Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Информатика / Другие методич. материалы / 3D принтеры в образовании – технология будущего

3D принтеры в образовании – технология будущего

  • Информатика

Поделитесь материалом с коллегами:

hello_html_m1d674ebe.gif

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КОМИ

Государственное профессиональное образовательное учреждение

«Воркутинский политехнический техникум»






Доклад

Тема: «3D принтеры в образовании – технология будущего»









Выполнил студент

Козарез Татьяна Александровна


Руководитель

Хромцова Анастасия Игоревна







Воркута, 2015г.

Введение

3D принтер это специальное устройство для вывода трёхмерных данных. В отличие от обычного принтера, который выводит двумерную информацию на лист бумаги, 3D принтер позволяет выводить трехмерную информацию, т.е. создавать определенные физические объекты. В основе технологии 3D печати лежит принцип послойного создания (выращивания) твердой модели.

Как правило, 3D принтеры применяются для быстрого изготовления прототипов и используются в самых разных областях. Работа с реальными физическими моделями дает множество преимуществ тем, кто применяет технологию 3D печати. В первую очередь, это возможность оценить эргономику будущего изделия, его функциональность и собираемость, а также исключить возможность скрытых ошибок перед запуском изделия в серию. Таким образом, можно сэкономить значительное количество финансовых средств и времени благодаря сокращению цикла производства.

Целью данной работы является выяснить, так ли необходим нашему техникуму принтре с возможностью печати в 3D. И о целесообразности его использовании в образовательном процессе.

Актуальность выбранной темы связана с тем, что использование 3D принтера в нашем техникуме позволит визуализировать знания полученные в ходе изучения дисциплин. Применение 3D принтера позволит создавать 3D модели различных математических формул и фигур, химических элементов, молекулы ДНК, строение земной коры, строение комбаинов, запчастей автомобилей, узлов трубопроводов. Современные технологии позволяют с высокой точностью, с наименьшими затратами и в кратчайшие сроки создавать 3D модели.

3D принтеры широко используются в образовании:

  • Машиностроение. 3D принтеры способны создавать наглядные прототипы прямо по цифровым данным, позволяя студентам осмотреть свою конструкцию в 3D.

  • Промышленный дизайн. 3D принтеры могут производить модели любой сложности, которые могут быть отшлифованы и раскрашены для придания им вида готового изделия.

  • Изобразительное искусство. Студенты получают возможность воплощать свои проекты в материале и получать ценные отзывы о своих работах.

  • Биомедицинские исследования. Уникальная способность 3D принтеров печатать цветные изделия позволяет исследователям точно представлять трехмерные модели молекул.

Применение 3D принтеров в области образования постепенно становится идеальным решением для вовлечения студентов в образовательный процесс. Использование 3D печати в техникуме делает обучение интересным и увлекательным, понятным и доходчивым, позволяет студентам потрогать то, что представляют собой сложные и не всегда понятные абстракции и теории, отображенные в их тетрадях, ознакомиться с характеристиками и свойствами изучаемого предмета, получить наглядное представление о его функциях.

Прототипирование применяется многими ведущими западными, и все чаще отечественными,  высшими и общеобразовательными учреждениями. 3D принтеры совершенствуют процесс обучения, развивают у школьников и студентов образное мышление, приучают будущих специалистов к автоматизированному программированию и проектированию.

В образовании 3D принтер вещь не заменимая, особенно если речь идет о технических направлениях обучения. Студенты могут разрабатывать дизайн предметов, деталей и макетов прямо в аудитории, распечатывать, оценивать и тестировать их. 3D печать, включенная в учебную программу инженерных дисциплин, дает возможность студентам воплощать в жизнь свои конструкторские замыслы и идеи, тем самым увеличивает долю инноваций в их проектах.

Студенты, использующие 3D принтер в образовательных целях, получают возможность учиться на собственных ошибках. Ведь на бумаге или компьютере изъяны той или иной модели заметить не всегда можно, а создавая макет или какую-нибудь деталь, студент, смоделировав ее на компьютере в 3D программе, уже через небольшой промежуток времени держит ее в руках. Если что-то не получается, то это не проблема, можно попробовать еще и еще.

