Введение
Исследовательская деятельность заключается в изучении устройства 3D принтера и его эксплуатации на примере принтера «Black Widow». Так что же такое 3D-принтеры, каковы их возможности, перспективы и сфера использования? Какова роль человека в создании точной копии компьютерной модели? Моделирование методом послойного наплавления (FDM) было изобретено в конце 1980-х, а уже в 1995 году появились понятия «3D-принтер» и «3D-печать». Дело в том, что именно этот метод сделал возможным использования быстрого прототипирования в «домашних условиях»: появились устройства относительно небольшого размера, которые создавали таким образом модели из полимерной нити. Использование 3D-принтеров «тянет» за собой целую вереницу необходимых знаний в моделировании, физике, математике, программировании.
Для самостоятельной творческой работы, открывает широкие возможности для проектного 3D-печать в школе позволяет развивать межпредметные связи, требует больше времени обучения. Это ещё один случай, когда внедрение новой технологии неэффективно без системных изменений.
Актуальность: Данное исследование характеризуется тем, что образовательный процесс имеет на выходе индивидуальный опыт продуктивной деятельности, что очень важно в современном мире при использовании информационных технологий. Устанавливаются образовательные мосты между дисциплинами. На 3D-принтере легко можно печатать кристаллические решетки, элементы скелета животных и человека, детали для физических установок, геометрические фигуры… – все то, что связано с другими важными дисциплинами. Способствует развитию пространственного мышления, навыков первичного построения моделей. Закончив исследование и воспроизведя на 3D принтере модель «скелет рыбы» можно сделать вывод, что моделирование на таких принтерах в ближайшем будущем будет очень актуально и востребовано.
Объект исследования: 3D-принтер.
Цель исследования:
- ознакомиться с принципом действия данного принтера, правилами работы на нем;
- создать простейшие модели на принтере, с использованием готовых моделей при помощи программы Repitier-Host. Закрепить полученные знания;
- подвести итоги данного исследования.
Данный проект обеспечивает межпредметную на следующих дисциплинах:
- информатика;
- дизайн-проектирование;
- индивидуальное проектирование;
- композиция (ИЗО, черчение);
- макетирование;
- математика (геометрия, стереометрия);
- физика и др.
Оборудование:
- персональные компьютеры (процессор Intel Core 3 GHz и выше, ОЗУ 4 Гб, операционная система Windows 7 и выше, Программа Repitier-Host или другие аналогичные, управляющая программа 3d принтера);
- струйный принтер для печати чертежей и моделей;
- 3D принтер Black Widow (или аналогичный) для печати трехмерной модели.
Этапы разработки исследовательской деятельности:
- разработка исследовательского задания. Подготовка материалов к исследовательской работе. Обзор истории создания 3D принтера;
- правила техники безопасности при работе с 3D принтером, правила работы на принтере;
- знакомство с 3D принтером. Освоение ПО;
- проба «пера», первые попытки печати;
- подведение итогов. Оценка результатов и процесса в целом.
Описание этапов работы
1 этап: Разработка исследовательского задания
Всего несколько десятилетий назад 3D принтеры, творящие объёмные фигуры, считались фантастикой. Самые первые трёхмерные печатающие устройства (аппараты вида SLA-250) имели впечатляющие габариты, хотя при всём этом имели возможность создавать только ограниченное количество объектов. Ко всему прочему, стоили они десятки и даже сотни тысяч долларов. Поэтому брать на себя первую продукцию аддитивных технологий имели возможность исключительно приличные компании. В 2012 году возникли наиболее малогабаритные и экономные приспособления для трёхмерной печати. Обширное использование получили принтеры южноамериканской фирмы 3D Systems, которая сейчас считается основным поставщиком в области AFтехнологий. Инновации начали вводить конструкторские бюро, НИИ, архитекторы, художники. 3D принтеры отвоевали для себя место в учебных действиях при освоении инженерных квалификаций. Сейчас 3D принтеры доступны любому желающему, были бы возможности их приобретения.
