Создание и печати шахматных фигур на принтере 3D

МБОУ «Верховская СОШ №2»

Творческий проект

«Создание и печати шахматных фигур на принтере 3D»

Выполнил:

ученик Силаев Дмитрий «8-А» класса

Учитель технологии:

Еременко Антонина Николаевна

2020 -21уч. г.

Содержание:

Содержание................................................................................................................................2

Введение.....................................................................................................................................3

Глава 1. Исследование 3д технологий...................................................................................5

1.1. Принцип работы 3д принтера........................................................................................5

1.2. Выбор программы для 3д моделирование.................................................................6

1.3. Выбор среды печати модели, слайсеры.......................................................................9

1.4. Выбор пластика для печати моделей.........................................................................10

Глава 2. Создание 3д моделей на примере шахмат...........................................................11

2.1. Моделирование фигуры пешки с помощью экструдирования окружности........11

2.2. Моделирование фигуры слона с помощью точечного выдавливания граней по осям координат ........................................................................................................................12

2.3. Моделирование фигуры коня по фоновому изображению......................................13

Глава 3. Печать моделей на 3д принтере.............................................................................14

3.1. Экспорт созданных моделей в пригодную для 3д печати форму.........................14

3.2. Сравнительное исследование качества получаемых моделей при различных настройках среды печати.......................................................................................................14

3.3. Выбор оптимальных настроек среды и принтера для максимально быстрой и корректной печати..................................................................................................................17

Заключение...............................................................................................................................19

Список литературы................................................................................................................20

Введение

Актуальность: В данной работе речь пойдет о новой технологии создания объектов и предметов — 3D принтере. Указываются основные принципы и технологии работы устройства. 3D-печать становится все более и более доступной и открывает множество возможностей. Я исследую возможности использования 3D-печати на примере создания и печати шахматных фигур. 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, как работает 3D-принтер, создать реальные модели и их напечатать, получить оптимальные настройки для дольнейшей работы с принтером.

Задачи:

1. Найти информацию о работе 3D-принтера установленного в школьной лаборатории 3D-моделирования. 2. Изучить принцип работы этого устройства. 3. Выбрать программу для моделирования и на ее основе создать модели шахматных фигур. 4. Напечатать созданные модели на принтере. 5. Проанализировать получившиеся результаты.

Гипотеза:  Возможности 3D-принтера очень велики на данный момент, поэтому в будущем, вероятно, он будет очень востребован в разных областях. На первый взгляд технология кажется очень сложной, но мне кажется освоить ее может любой школьник.

Методы исследования: Изучение 3D моделирования в процессе создание модели шахматных фигур в программе Blender и печати на школьном 3D принтере, наблюдение, сравнение.

Объект исследования: 3D-принтер, среда печати Cura, моделирования в программе Blender .

Предмет исследования: Возможности 3D –принтера.

Актуальность исследования в том, что 3D моделирование играет важную роль в жизни современного общества. Сегодня оно широко используется в сфере маркетинга, архитектурного дизайна, медицины и кинематографии, не говоря уже о промышленности. 3Д-моделирование позволяет создать прототип будущего сооружения, коммерческого продукта в объемном формате. Важную роль 3D моделирование играет при проведении презентации и демонстрации какого-либо продукта или услуги.

Практическая значимость: В современном мире 3D технологии позволяют печатать реальные дома, человеческие органы, продукты питания и стальные детали.

Глава 1. Исследование 3д технологий

1.1. Принцип работы 3д принтера

3D принтер Arduino mega 2560 представляет из себя не сложную конструкцию (Рисунок1): моторы двигающие оси x, y и z, нагреваемый стол, блок питания, экструдер и контролер. 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).

Рисунок 2. Принцип работы экструдера

1.2. Выбор программы для 3д 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.

1) Самым популярным представителем 3Д-моделлеров остается Autodesk 3ds Max (Рисунок 3) — самое мощное, функциональное и универсальное приложение для трехмерной графики. 3Д Макс — это стандарт, под который выпущено множество дополнительных плагинов, разработано готовых 3Д-моделей, отснято гигабайты авторских курсов и видеоуроков. С этой программы лучше всего начинать учиться компьютерной графике.

