Изучение принципов и материалов 3D печати на базе 3D ручки «Даджет Art»

Автор: Задворнова Светлана Викторовна

Организация: МБОУ ''СОШ № 7''

Населенный пункт: Республика Саха, г. Мирный

Введение

В настоящее время 3D печать используется повсеместно. Научились печатать предметы искусства, донорские органы, механизмы, даже целые дома.

В данной исследовательской работе рассмотрен принцип 3D печати на примере ручной печати при помощи 3D ручки.

Актуальность темы:

Не секрет, что многие профессии становятся редкими или даже исчезают. Люди тратят много лет, чтобы обучиться профессии, потом долго совершенствуются, а потом их профессия становится невостребованной, и им приходится переучиваться. Одновременно появляются новые профессии. Очевидно, что нужно выбрать перспективную профессию, которая будет нужной ещё долгое время. В настоящее время 3D печать используется повсеместно. Это новое современное направление инженерной деятельности, и возникают новые профессии, связанные с 3D печатью. Например, оператор 3D печати, инженер 3D печати[1]. Они вошли в «Атлас профессий будущего»[2]. Поэтому данная тема работы мне очень интересна.

Практическая значимость нашего исследования неразрывно связана с актуальностью темы: 3D рисование позволяет наглядно объяснить детям принципы изготовления трёхмерных моделей, обучить основам 3D печати и 3D моделирования.

Объект исследования:

3D ручка.

Предмет исследования: изготовление трёхмерной модели при помощи технологии 3D печати с использованием ручной 3D ручки.

Методы исследования:

• анализ литературы на Интернет-ресурсах;
• проектирование;
• эмпирические методы (проведение эксперимента по изготовлению модели).

Гипотеза: предполагаем, что 3D рисование позволит нам на практике изучить принципы популярного и актуального направления техники — 3D печать и понять основы 3D моделирования.

Цель работы: изучить принципы и материалы 3D печати на базе 3D ручки «Даджет Art». Чтобы достичь этой цели, мы поставили перед собой Задачи работы:

• изучить технологии 3D печати;
• изучить материалы 3D печати;
• Изготовить трёхмерную модель

Глава 1.

1.1. История появления

3D печать появилась 40 лет назад и открыла потрясающие возможности для создания различных моделей в прототипировании, стоматологии, промышленности, миниатюр, скульптур, макетов и многого другого.

В 1980 г. доктор Хидео Кодама впервые подал заявку на регистрацию патента на устройство, которое с помощью УФ-засветки послойно формировало жёсткий объект из фотополимерной смолы. В 1983 году трое инженеров - Ален Ле Мехо, Оливье де Витт и Жан-Клод Андрэ из французского национального центра научных исследований использовали лазер и мономер, который под воздействием лазера превращался в полимер (пластик). В тоже самое время Чак Халл смог напечатать образец при помощи ультрафиолета, который отверждал жидкую акриловую смолу. Это была чашечка для промывки глаза. Она и считается официально первой 3D-печатной моделью в мире и по-прежнему хранится в семье Халл, а после их смерти будет передана в Смитсоновский научно-исследовательский институт в Вашингтоне. Чак Халл подал патентную заявку 8 августа 1984, и 11 марта 1986 года она была одобрена. Изобретение получило название «Аппарат для создания трехмёрных объектов с помощью стереолитографии». Чак основал свою компанию — 3D Systems, и в 1988 году выпустил на рынок первый коммерческий 3D-принтер – модель SL1. Удивительно, но более простой и дешёвый способ 3D-печати — FDM (Fused Deposition Modelling) был создан после SLA и SLS, в 1988 году. Его автором стал авиационный инженер Скотт Крамп. Крамп искал простой способ создания игрушечной лягушки для своей дочери и использовал клеевой пистолет: расплавил пластик и разлил его по слоям. Так родилась идея FDM 3D-печати, технологии послойного наплавления пластиковой нити. Крамп запатентовал новую идею и основал компанию Stratasys в 1989 году. В 1992 году они выпустили на рынок свой первый серийный продукт — принтер Stratasys 3D Modeler.

Ещё одним важным этапом стало появление в сети Интернет файлов печати. Сайты www.thingiverse.com, www.myminifactory.com и многие другие, содержат как бесплатные, так и платные файлы для 3D-печати. Пользователи делятся моделями в интернете и печатают их самостоятельно.[3]

1.2. Принцип работы

Существуют разные технологии печати объёмных изделий.

