ерспективы использования 3d-принтеров · 2017-11-04 ·...
TRANSCRIPT
Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Сланцевская средняя общеобразовательная школа №1»
Муниципальный фестиваль
исследовательских проектов учащихся
Секция предметов математика, информатика и физика
Исследовательский проект по информатике на тему:
Перспективы
использования 3D-принтеров
Выполнила
Фролова УльянаАндревна,
9 а класса
Руководитель
Михайлова Лидия Анатольевна,
учитель информатики и ИКТ
г. Сланцы
2015 год
2
Содержание
Введение. Актуальность …………………………………………………….……….3
Цели и задачи ………………………………………………………………….………4
Основная часть..………………………………………………………………….……5
Глава 1. 3D-принтер. ….…………………………………………….…….……5
1.1. История….…………………………………………….….………….5
1.2.Принцип работы….…………………………………………….……5
1.3. Методы 3D-печати .………………………………………………….5
Глава 2. Результаты исследование перспектив использования 3D-принтеров
2.1. Характеристики 3D-принтеров………………………….………….7
2.2.Применение 3D-принтеров……………………………….…………8
2.3.Перспективы развития 3D-принтеров………………………….…..9
Заключение. Выводы по проделанной работе………………………………....……10
Список используемой литературы…………………………………….……………..11
Приложения……………………………………………………………………………12
3
Введение
За относительно короткое время компьютерные технологии уверенно завое-
вали наш мир. Споявлением принтеров, в возможности которых входит трехмер-
ная печать, на рынке услуг появилась новая возможность. Вы загружаете на сайт
сервиса модель того, что вы желаете получить (модель должна быть в трехмерном
варианте), и вам по почте приходит реальная вещь, напечатанная по этой модели.
А ведь совсем недавно это было только мечтами? А сейчас, с помощью этой уни-
кальной и передовой технологии стало реальностью.
Актуальность
Сегодня 3D-принтеры – это рабочие инструменты по созданию прототипов,
готовой продукции, моделей и всевозможных запчастей, в том числе и запчастей
для белковых форм жизни. Технология развивается, а в медицинских лаборатори-
ях осваивают печать живыми клетками для воссоздания внутренних органов че-
ловека. Благодаря этому устройству фантастика становится реальностью. На что
способен 3D- принтер? Так ли он необходим человеку?
Я решилаузнать, насколько известна данная технология. Расспрашивала
своих знакомых, поинтересовалась литературой по данной тематике и провелао-
прос среди жителей города Сланцы через Интернет. В опросе приняли участие
121 человек. Респондентам был предложен вопрос: «Вы слышали о 3D-
принтерах?»
Среди ответов были: Конечно Слышал! – 67 человек; Не слышал – 18 чело-
век; Мне все равно. Я не разбираюсь во всем этом – 17 человек; Да, отличная
вещь! Уже пользуюсь им! – 8 человек; Что такое принтер? – 11 человек.
Результаты опроса представлены на диаграмме.
Диаграмма 1. Результаты опроса жителей города Сланцы
55%
15%
14%
7%9%
Конечно Слышал!
Не слышал
Мне всё равно. Я не разбираюсь во всём этом
Да, отличная вещь! Уже пользуюсь им!
Что такое принтер?
4
Анализ результатов позволяет сделать вывод, что в городе Сланцы многие
слышали о 3D-принтерах.Хотя возникает сомнение, что действительно ли они
пользуются 3D-принтерами.Остальная часть респондентов или не слышали о 3D-
принтерах, или не знаетпро существование принтеров.
Поэтому меня заинтересовала проблема перспектив использования 3D-
принтеров в различных областях деятельности человека, учитывая, что XXI век –
это век развития информационных технологий.
Гипотеза
3D-принтер – это устройство, которое имеет множество перспектив не только
в производственной деятельности, но и в повседневной жизни человека.
Цели и задачи
Цель данного проекта – выяснить, может ли человек использовать 3D-
принтер в реальной жизни.
Для реализации данной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить устройствои методы печати 3D-принтеров.
2. Изучить возможности и применение его в реальной жизни.