Над созданием этого устройства работали учёные из многих стран мира, постепенно внося свою лепту в развитие трёхмерных технологий:
В 1986 году американец Чак Халл изобрёл принцип трёхмерной печати, который использовался в установке для стереолитографии.
В 1988 году другой американец, Скотт Крамп нашёл абсолютно иной подход для осуществления трёхмерной печати – формование через декомпозицию плавящегося материала (FDM). На этом принципе сегодня работают все трёхмерные принтеры, способные делать изделия в ограниченных масштабах.
Хотя работа над созданием трёхмерных принтеров началась в восьмидесятые годы прошлого века, сам термин «трёхмерная печать» появился лишь в 1995 году в недрах Массачусетского технологического института. И уже в следующем году, компания «3D Systems» назвала свою первую модель «Actua 2100» трёхмерным принтером. Такую историю создания имеет 3D принтер, если говорить кратко.
Выбор темы модели: 3D модель «Скелет рыбы» связана с тем, что данная модель печатается единым целым, при этом она является подвижной и оригинальной.
2 этап: Правила техники безопасности
1. Категорически запрещается трогать что-либо, кроме кнопок управления, во время работы 3D принтера. Нарушая это правило, в лучшем случае, можно получить ушиб от движущейся части, а в худшем – серьезный ожог. Если ваш 3D принтер открытого типа, то стоит работать с ним в плотно прилегающей одежде, чтобы минимизировать риск наматывания ткани на движущиеся детали. Проверять нагрев принтера можно только ориентируясь на показания термодатчика самого устройства, которые отражаются на дисплее или в программе печати.
2. Катушка с пластиком устанавливается так, чтобы ее перекос и задержки в подаче нити были исключены. Иногда, для более равномерного разматывания бобины, перебрасывают нить через карниз или спинку стула – в этом случае пластиковая нить может замотаться или зацепиться за посторонние предметы. Результаты этого непредсказуемы – принтер может упасть со стола, или, наоборот, повиснуть в воздухе, что, в свою очередь, может привести к его поломке или пожару (не забываем о нагретых частях 3D принтера).
3. Допускать детей к работе на 3D принтере можно только тогда, когда они способны полностью осознанно подойти к процессу. Первые работы должны проводиться под контролем учителя.
4. Во время работы устройства лучше выйти из класса.
5. Перед началом печати убедитесь в исправности 3D принтера и концевых датчиков. Тогда при возможном сбое принтер сам остановить печать.
6. Не печатайте на 3D принтере предметы контактирующие с горячей едой или напитком, причину смотрите в пункте 4.
7. Перед съемом напечатанной детали дождитесь остывания термостолика, лишние 10-15 минут погоды не сделают, а возможность обжечься исчезнет.
8. Не открывать окна, так как принтер работает на высоких температурах, и печать остановится, если изменится температура в помещении.
3 этап: Знакомство с 3D принтером. Освоение ПО
1. 3D принтер Black Widow намного больше, по сравнению с другими аналогичными устройствами. На данном принтере установлен экструдер с прямой подачей, что позволяет печатать гибкими пластиками без каких-либо доработок. Каркас принтера Black Widow состоит из алюминиевых профилей. Размеры стола приблизительно 22 см х 40 см. Однако не стоит обольщаться – из-за того, что на данном принтере установлен экструдер прямой подачи, то его невозможно установить в крайнее правое положение относительно стола. Из-за этого рабочая область сокращается до 22 см х 3 см. Крепление для стола сделано из металла и не гнется. Стол снизу не утеплен, однако это не мешает ему нагреваться до температур свыше 110 градусов. Блок питания — нормальный 24-вольтовый, на 360 Ватт, имеет активную систему охлаждения.
Перед использованием принтера я изучил, какой вид пластика подходит для данного вида принтера. Это очень важно, т.к. каждый вид пластика должен использоваться при определенном температурном режиме. Я использовал пластик ABS, т.к. он был в наличии. ABS (Акрилонитрил бутадиен стирол) – часто используемый материал для печати на 3D принтере. Очень хорошо подходит для печати прочных деталей, которые должны использоваться при более высоких температурах. Поверхность стола при данном виде пластика необходимо обрабатывать, для того чтобы деталь лучше прилипала, и не смещалась во время печати. Можно использовать специализированные средства, или подручные, я использовал лак для волос, или клей карандаш (но при нём деталь проблематично оторвать от стола), еще встречался вариант при изучении данной проблемы со сладким чаем (не пробовал).