SLA (стереолитография)

Лазерная стереолитография (SLA) — технология 3D-печати, основанная на послойном отверждении жидкого материала под действием луча лазера.

Фотополимер — это вещество, изменяющее свои свойства под воздействием ультрафиолетового света. В обычном состоянии фотополимер мягкий, а при попадании под ультрафиолетовый свет приобретает прочность.

SLS (селективное лазерное спекание)

Лазер выборочно спекает частицы полимерного порошка, сплавляя их друг с другом и тем самым создавая слой за слоем.

MJP (многоструйная трехмерная печать)

Multi Jet Printing — технология 3D-печати, основанная на многоструйном моделировании с помощью фотополимерного или воскового материала.

FDM (моделирование методом наплавления)

FDM — самая распространенная технология 3D-печати в мире. Принцип построения по технологии FDM заключается в послойном выращивании изделия из предварительно расплавленной пластиковой нити.
Принцип построения изделия по технологии FDM:

Для 3D рисования используется технология FDM, мы подробно рассмотрим её.

1.3. Материалы

Технология FDM позволяет использовать различные типы материала для печати. Это могут быть:

• простые пластики: ABS, PLA;
• инженерные пластики: PetG, ePeek;
• специальные материалы: PVA, Hips, Flex.

В продаже для 3D рисования доступны простые пластики ABS, PLA.

PLA-ПЛАСТИК

Это полностью биоразлагаемый, безопасный, экологически чистый продукт, полученный из кукурузы или сахарной свёклы. Во время работы, при нагревании, PLA издает полусладкий запах. Благодаря этим характеристикам PLA-пластик лучше всего подходит для использования в закрытых помещениях, в школах и офисах. PLA-пластик является наилучшим материалом для начала работы с 3D-принтером. Не впитывает влагу.

ABS-ПЛАСТИК

Это прочный и крепкий полимер, полученный из ископаемого топлива, используемый для производства кубиков конструктора Лего и пластиковых чехлов для телефона. Применение ABS-пластика рекомендуется для изготовления деталей, подвергающихся воздействию высоких температур. При нагревании выделяет токсичные вещества, поэтому печать возможна только в хорошо проветриваемых помещениях.

В комплекте с 3D ручкой «Даджет Art» поставляется безопасный и экологичный PLA-пластик.

1.4. Устройство 3D ручки.

1.5. Комплект 3D ручки «Даджет Art».

3D ручка с дисплеем Даджет Art позволяет создавать красочные поделки из пластика. В набор входит 120 метров пластика PLA (24 цвета по 5 метров), книга трафаретов, специальный коврик для 3D-рисования, силиконовые напальчники, ножницы, подставка для 3D-ручки.

Материалы — PLA пластик; ABS пластик

Технология печати — горячая печать; FDM

Глава 2.

2.1. Освоение технологии 3D рисования на готовой модели.

3D ручка «Даджет Art» поставляется в комплекте со схемами моделей. Для освоения технологии рисования 3D ручкой решено было изготовить модель Эйфелевой башни, воспользовавшись готовой схемой.

2.1.1. Техника безопасности

3D ручка «Даджет Art» разогревается до 190С. Есть опасность ожога. Поэтому её нужно ставить в специальную подставку соплом вниз, а на пальцы свободной руки надевать напальчники. Подставка и напальчники входят в набор 3D ручки «Даджет Art». Также нужно следить, чтобы свободный конец пластика не стал слишком коротким и не ушёл внутрь ручки, поскольку если пластик застынет внутри и не удастся его вытащить, ручка засорится.

2.1.2. Порядок работы

1. Рис. 1. Подготовили необходимые инструменты и материалы. Закрепили на схеме подложку скрепками, чтобы она не смещалась.

2. Рис. 2, 3, 4. Изготовили основание модели, наплавляя пластик по схеме.

3. Рис. 5. Изготовили остальные детали по трафарету. После остывания детали отделяются от трафарета.

4. Рис. 6 и 7. Соединили детали вместе. Для этого потребовалась помощь, чтобы удерживать детали в нужном положении.