3. Исследовать характеристики 3D-принтеров.
4. Провести сравнительный анализ ценового диапазона на 3D-принтеры.
5. Организовать мероприятия по знакомству с 3D-принтерами.
Методы работы
изучение и анализ материалов средств массовой информации и Интернет-
ресурсов;
опросжителей города Сланцы;
составление диаграмм, сравнительных таблиц;
анализ и обработка данных;
оформление проведѐнной работы на компьютере.
5
Рис. 1. 3D принтер, модель SLA-250
Рис. 2. 3D-принтер
Рис. 3.АВС-пластик
Основная часть
Глава 1.3D-принтер
1.1. История
Создание трехмерных печатающих устройств стало особенно актуальным
после появления токарных и фрезерных станков, которые по праву считаются
главными предшественниками и праотцами трехмер-
ных принтеров. Еще в середине двадцатого века лю-
ди задумывались об автоматизированных устройст-
вах, которые были бы способны выполнить деталь
или объект абсолютно любой формы из прочных ма-
териалов, например, из металла или древесины.
Именно в тот период времени и было создано пер-
вый 3D принтер (рис. 1), купить который можно бы-
ло за колоссальную сумму денег в размере несколь-
ких десятков, а то и сотен тысяч американских дол-
ларов.
Напечатать на 3D принтере тогда можно было достаточно ограниченное ко-
личество объектов и деталей, так как применение 3D принтера еще не достигло
современных масштабов. Громоздкость и масштабность первых таких аппаратов
привела к тому, что использовать их могли только крупные предприятия, а не-
большие частные организации просто не были способны позволить себе примене-
ние подобных аппаратов из-за их высокой стоимости и габаритов. (по материалам
сайта 7)
1.2. Принцип работы
Работа 3D принтера всегда начинается с чертежа (рис.2). Такой чертеж
называют 3D моделью.Если имеется изображение
необходимого объекта или фигуры, его следует
превратить в объемный образ. Для этого имеются
специализированные программные средства. Которые
способны в считанные минуты смоделировать
предмет практически любой сложности.
3D-принтер — это специальное устройство для
вывода трѐхмерных данных. Они способны создавать
определенные физические объекты. В основе техноло-
гии 3D-печати лежит принцип послойного создания (выращивания) твердой мо-
дели.
1.3. Методы3D-печати
3D-принтер послойно наносит расплавленный пластик (рис. 3)
или другой материал, создавая объѐмные детали по виртуальной
модели. Для печати используют такие материалы как пластик, ме-
талл, керамика, резина, бумага, песок, пищевые отходы, челове-
ческие ткани.
6
Рис. 4. Принцип печати
Применяются две технологии формирования слоѐв(по материалам источника
5):
1. Лазерная печать(Рис.4) — ультрафиолетовый лазер постепенно, пиксель за
пикселем, засвечивает жидкий фотополимер, либо фотополимер засвечивается
ультрафиолетовой лампой через фотошаблон, ме-
няющийся с новым слоем. При этом жидкий поли-
мер затвердевает и превращается в достаточно
прочный пластик.
Лазерное спекание — при этом лазер выжигает
в порошке из легкосплавного пластика, слой за сло-
ем, контур будущей детали. После этого лишний
порошок стряхивается с готовой детали.
Лазерное спекание –способ получить детали из
материалов, которые нельзя подавать в жидкой форме и быстро охлаждать, затра-
чивая при этом приемлемое количество энергии. Порошкообразные керамика, ме-
талл, пластик быстро и точечно разогреваются лазером до высокой температуры,
после чего моментально «пристают» к уже готовому слою и быстро отдают полу-
ченную тепловую энергию, практически сразу возвращаясь к «твердому» состоя-
нию.
Ламинирование — деталь создаѐтся из большого количества слоѐв рабочего
материала, которые постепенно накладываются друг на друга и склеиваются, при
этом лазер вырезает в каждом контур сечения будущей детали.
2. Струйная.Застывание материала при охлаждении — раздаточная головка
выдавливает на охлаждаемую платформу— основу капли разогретого термопла-
стика. Капли быстро застывают и слипаются друг с другом, формируя слои буду-
щего объекта.
