОУ «Теречная СОШ»

Руководитель

исследовательского проекта:

Закриева Заира Исмаиловна,

Учитель общетехнических

дисциплин

ismailovna69@bk.ru

моб.тел.: 8928 566-21-91

с.Теречное

2023г

Оглавление……………………………………………………………………стр.2

Введение............................................................................................................стр.3

Содержание......................................................................................................стр.4

Раздел 1.01 История возникновения 3D принтера………………………стр.4

Раздел 1.02 Принцип работы 3D печати…………………………………..стр.6

Раздел 1.03 Основные технологии (SLA, SLS, DLP, EBM, HPM)……стр.12

Раздел 1.04 Выбор программы для 3D моделирование…………………стр.16

Раздел 1.05 Заключение……………………………………………………...стр.17

Список литературы........................................................................................................стр.18

Введение

В данной работе речь пойдет о новой технологии создания объектов и предметов — 3D принтере. Описывается история возникновения, указываются основные принципы и технологии работы устройства.

3D-печать становится все более и более доступной и открывает множество возможностей — как положительных, так и отрицательных. Вы узнаете разные возможности использования 3D-печати.

В повседневную жизнь 3D пришло к нам в начале нового тысячелетия. Мы, естественно, связываем это определение с киноискусством или мультипликацией. Но данная технология охватывает гораздо больше спектров нашей жизни. Итак, что же такое 3D принтер, и, что представляет собой печать на таком устройстве?

Цель исследовательской работы: Узнать, что такое 3 D-принтер, и как он используется людьми.

Задачи:

1. Найти информацию об истории создания 3D-принтера.

2. Изучить принцип работы этого устройства.

3. Узнать, что можно изготовить при помощи него.

4. Обобщить и проанализировать полученную информацию.

Гипотеза: Предположим, что возможности 3D-принтера очень велики на данный момент, поэтому в будущем, вероятно, он будет очень востребован.

Методы исследования: Изучение информации, полученной из Интернета, наблюдение, сравнение.

Объект исследования: 3D-принтер.

Предмет исследования: Возможности 3D –принтера.

Актуальность исследования в том, что новые информационные технологии всегда очень быстро развиваются и без них немыслимо современное общество.

Практическая значимость данного исследования заключается в том, что оно может быть полезно в качестве просветительского материала, а также для уроков информатики.

Содержание.

1. История возникновения 3D-принтера

К середине 90-х годов прошлого столетия в мировой экономике сложилась интересная ситуация: фирмы-конкуренты стали не просто бороться за потребителей продукции, но буквально выполнять любые их пожелания. Самое важное, что в итоге однообразную продукцию – например, часы и автомобили – прекратили приобретать миллионными партиями.

Объем продаж с заводов-производителей сократился до нескольких тысяч штук в одной партии. Это ознаменовало начало эпохи мелкосерийного производства. В конечном итоге компании обнаружили, что разработка форм, лекал и прототипов для все новых и новых моделей обходится весьма дорого.

Примерно тогда же становятся популярными устройства, способные быстро и с минимумом затрат изготавливать модели, — станки с ЧПУ, числовым программным управлением. Многие из них так и остались в секторе производства, но интенсивное развитие отдельной ветви «эволюции» привело к появлению офисных принтеров объемной печати – так началась история развития 3D-печати.

Самым первым устройством для создания 3D-прототипов была американская SLA-установка, разработанная и запатентованная Чарльзом Халлом в 1986 году и использующая стереолитографию. Само собой, это еще не был первый 3D-принтер в современном понимании, но именно она определила, как работает 3D-принтер: объекты наращиваются послойно.

Халл сразу же создал фирму 3D Systems, которая изготовила первое устройство объемной печати под названием Stereolithography Apparatus. Первой моделью этой машины, имевшей широкое распространение, стала разработанная в 1988 году SLA-250. Понятное дело, что и такой 3 d принтер цветным не был, а работал лишь с сырьём одного цвета, но для того времени и это было сродни чуду.

В 1990 году был использован новый способ получения объемных «печатных оттисков» — метод наплавления. Его разработали Скотт Крамп, основатель компании Stratasys, и его жена, продолжившие развитие 3D-печати.

Современный исторический этап развития 3D-печати стартовал в 1993 году с созданием компании Solidscape. Она производила струйные принтеры, которые предшествовали трехмерным. В 1995 году двумя студентами Массачусетского технологического института был модифицирован струйный принтер. Он создавал изображения не на бумаге, а в специальной емкости, и они были объемными. Тогда же появилось понятие «3D-печать» и первый 3D-принтер. Этот метод был запатентован, и теперь используется в созданной теми же студентами компании Z Corporation, а также в ExOne. Z Corp. до сих пор производит 3D-принтеры, использующие эту технологию.

История создания 3D-принтера продолжилась появлением технологии под названием PolyJet, основанной на использовании фотополимерного жидкого пластика. При таком способе печати головка «рисует» слой фотополимера, который моментально засвечивается лампой. Метод оказался выигрышным по многим параметрам: цена его значительно ниже, а высокая точность дает возможность изготовления не просто моделей, но готовых к применению деталей.