Рисунок 3. среда моделирования Autodesk 3ds Max

Эта система может использоваться во всех отраслях, начиная от архитектуры и дизайна интерьеров и заканчивая созданием мультфильмов и анимированных видеороликов. Autodesk 3ds Max идеален для статичной графики. С помощью него быстро и технологично создаются реалистичные картинки интерьеров, экстерьеров, отдельных предметов. Большинство разрабатываемых 3Д-моделей создаются именно в формате 3ds Max, что подтверждает эталонность продукта и является самым большим его плюсом.

Некоторым минусом программы является, то что она защищена авторским правом и является платной, а так же очень сложна в изучении и управлении.

2) Для целей строительного, инженерного и промышленного проектирования применяется самый популярный чертежный пакет — AutoCAD (Рисунок 4) от компании Autodesk. Эта программа обладает мощнейшим функционалом для двухмерного черчения, а также проектирования трехмерных деталей разной сложности и назначения.

Научившись работать в AutoCAD, пользователь сможет проектировать сложные поверхности, конструкции и прочие изделия материального мира и оформлять к ним рабочие чертежи. На стороне пользователя — русскоязычное меню, справка и система подсказок по всем операциям.

Рисунок 4. среда моделирования AutoCAD

Эту отсутствие поддержки большого числа форматов 3Д-моделей, Blender может похвастать перед тем же 3ds Max более продвинутым инструментарием создания анимаций.программу не стоит применять для красивых визуализаций. Стихия Автокада — рабочие чертежи и подробная разработка модели.

3) Бесплатная программа Blender (Рисунок 5) является очень мощным и многофункциональным инструментом для работы с трехмерной графикой. Количеством своих функций он практически не уступает большим и дорогим 3ds Max и Cinema 4D. Эта система вполне подойдет как для создания 3Д-моделей, так и для разработки видеороликов и мультфильмов. Несмотря на некоторую нестабильность работы и

Рисунок 5. среда моделирования Blender

Blender может оказаться сложным в изучении, так как имеет сложный интерфейс, непривычную логику работы и нерусифицированное меню. Зато благодаря открытой лицензии он может быт успешно использован в быту и коммерческих целях.

На программе Blender остановим свой выбор и будем использовать в работе.

1.3. Выбор среды печати модели, слайсеры

Что такое слайсеры и зачем нужны?

Слайсер – изначально это утилита, которая умеет из поверхностного массива сделать нарезку параллельными плоскостями и перевести полученную информацию в G-код. Ведь головки экструдера работают именно таким образом, строя объект последовательным наращиванием «срезов» поверхностей в параллельных плоскостях. Сегодня все мощные программы моделирования имеют встроенные возможности по компилированию своих моделей в файл формата *.stl.

Программы, используемые для работы с 3d принтером в основном бесплатные. Только некоторые из них имеют платные версии или расширения. Все бесплатные программы, предоставляемые для 3d принтера разработчиками, пока поддерживаются и обновляются тоже на свободной основе. Многие из них имеют открытый код.

Cura - одно из самых удобных и интуитивно понятных приложений от производителя 3D принтеров Ultimaker. Получила самое большое распространение – это самый популярный слайсер для 3D принтера. Кроме инструментов редактирования, настроек материала, опций печати, включён ряд удобных функций по расчёту количества материала и его стоимости, веса изделия. Имеет открытый код. Полностью бесплатная, обновляемая утилита, ее я и буду использовать

1.4. Выбор пластика для печати моделей

Технология послойного наплавления имеет массу преимуществ, среди которых относительная простота конструкции принтеров и ценовая доступность как устройств, так и расходных материалов. Как правило, для печати используются термопластики, но есть и исключения – композитные материалы, содержащие различные добавки, но основанные, опять-таки, на термопластиках.

В современной промышленности используется большое количество разнообразных термопластиков, каждый из которых производится для определенных целей, соответственно все они имеют разные физико-математические  характеристики.  Некоторые виды пластика твердые и прочные, другие мягкие и выдерживают только слабое воздействие; есть нетоксичный пластик для создания пищевой упаковки; пластик различается по цвету; по воздействию на него внешних и других факторов.