Склеивание или спекание порошкообразного материала — похоже на лазер-
ное спекание, только порошковая основа (на основе измельченной бумаги или
целлюлозы) склеивается жидким (клеющим) веществом, поступающим из струй-
ной головки. Можновоспроизвести окраску детали, используя вещества различ-
ных цветов. Существуют образцы 3D-принтеров использующих головки струй-
ных принтеров.
7
Глава 2. Результаты исследования перспектив использования 3D-принтеров
2.1. Характеристики3D-принтеров
Проанализировав информацию источников (4, 5 и 6) составила две табли-
цы.В первой отражена классификация 3D-принтеров:тип, назначение, материал
для печати и применение. Во второй – тип принтера, минимальная стоимость.А
так же диаграмму сравнения 3D- принтеров по стоимости.
Таблица 1.Классификация 3D- принтеров
Тип 3D-
принтера
Назначение Материал для
печати
Применение 3D-
принтера
Потреби-
тельский
Для личного
пользования
ABS и PLA пла-
стик
Любительские раз-
влеченияили произ-
водство красочных
сувениров
Профессио-
нальный
Отпрототипиро-
вания до полно-
масштабного
производства
Пластик, металл,
керамика, рези-
на, бумага, пе-
сок, пищевые
отходы, челове-
ческие ткани
Высокое качество
производимых дета-
лей
Промыш-
ленный
(производ-
ственный)
Печатать прото-
типов, конечный
потребительский
продукт
Пластик, металл,
керамика, рези-
на, бумага, пе-
сок, пищевые
отходы
Высокое качество
производимых дета-
лей
Таблица 2.Сравнение 3D-принтеров по стоимости
Тип 3D- принтера Стоимость, тыс. руб
Потребительский 25
Профессиональный 180
Промышленный 1500
Диаграмма 2. Сравнение 3D-принтеров по стоимости
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Стоимость, тыс. руб
Потребительский
Профессиональный
Промышленный
8
Рис. 6. Процесс выращивания внут-
ренних органов человека
Рис. 5.Сладости, напечатанные с
помощью 3D-принтера
2.2. Применение3D-принтеров
3D-принтеры применяются для быстрого изготовления прототипов и исполь-
зуются в самых разных областях(по материалам 1, 2, 3). Преимущества 3D-
печати:
возможность оценить эргономику будущего изделия;
функциональность и собираемость;
наготовой модели можно проводить различные тесты еще до того, как бу-
дет готов окончательный вариант изделия;
исключить возможность скрытых ошибок перед запуском изделия в серию.
Таким образом, можно сэкономить значительное количество финансовых
средств и времени благодаря сокращению цикла производства.
Возможность быстрого создания необходимого количества учебных моделей
даѐт возможность решить много проблем образования. 3D-печать широко приме-
няется в медицине для создания макетов внутренних ор-
ганов человека, протезов и имплантатов. В пищевой
промышленности в качестве исходного материала ис-
пользуется тот или иной продукт питания, можно даже
смешивать несколько разных. Когда пищевые материалы
попадают в рабочую камеру, происходит их сильное ох-
лаждение для удобства выполнения дальнейших работ.
Затем полученное вещество тщательно перемешивается и
из него изготавливается заранее заданный продукт или
блюдо (Рис.5).
Высокую заинтересованность вызывают и маркетинговые аспекты 3D печа-
ти. Благодаря ей можно повысить качество работы с клиентами, демонстрируя
полноценные прототипы продукции. Используется данная технология и в трех-
мерной рекламе. Среди экзотических вариантов использования 3D-печати следует
отметить производство обуви. Пока что данная услуга рассчитана на профессио-
нальных спортсменов. Нога будущего владельца сканируется лазером для созда-
ния цифровой модели. На основании этой информации и «выращивается» обувь
путѐм послойного лазерного спекания.
Я считаю, что будущее за биопринтером. Био-
принтер– печать 3D-структуры будущего объекта
(органа для пересадки) производится стволовыми
клетками (Рис.6). Далее деление, рост и модификации
клеток обеспечивает окончательное формирование
объекта.