     

5. Рис. 8. Укрепили места соединения деталей, нарастив сверху слой пластика в технологии 3D.

6. Рис. 9 и 10. Также мы изготовили домик и дерево по этой же технологии.

     

2.2. Анализ результатов опыта.

2.2.1. Полученные изделия

Мы провели опыт освоения технологии 3D печати при помощи 3D ручки «Даджет Art». В ходе опыта мы из пластиковой нити методом наплавления изготовили объёмные твёрдые изделия: макет Эйфелевой башни и домик с деревом.

2.2.2. Расход материалов

3D ручка «Даджет Art» продаётся в комплекте с цветным PLA пластиком по 5 м каждого цвета. Для модели Эйфелевой башни понадобилось 4 м 70 см красного пластика. Целиком моток пластика использовать нельзя, нужно оставить немного, чтобы можно было достать его из ручки, иначе пластик остынет, затвердеет внутри и ручка засорится. Поэтому мы оставили около 20 см пластика от мотка 5 м. Это отходы. Кроме того, при изготовлении случались ошибки, когда рука дрогнула. Эти части мы отрезали ножницами и изготовили новые части. Сложно сказать, сколько ушло в отходы из-за погрешностей, допустим, около 10 см пластика. Для соединения деталей модели не хватило красного пластика, и мы использовали оранжевый, как видно на Рис. 6, 7 и 8. Нам понадобилось около 80 см оранжевого пластика.

При изготовлении дома на стены потрачено 4 м 70 см серого пластика. Крышу сделали из 2 м коричневого пластика. Для соединения деталей потребовалось 50 см коричневого пластика.

При изготовлении дерева мы импровизировали, схемой не пользовались. Ствол и ветки сделали из 25 см коричневого пластика. Крону и траву сделали из 40 см зелёного пластика.

Измерения у нас получились приблизительными, так как часть пластика была потрачена при опробовании ручки, часть ушла в отходы в конце мотка или в результате погрешности при изготовлении. Оставшийся пластик распрямили и измерили линейкой, выполнили расчёты и узнали, сколько израсходовано.

Опытным путём установлено, что для изготовления дома потребовалось больше пластика, чем для Эйфелевой башни. Очевидно, это связано с тем, что стены и крыша дома плотно заполнены пластиком. Результаты показаны в Таблице 1 и Диаграмме 1.

Таблица 1. Расход материалов в см.

	Эйфелева башня	Дом	Дерево
Цвет 1	470	470	40
Цвет 2	80	250	25
Всего	550	720	65

Диаграмма 1. Сравнительный расход материалов.

Заключение.

Изучая 3D рисование ручкой «Даджет Art», мы выполнили поставленные перед собой Задачи:

• изучили технологии 3D печати;
• изучили материалы 3D печати;
• изготовили трёхмерные модели.

3D ручка с дисплеем «Даджет Art» работает по принципу FDM 3D печати, методом наплавления слоёв, как 3D принтеры, и использует такие же материалы — ABS и PLA пластики. Это сходство позволило нам ознакомиться с технологией 3D печати, таким образом, мы достигли поставленной Цели.

Нам удалось доказать Гипотезу, что 3D рисование позволяет на практике изучить принципы популярного и актуального направления современной техники — 3D печать — и понять основы 3D моделирования. Мы освоили работу с 3D ручкой, изучили принципы и материалы, и так получили представление о популярной и развивающейся технологии 3D печати.

Практическая значимость нашей работы заключается в том, что 3D рисование позволяет наглядно объяснить принципы изготовления трёхмерных моделей, поможет обучить детей основам 3D печати и 3D моделирования.

 

Библиографический список

1. https://nationalteam.worldskills.ru/skills/3d-pechat/

2. https://www.profguide.io/professions/injener_po_3d_pechati.html

3. https://habr.com/ru/post/553958/

4. https://www.thingiverse.com

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%B4%D0%B4%D0%B8%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D0%B8

6. https://ru.wikipedia.org/wiki/3D-%D0%BF%D1%80%D0%B8%D0%BD%D1%82%D0%B5%D1%80

7. https://additiv-tech.ru/news/peri-pechataet-na-3d-printere-trehetazhnyy-zhiloy-dom-v-germanii.html

1. file0.docx (18,3 МБ)

Опубликовано: 02.12.2024