Трехмерная печать и прототипирование совершенствуют образовательный процесс в рамках различных специализаций и специальностей, включая архитектуру (создание наглядных макетов), промышленный дизайн и машиностроение (механическое конструирование), химию и биологию (применение 3D принтера при молекулярном моделировании), географию и археологию (географы и археологи могут работать над 3D моделированием местности), медицинское моделирование и хирургическое планирование и т.д.

В среднеспециальных учебных заведениях 3D печать и 3D принтеры должны становиться неотъемлемой частью обучения. Если же образовательные учреждения в нашей стране не будут использовать новые технологии, они перестанут быть по-настоящему образовательными.

3D-принтеры

3D-принтер — устройство, использующее метод создания физического объекта на основе виртуальной 3D-модели.

3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, но в основе любого из них лежит принцип послойного создания (выращивания) твёрдого объекта.

Виды 3D-печати

На сегодняшний день в 3D-печати господствует две принципиально разных технологии — это лазерная и струйная печать. При этом они тоже делятся на виды. Так, лазерная печать подразделяется на три вида: собственно, лазерная печать, лазерное спекание и ламинирование. Во всех этих способах используется своя технология производства продукции. Так, в случае лазерной печати принтер использует жидкий фотополимер, который засвечивается специальной ультрафиолетовой лампой при помощи фотошаблона. Затем все это превращается в твердый материал. Это, конечно, упрощенное описание технологии, но подробное просто выходит за рамки формата данной статьи.

Лазерное спекание проходит несколько иначе — лазер слой за слоем выжигает контур будущей детали на специальном порошке. То есть получается, что производство идет слой за слоем.

Наконец, в случае ламинирования процесс производства состоит из того, что готовый объект создается из большого количества разношерстных слоев, накладываемых друг на друга. Естественно, все это происходит не без помощи лазера.

В струйной печати присутствует два основных способа печати — это застывание материала при охлаждении и спекание порошкообразного материала. В первом случае происходит выдавливание термопластика по каплям на основу будущего продукта, а второй способ по своей сути очень напоминает лазерное спекание. Единственное отличие в том, что в данном случае порошок склеивается с помощью специально предназначенного для этой операции клея.

Материалы используемы при 3D печати.

Для современной 3D печати используется довольно большое количество материалов, из которых по слоям выращиваются нужные объекты. Материалы имеют довольно широкий спектр физико-химических свойств, а модели из них могут использоваться в самых разных областях. Ниже мы расскажем про самые популярные материалы для 3D печати.

ABS пластик

Один из самых распространенных пластиков в мире. Он очень ударопрочен, не токсичен и не имеет запаха. Из ABS, например, делают бампера для машин. АБС дает блестящую поверхность (имеются специальные марки с повышенным и пониженным блеском). Блеск зависит от условий переработки и увеличивается при повышении содержании стирола и при использовании специальных добавок. Температура плавления варьируется в диапазонах от 220 до 260 градусов по Цельсию. В продаже имеется в двух видах: нить (как правило, намотанная на катушку) и порошок.

Из особенностей можно отметить: невозможность получить прозрачные модели, невысокая гибкость пластика. 

abs пластик для 3d печати



PLA пластик

PLA пластик или полилактид - экологически чистый и абсолютно безопасный для людей и животных материал. Изготавливается из остатков биомассы, силоса сахарной свёклы или кукурузы. Температура плавления около 190-220 градусов по Цельсию. ПЛА - один из самых распространенных пластиков для 3D печати. Распечатанные из него объекты имеют отличный уровень скольжения и из такого пластика даже можно производить подшипники скольжения. Также они хорошо держат нагрузки на изгиб. PLA можно спокойно применять для изготовления детских игрушек.

К сожалению, есть и недостатки у этого пластика. Во-первых, это недолговечность - под воздействием тепла и света материал разлагается. Во-вторых, не очень высокая прочность при ударных нагрузках - их лучше выдерживает ABS пластик.

Эксперимент проекта

Что бы понять целесообразность внедрения технологии 3D печати в образовательный процесс, нами было принято решение по созданию 3D модели. От эскиза 3D объекта до самой модели.

1 Этап. Создание чертежа 3D в программе AutoCAD. Данный программный продукт был нами выбран в связи с тем что он изучается студентами нашего техникума в рамках дисциплины «Инженерная компьютерная графика». Создание 3D было поручено студенту 2 курса, специальности «Компьютерные сети». Для этого ему понадобилось 3 урока. Он использовал следующие команды: полилинии, отрезки, окружность, 3D тела и модели, выдавливание.