Биопринтеры искусственным способом создают
живую ткань, накладывая живые клетки слой за сло-
ем. В настоящее время все они являются эксперимен-
тальными, тем не менее, в будущем смогут произве-
сти революцию в медицине.
В декабре 2010 года компания Organovo создала
при помощи биопринтера первые кровеносные сосу-
9
ды с использованием клеток, полученных от одного донора. Компания также ус-
пешно имплантировала нервы, созданные при помощи биопринтера, крысам, а
эксперименты по пересадке созданных таким методом тканей человеку заплани-
рованы на 2015 год. Тем не менее, ожидается, что первое коммерческое примене-
ние биопринтеров будет заключаться в производстве простых человеческих
структурных тканей для токсикологических испытаний. Это позволит ученым
тестировать лекарства на моделях печени и других органах, созданных на био-
принтере, тем самым снижая потребность в экспериментах на животных.
Со временем, биопринтеры будут использовать для получения транспланта-
тов кровеносных сосудов и применяться в операциях по шунтированию сердца.
Наиболее типичные области применения 3D-принтеров (см. Приложение 1)
2.3. Перспективы использования 3D-принтеров
Доказательством того, что 3D-принтеры все более востребованы в современ-
ных отраслях деятельности человека является (по материалам источников 4, 6, 7)
то, что
во-первых, в медицинетакой аппарат станет незаменимым для домашнего
заживления ран той или иной сложности.С помощью такого оборудования можно
в кратчайшие сроки производить на свет практически любую ткань человеческого
организма, включая кожные покровы и слизистые оболочки.
Во-вторых, в космосе: устройства трехмерной печатиупростили бы и ускори-
ли процесс ремонта космического оборудования. Космонавтысмогли бы само-
стоятельно производить инструменты и аппараты, необходимые им для дальней-
ших исследований космических просторов.
В-третьих, в пищевой промышленности: разработчики рассчитывают на ак-
тивное применение своего изобретения в ресторанах, кофейнях и других специа-
лизированных заведениях, что могло бы не только упростить приготовление мно-
гих блюд, но и стать интересным развлечением для посетителей.
Как изменилась бы наша жизнь с та-
ким универсальным устройством. Воору-
жившись специальным материалом, поль-
зователь сможет в домашних условиях
напечатать для себя уникальный набор
посуды или даже пару симпатичной обу-
ви, а своего маленького ребенка смогли
бы каждый день радовать новым кули-
нарным шедевром, съедобным замком
или великолепными фигурными сладо-
стями.
В Москве прошла выставка электронных устройств объемной печати. Это
было в начале 2014 года в одном из московских выставочных центров. Посетите-
ли выставки смогли впервые познакомиться с возможностями объемной печати.
Я считаю, что 3D-печать является одной из наиболее перспективных техно-
логий, которая позволит сэкономить огромное количество времени и сил инжене-
рам и дизайнерам.
Рис. 7. Московская выставка трехмерных принтеров 2014
10
Заключение Гипотеза, что 3D-принтер – это устройство, которое имеет множество пер-
спектив не только в производственной деятельности, но и в повседневной жизни
человека – подтвердилась.
Я увидела достоинствами 3D-печати:
уменьшение отходов: повторное использование ушедшей в утилизацию
пластмассы;
покупатель участвует в создании товаров;
всѐ необходимое, кроме картриджей с материалом, можно скачать из ин-
тернета;
для производств – быстрое создание прототипов.
Наряду с этим есть и недостатки для использования 3D-принтеров в домаш-
них условиях:
1) высокая стоимость;
2) печать модели может проходить на протяжении нескольких часов;
3) программное обеспечение для 3D моделирования стоит недешево.
Для пользователей существуют упрощенные версии 3D принтеров, их стои-
мость гораздо ниже. Материалы, которые они используют при печати, также ме-
нее дорогие. Однако, такие 3D принтеры менее точные, если сравнивать с ком-
мерческими 3D принтерами.
К 2016 году 3D принтеры (по материалу 7) для небольших производств ста-
нут столь же доступны, как и компьютеры сейчас.