С течением времени развитие индустрии 3D-печати ускорялось, появлялись новые фирмы производители 3D-принтеров, вносящие свой вклад в ее разработку, использовались новые материалы и принципы, размеры и цены устройств становились все меньше – первые 3D-принтеры были огромны, сейчас же они умещаются на столе (исключая разве что промышленный 3D-принтер).

Современный трехмерный принтер все больше становится похож на обычный, печатающий на бумаге, по внешнему виду и технологии нанесения «красящего» вещества. Печатаемые им модели отличаются еще и высокой прочностью, поэтому могут применяться в качестве готовых изделий.

Сейчас 3D-принтер может занимать очень мало места – конечно, это зависит от его назначения. В начале развития цена такого принтера была доступна разве что очень крупным компаниям, теперь же любой человек может приобрести 3D-принтер, цена которого в среднем $1000. История 3D-принтера еще не окончена, и самое интересное – впереди.

1. . Принцип работы 3D печати.

Принцип формирования фигуры с трехмерной печати называют аддитивным (от слова Add (англ.) — добавлять). Для начала создается компьютерная модель будущего объекта. Это можно сделать либо с помощью трехмерного графического редактора CAD-системы (3D StudioMax, SolidWorks, AutoCAD), либо просканировав полностью объект в 3D. Затем, с помощью специального программного продукта разбивает просканированный объект на слои и происходит генерация набора команд, которая определит последовательность, в которой будут наноситься слои материала при печати.

Результат 3D моделирования.

Процесс создания физических объектов из цифровых 3D-моделей, созданных путем трехмерного моделирования в любой САПР или CAD-программе.

Далее, 3D принтер послойно формирует объект, нанося постепенно порции материала. Располагая печатающую головку в системе двух координат X и Y, принтер наносит материал слой за слоем по смоделированной электронной схеме. При перемещении платформы на шаг вдоль оси Z начинается построение нового уровня объекта.

Для печати в качестве материала в аддитивном производстве могут быть использованы металлические сплавы, пластик, бумага, фотополимеры, минеральные смеси. Некоторые виды 3D принтеров способны работать одновременно с разными материалами, как по свойствам, так и по цвету.

Технологий трехмерной печати довольно много. Различаются они по принципу формирования слоев и их соединениям.

Демонстрация возможностей 3D печати и способы получения трехмерных моделей. 3D сканер 

Ознакомление обучающихся с современными технологиями 3D печатью и 3D моделирования.

1. Основные технологии (SLA, SLS, DLP, EBM, HPM) Печать на 3D принтерах может осуществляться разными способами, в зависимости от используемого материала. Технология SLA. Эта технология позволяет наиболее быстрое построение объектов. Технология использует фотополимер, на который направляется лазерный луч, после чего материал затвердевает. После отвердевания изделие можно легко обработать (склеить, окрасить и т. д.).

Технология SLS. Представляет собой спекание порошковых реагентов под воздействием лазерного луча. Это одна из технологий, которая позволяет изготовление форм для металлического и для пластмассового литья.

Технология DLP. Это относительно новая технологий, для реализации которой используются стереолитографические печатные аппараты. Принтеры данного типа используют цифровую обработку светом. Для создания трехмерных фигур в этой технологии используются фотополимерные смолы и DLP-проектор.

Технология EBM .Эта технология использует электронно-лучевую плавку для создания трехмерных объектов. Для послойного наплавления высокоточных деталей был разработан специальный материал — металлоглина. Данный материал изготавливается из смеси органического клея, металлической стружки и воды.

Технологий FDM. Дает возможность получать конечные модели из конструкционных и высокоэффективных термопластиков. Это единственная технология, которая обеспечивает механическую, термическую и химическую прочность деталей.

В наши дни появилось еще одно интересное устройство, использующееся для ручной печати — ручки для рисования 3D объектов. Ручки сделаны по той же схеме, что и принтеры. Пластиковая нить подается в ручку, где плавится до нужной температуры и выдавливается через маленькое сопло.

https://www.blender.org эта ссылка ведет на официальный сайт, где можно скачать программу для 3D моделирования объектов. Blender – это общедоступный проект, размещенный на blender.org , лицензированный как GNU GRK , принадлежащий его авторам.

https://rutube.ru/video/feb563c1867d79b6f42f78e07b6dafda/?r=wd это ссылка ведет на rutube где рассказывается и показывается как правильно пользоваться blender.

Blender 3D – бесплатный программный продукт, предназначенный для создания и редактирования трехмерной графики. Программа распространена на всех популярных платформах, имеет открытый исходный код и доступна совершенно бесплатно всем желающим, а также есть версия на русском языке.

Эти особенности сделали ее крайне популярной как среди начинающих пользователей, так и среди настоящих профессионалов моделирования. Софт нередко выбирается в качестве основного рабочего инструмента для больших и серьезных проектов.

По своему функционалу графический редактор и количеству доступных инструментов приложение практически не уступает платным сборкам для работы с 3D графикой.

Блендер 3Д сможет познакомить с основными особенностями 3D моделирования, а также предложит использовать понятные инструменты для создания или редактирования моделей.