ABS производится на основе термопластичной смолы путем сополимерезации акрила, нитрила и  бутадиенстирола. Свойства ABS пластика могут
 немного различаться в зависимости от соотношения пропорций веществ в его составе. ABS – ударопрочный термопластик. Очень популярный благодаря своим физико-механическим свойствам. Он прекрасно обрабатывается - шкурится, сверлится, пилится. Хорошо подходит для печати функциональных моделей. Но к сожалению очень капризен к условиям окружающей среды во время печати, при сквозняке может случится расслоение модели, может давать сильную усадку при остывании.

 PLA - это алиатический полиэфир, состоящий из органических веществ, вроде картофельного крахмала или целлюлозы.
PLA обладает низкой усадкой, то есть потерей объема при охлаждении, что способствует предотвращению деформаций будущих моделей, не капризен и прост в использовании.
Стоимость PLA относительно невелика, что добавляет популярности этому материалу.

Глава 2. Создание 3д моделей на примере шахмат

2.1. Моделирование фигуры пешки с помощью экструдирования окружности

Для создание модели я решил воспользоваться программой Blender. Одной из основных фигур шахматной доски является пешка, с нее я решил начать моделирование.

1) В рабочем окне программы я добавил полисетку окружность на 32 грани. (Рисунок 6)

Рисунок 6. Полисетка окружность

2) С помощью инструментов вытягивания, экструдирования, и сужения/растягивания диаметра моей полисетк, и я преобразовал окружность в основу для пешки.(Рисунок 7)

Рисунок 7. Экструдирование окружности.

3) Для создания головной части пешки я воспользовался добавлением полигональной икосферой, поместив ее на получившееся ранее основание.(Рисунок 8)

Рисунок 8. Добавление полигональной икосферы.

2.2. Моделирование фигуры слона с помощью точечного выдавливания граней по осям координат

Создание фигуры слон очень похоже на создание пешки, за тем отличаем, что навершие слона мы моделируем сами в отличие от пешки. Использовал я точечное выдавливание граней и смещение их по осям координат. (Рисунок 9)

Рисунок 9. Точечное выдавливание граней

2.3. Моделирование фигуры коня по фоновому изображению

1) Для моделирования фигурки Коня, я воспользовался фоновым изображением, которое поместил на ось координат. (Рисунок 10)

Рисунок 10. Фоновый рисунок.

2) В процессе создания фигуры коня я пользовался экструдированием вверх, сдвигом и смещением по осям координат. Для прорисовки ушей выдавил и наклонил две грани.(Рисунок 11)

Рисунок 11. Процесс экструдирования коня по фоновому изображению

3) Для придания коню красивых отпекаемых форм я воспользовался модификатором сглаживания - сурфейс. (Рисунок 12)

Рисунок 12. Модификатор сурфейс

Глава 3. Печать моделей на 3д принтере

3.1. Экспорт созданных моделей в пригодную для 3д печати форму

Для того что- бы программа слайсер распознала созданную мной модель и подготовила ее для печати необходимо экспортировать созданные модели в формате *.stl. Для этого я воспользовался встроенным в Blender аддоном для 3d печати. (Рисунок 12)

Рисунок 12. Модуль для 3d печати

3.2. Сравнительное исследование качества получаемых моделей при различных настройках среды печати cura

Для печати получившихся моделей шахматных фигурок я открыл все три модели в программе Cura (Рисунок 13)

Рисунок 13. Отбражение моделей в среде программы Cura

Я настроил среду Cura в соответствии с теми настройками, которые рекомендовал производитель принтера. Диаметр нити 1,75мм, диаметр сопла 0,4, температура печати от 180-250, высота слоя 0,1мм, использовался пластик PLA.

При первом запуске модель не прилипла к столу, я подключил нагрев стола 70 градусов.

При повторном запуске с рекомендованными настройками при не высокой скорости модель напечаталась довольно качественно: видны полигонали шляпки но выпирает лишний пластик на ножке, это связано с отсутствием охлаждения в процессе печати.(Рисунок 14)

Рисунок 14. Результат печати на рекомендованных настройках без обдува.