Я предлагаю организовать следующие мероприятия по знакомству с 3D-
принтерами:
1) разместить данную информацию на школьном сайте;
2) выступить с сообщением на уроке информатики в 9 классе.
11
Список используемой литературы 1. Лысыч М. Н. Перспективы использования технологий 3D печати [Текст] / М.
Н. Лысыч, М. Л. Шабанов, А. Е. Скрыпников // Молодой ученый. — 2014. —
№11. — С. 69-73.
2. 3D-индустрия. Всѐ о 3D-печати – http://www.3dindustry.ru/
3. Сайт «Техно-жизнь» – http://tech-life.org/technologies/285-3dprin
4. Перспективы использования технологий 3D печати –
http://www.moluch.ru/archive/70/11963/
5. 3D-принтеры и технология трехмерной печати (Журнал «Молодой ученый) –
http://vektorus.ru/auxpage_3d-printery-i-tehnologija-trehmernoj-pechati/
6. Как работает3D-принтер – http://buyprinter3d.com/ru/kak-rabotaet-3d-
printer.html
7. Область применения и перспективы 3D принтеров –
http://www.fotokomok.ru/oblast-primeneniya-i-perspektivy-3d-printerov/
Приложение 1. Наиболее типичные области применения 3D-принтеров
Область применения Модели
Архитектура Макет отдельного здания или
различные его важные эле-
менты, макет целого микро-
района, коттеджного поселка
с дорогами и деревьями
Геоинформационные
системы (объѐмные
карты)
Цветные объемные карты,
точно повторяющие ланд-
шафт местности или оказы-
вающие уровень залегания
различных пород
Промышленная про-
дукция и машино-
строение
Создание прототипов и кон-
цепт-моделей будущих потре-
бительских изделий или их от-
дельных деталей. Моделимож-
но использовать в эксперимен-
тальных целях (для выяснения
аэродинамических характери-
стик кузова автомобиля или
фюзеляжа летательного аппа-
рата), для презентаций внеш-
него вида нового товара
Медицина
Изготовлениепротезов, соз-
дание муляжей и макеты ор-
ганов пациента для подготов-
ки врачей к ответственным
операциям
Образование
Наглядныепособия для
школьников и студентов.
Устройства обладают повы-
шенной надежностью благо-
даря улучшенной технологии
Художественные и те-
атральные области
(декорации, муляжи)
Изготовление точных копий
различных предметов, напри-
мер, в качестве декораций к
фильмам или спектаклям, му-
ляжей редких музейных экс-
понатов.
Полиграфия и смеж-
ные области
Изготовление макетов упаков-
ки — флаконов, бутылок и т.п.
оригинальной фор-
мы.изготовление объемной
цветной модели со всеми эле-
ментами дизайна (этикетки,
фирменными знаки, штрих-код
т.д.) напечатанными прямо на
ней
Аннотация В данной работе рассматривается одно из перспективных направлений ис-
пользования принтеров – это 3D-принтеры.
В настоящее время 3D-принтеры можно применять как в быту, так и в мас-
штабах производства. Разработчики этих установок в последнее время ориенти-
руются в основном на оптимизацию продукции и выпуск недорогих и быстрых
машин, стремясь снизить стоимость и увеличивая объѐм рабочей камеры.
Гипотезой исследования стало предположение о том, что 3D-принтер – это
устройство, которое имеет множество перспектив не только в производственной
деятельности, но и в повседневной жизни человека.
В работе рассматриваются предпосылки появления принтеров, принцип ра-
боты, методы печати, характеристики, применение и перспективы развития 3D-
принтеров.
В заключение сделаны выводы, что темпы развития технологий позволяют
предполагать, что через несколько лет подобные установки не будут восприни-
маться как нечто необычное, а станут использоваться повсеместно.
Структура работы представлена введением, двумя главами, заключением,
списком литературы и приложением.
В работе использовано 2 таблицы, 2 диаграмма, 7 рисунков, 7 источников ли-
тературы, 1 приложение.
Данное исследование носит познавательный характер.