2. Программа Repitier-Host. Это программная оболочка по подготовке 3D-модели к печати. А именно – программы по "нарезке" моделей, могут быть использованы в данной программе разные. В том числе и Cura.
3. Для начала вам потребуется настроить программу для работы.
4. Необходимо скачать модель, которую мы хотим распечатать, за основу брали сайт http://3dtoday.ru.
5. Слева у нас расположены кнопки управления внешним видом. Там можно покрутить. Приблизить-удалить изображение, размножить и т.д. Справа сверху располагаются кнопки управления моделью. Иконки имеют подсказки.
6. Увеличение масштаба.
7. Копирование модели.
8. Закончив с размещением, переходим на вторую закладку Слайсер. На ней можно выбрать один из двух (или трёх, если вы установили Skeinforge) слайсеров – Slic3r и Cura.
Чтобы подготовить модель к печати, мы нажимаем "Слайсинг с Slic3r". Если у нас выбран другой слайсер, то кнопка будет иметь соответствующее название. Прямо с этой страницы можно отправить модель на печать, если у нас подсоединен принтер.
Или сохранить для печати с SD-карты.
4 этап: Проба «пера», первые попытки печати
9. Отправляем на печать нашу модель.
FDM-технология (Fused Deposition Modeling) – это технология послойного наплавления нити. Сегодня этот способ 3D-печати считается самым распространенным, одновременно он относится и к одним из самых старых методов. Принцип заключается в послойном наплавлении нити пластика по контуру модели.
Принцип работы заключаются в следующем:
- нить материала помещается в экструдер, где она плавится под воздействием нагревательного элемента, а потом выдавливается через сопло на рабочую поверхность;
- экструдер двигается по траектории, заданной ей программным обеспечением, и слой за слоем строит объект;
- если необходимо напечатать сложный предмет, то могут использоваться два типа материала: один – для модели, второй – для создания опор. Опоры необходимо печатать, если объект имеет повисшие в воздухе элементы, которые без поддерживающих элементов создать невозможно – принтеру будет просто не на чем печатать.
- после формирования первого слоя платформа опускается вниз на толщину одного слоя, а экструдер выдавливает новую порцию материала, процесс повторяется много раз;
- по окончанию печати остается отделить вспомогательные элементы.
5 этап: Подведение итогов. Оценка результатов и процесса в целом
По окончанию печати вот такие рыбки у нас получились. Оранжевая была напечатана по другой модели. В среднем одна рыбка печатается от 20 до 30 минут, в зависимости от размера.
Выводы: Поставленные цели исследования рассмотрены и выполнены. В результате проведенного исследования я изучил исторические аспекты развития 3D принтера, принцип его работы, и использованного ПО для подготовки модели к печати. Рассмотрел необходимы правила безопасности и технику работы с ним. Из чего можно сделать вывод, что исследование выполнено в полном объеме. А также выявил возможность применения технологии 3D печати для обычного человека в домашних условиях. Можно отметить, что данное устройство удивительно и очень полезно в мире информационных технологий. Использование 3D моделирования на уроках позволило бы разнообразить уроки, сделать их более эффективными и наглядными.
Список литературы
- https://ru.wikipedia.org/wiki/3D-принтер
- https://www.rutvet.ru/in-istoriya-sozdaniya-3d-printerov-i-ih-princip-raboty-8253.html
- http://3dtoday.ru/blogs/stunter/tevo-black-widow-is-the-best-3d-printer-in-2016/
- http://virand.ru/2017/02/15/obzor-3d-printera-tevo-black-widow-chernaya-vdova/
- http://3dtoday.ru/upload/files/books/3Dprintbook.pdf
- https://newtonew.com/tech