Проблему охлаждения я попробовал решить печатая модель с обдувом (охлаждением) пластика реализованным за счет подключения кулера в программе Cura. Для Сокращения времени печати я попробовал напечатать три пешки одновременно. Принтер неплохо справился с задачей. И качество получаемых моделек в итоге не плохое за счет поэтапного охлаждения слоев при переходе принтера от модели к модели. (Рисунок 15)

\

Рисунок 15. Печать с охлаждением.

Подняв скорость с 50 до 100, в целях экономии времени печати я получил модель с расслоившимися слоями, принтер не успевал качественно зафиксировать нить пластика.(Рисунок 16)

Рисунок 16. Печать принтера на высокой скорости.

В целях экономии пластика я попробовал изменить параметры плотности заполнения и толщины стенок. При плотности заполнения 25% в узких местах готовой модели появляется лишний пластик. При заполнении 20 процентов этой проблемы не возникает. (Рисунок 17.). Так же я попробовал уменьшить толщину стенок с 0,8мм-0,4мм, в итоге при меньшей толщине модель получилась не достаточно прочной и легко деформировалась при надавливании.

Рисунок 17. Печать при заполнении 20% и 25% и разной толщине стенок.

3.3. Выбор оптимальных настроек среды и принтера для максимально быстрой и корректной печати

Для удобного сравнения результатов печати я объединил полученные результаты в таблицу. (Таблица 1)

Таблица 1. Сводная таблица показателей печати.

Для печать в высоком качестве необходимо запастись временем. Скорость печати необходимо опустить до минимальной иначе маленькие детали шахмат перегреваются и появляется лишние хвосты пластика, теряется форма полигоналей у пешки. Очень важен работающий обдув, без него качественной верхушки не получилось.
Печать в нормальном качестве, с меньшими затратами на время, очень не плохо получилась при одновременной печати трех моделей. Из-за поочередной печати слоев на нескольких моделях пластик успевает остыть и следующий слой ложится ровнее.

Заполнение самое оптимальное оказалось 20%, при большем заполнении лишний пластик скапливается и лезет наружу. (Рисунок 18)

Толщина слоя оптимальная 0,8 миллиметра, при меньшей, модель получалась мягкой и не очень прочной. Быстрый режим печати давал низкое качество и плохую укладку слоев. Низкое качество пойдет для "чернового" макетирования.

Рисунок 18. Результаты итоговой печати

Заключение

На основании проведенного исследования я могу с уверенностью сказать, что казавшиеся мне ранее волшебными и не постижимыми 3d технологии, доступны обычному школьнику. Приложив совсем немного усилий я научился создавать свою, пусть и не очень сложную, но объемную модель. Методом наблюдения и изменения входных настроек печати, нашел оптимальные параметры для воплощения моих фигур в реальные объекты.

В ближайшее время я планирую спроектировать и напечатать полный набор из 32 шахматных фигур, а также поле для игры. Я буду продолжать совершенствовать свои навыки владения средой моделирования и анимации Blender. Очень здорово, что такие высокие технологии стали общедоступны, даже в школах и возможно когда-нибудь я стану 3д-аниматором, 3д-повором, а может и 3д-хирургом!

Список литературы

1 . Учебник по cura 3d — как пользоваться программой-слайсером cura // опубликовано: 08.06.2017 © 3dpt.ru

2. «основы blender 2.6», автор james chconister, перевод юрий корбут и юрий азовцев

3. Http://rutracker.org/forum/viewtopic.php?t=3627777 blender: 3d-моделирование и анимация. Руководство для начинающих

4. Http://rutracker.org/forum/viewtopic.php?t=3629201 blender basics / основы blender (3-е издание) v. 2.49

5. 3d-печать с нуля подробное руководство по обучению работы на 3d принтере 2015год (с) горьков дмитрий

6. Энциклопедия 3d-печати // http://3dtoday.ru/wiki/3d_print/

7. Серия видиоуроков по 3d моделированию с помощью программы blender. От qiqerru

8. Blender. Начало. Видеоуроки blender на русском языке., от програмишка рф

9. "blender basics" (основы blender) джеймс кронистер

10. "третья промышленная революция. О 3d-принтерах подробно" сергей плотников

16