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.