Функции и особенности

Приложение Blender принято позиционировать как многофункциональный инструмент для работы с трехмерной графикой, анимацией или даже создания компьютерных игр. Рассматривая подобный функционал, пользователь явно ожидает серьезных требований к компьютерным ресурсах.

Однако дистрибутив весит всего 70 Мбайт, что кажется совершенно невозможным в условиях полноценного функционирования всех инструментов. Но все элементы пакета действительно работают в полной мере с отличной производительностью.

Профессиональная команда разработчиков регулярно дорабатывают систему, делая ее еще более универсальной, стабильной и быстрой. Программу отличает современный программируемый интерфейс и удобная файловая система, интегрированная непосредственно в софт.

Программа доступна на разных операционных системах без привязки к разрядности. Ею смогут воспользоваться пользователи на ОС Windows, GNU/Linux и Mac OS.

Функции приложения:

• 3D моделирование. Пользователю доступно огромное количество инструментов для создания и редактирования 3D моделей самых разных уровней сложности. Причем моделировать объекты можно при помощи доступных примитивов, полигонов, NURBS-кривых и кривых Безье. Дополнительно предусмотрен функционал для формирования метасфер и управления формой при помощи булевых операций. Не стоит забывать и о технологиях Subdivision Surface и наиболее понятных инструментов создания скульптур. По аналоги с профессиональными сборками, тут предусмотрены модификаторы для изменения формы моделей.

• Создание анимации. Несмотря на то, что софт сам по себе рассчитан на моделирование, анимация представлена тоже неплохо. Можно использовать традиционную скелетную анимацию или риггинг, инверсную кинематику, различные ограничители и многое другое. Все коэффициенты и параметры настраиваются при помощи встроенных инструментов. Дополнительно представлена динамика тел разной твердости и формирование анимации мелких частиц.

• Текстуры. Можно накладывать сразу несколько текстур на один и тот же объект. Есть масса инструментов для текстурирования, в том числе UV-маппинг и функция частичного настраивания. Значительно облегчает работу настройка шейдеров.

• Рисование. Есть много встроенных средств для создания набросок кистями прямо в окне программы. Сейчас эту функцию используют для более удобного формирования двухмерной анимации.

• Инструменты визуализации. Есть сразу несколько предустановленных средств для показа результата работы, а также предусмотрена совместимость со сторонними рендерами от разных разработчиков.

• Видеоредактор. О наличии этой функции могут не догадываться даже очень опытные пользователи. Однако в программе действительно предусмотрен редактор видеороликов с неплохим инструментарием.

• Игровой движок. Последние версии программы оснащаются собственным игровым движком, с помощью которого можно создавать приложения с интерактивными функциями. При наличии определенных навыков, не составит труда внести изменения в создаваемую игру посредством интерфейса Python API.

Т

Рисунок 1 схема принтера Arduino mega 2560

Технология печати на 3d принтере Arduino mega 2560 предполагает, что на основе виртуальной модели создается объект, путем послойного нанесения термопластика. Экструдер, то есть печатающая головка 3d принтера Arduino mega 2560, разогревает материал до необходимой температуры и распределяет его в необходимых пропорциях по заданным в виртуальной модели точкам координат. Происходит это путем выдавливания экструдером термопластика (Рисунок 2).

Р исунок 2. Принцип работы экструдера 1.04 Раздел Выбор программы для 3D моделирование 3D моделирование — очень популярное, развивающееся и многозадачное направление в компьютерной индустрии на сегодняшний день. Создание виртуальных моделей чего-либо стало неотъемлемой частью современного производства. Выпуск медиа-продукции, кажется, уже не возможен без использования компьютерной графики и анимации. Конечно же, под разнообразные задачи в этой отрасли предусмотрены и специфические программы. Выбирая среду для трехмерного моделирования, в первую очередь, следует определить круг задач, для решения которых она подходит.

Раздел 1.05 Заключение. Подводя итоги, стоит отметить, что использование 3D принтеров позволяют полностью исключить ручной труд и необходимость делать чертежи и расчёты на бумаге, и устранить выявленные недостатки не в процессе создания, а непосредственно при разработке. В создании моделей с помощью 3D принтера полностью отсутствует ограничение на дизайн и сложность формы, что позволяет полностью задействовать свою фантазию и сделать индивидуальное и оригинальное изделие. Изделия получаются очень легкими, и при этом время их изготовления минимально.

Данная технология только набирает обороты в своем развитии и распространении. Большинство заказов относятся к группе личного интереса к новой технологии и не более. Но также нельзя не заметить, что уже идет процесс использования технологии 3D печати в крупных и полезных для общества проектах. Несомненно, эта технология — технология будущего.

Раздел 1.06 Список литературных источников

1. Бриан Эванс, Практические 3D-принтеры: наука и искусство 3D-печати. Apress, 2012.

2. И. Канеса, С. Фонда, М. Зенаро, Доступная 3D печать для науки, образования и устойчивого развития. The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics, 2013.

3. КристоферБарнат. 3D печать: третья индустриальная революция. 2013.

4. 3D принтер. [Электронный ресурс]. Режим доступа — printbox3d.ru.