2 Этап. Перенос 3D чертежа из системы AutoCAD в программу ReplicatorG. Данный программный продукт распространяется бесплатно и совместно с 3D принтером. После запуска ReplicatorG в первую очередь необходимо:

1. Подключить устройство к компьютеру по USB и выбрать порт, к которому подключён 3D принтер в верхнем меню ReplicatorG (Machine->Connection(Serial Port)). Если после выбора пункта "Rescan serial ports" в списке не появилось новых устройств, необходимо установить драйвер.

Для установки драйвера нужно зайти в диспетчер устройств, раздел "Порты (COM и LPT)". Нужное устройство называется "Arduino Mega". Если напротив него стоит жёлтый восклицательный знак, значит требуется установить драйвер (правая кнопка мыши->обновить драйвер, путь до драйвера replicatorg_dir/drivers/FTDI USB Drivers).

2. Выбрать тип оборудования в меню Machine->Machine Type(Driver). Нужный тип называется Thingomatic w/ HBP and Stepstruder MK7

3. Нажать на кнопку "Connect"

После этого 3D принтер готов к работе

3D модель для печати должна быть в формате .*STL

Для проверки настройки 3D принтера рекоммендуется сначала попробовать напечатать модель куба, которая находится в папке с примерами программы ReplicatorG (ReplicatorG_path/examples/calibration/20mmbox.stl)

После того, как .stl файл будет открыт (File->Open) в ReplicatorG, главное окно программы примет следующий вид:

После этого необходимо преобразовать модель в G-code (кнопка Model to G-code). В появившемся диалоговом окне нужно выбрать ряд параметров.

Вкладка Settings

Layer Height (mm) - толщина слоя, установить в диапазоне 0.27-0.33mm

Feedrate (mm/s) - параметр, отвечающий за скорость печати. Рекомендуется установить "20", более высокая скорость может ухудшить качество печати.

replicatorG

Вкладка Plastic

Material type (тип материала) - ABS

Filament Diametr (диаметр пластикового прутка) - 1.7-1.8 mm

Вкладка Extruder

Nozzle Diameter (диаметр сопла экструдера) - 0.4 mm

После того, как все параметры указаны, нажмите кнопку "Generate G-code", а затем кнопку Build. Печать начнётся после нагрева 3D принтера.

3 Этап. Печать модели. Данный этап является полностью автоматизированный и не нуждается в участие человека. Программа ReplicatorG после завершения процесса печати выдает статистку печати. Ниже приведены краткие сведения из нее.

Таблица 1. Статистика печати 3D модели.

Цена модели

89,5 руб.

Время печати

5 ч. 47 мин.

Вес изделия

70 гр.

Длина нити

437, 8 км

Тольщина слоя

0,2 мм

Скорость печати

20 мм/с


Анализ рынка моделей 3D принтеров.

Нами был проанализирован рынок моделей 3D принтеров. Результаты представлены в виде таблицы 2.

Работа представленная на конференции выполнена на принтере модели Magnum creativ.


Таблица 2. Анализ рынка 3D принтеров в России.

hello_html_m4b22555b.jpg


Преимущества внедрение 3D технологии в образовательный процесс.

  • Увеличение научного потенциала учебного заведения - возможность для будущих поколений реализовывать свои идеи намного эффективней, чем это происходит сейчас.

  • Значительное повышение инновационной конкурентоспособности учебных заведений на мировом уровне.

  • Существенное ускорение и удешевление этапов прототипирования и экспериментального тестирования.

  • Внедрение в учебную программу модулей 3D позволит готовить высококвалифицированные кадры со школьной скамьи.

  • Общим преимуществом применения 3D печати является значительное повышение интереса учащихся к учебному процессу, т.к. она дает возможность визуально и тактильно оценить и протестировать результаты их работы. Существует достаточно доказательств того, что обучаемость повышается за счет получения активного опыта, особенно в сфере пространственных и абстрактных понятий, которые трудно визуализировать.

Заключение

Поставленная цель исследовательской работы выполнена.

Решены задачи:

  • Определены области применения 3D принтера;

  • Приведен расчет себестоимости 3D модели готовой продукции;

  • Приведен анализ рынка моделей 3D принтера.


3D технологии в образовании.


  1. Способствуют внедрению новых методов обучения, невозможных при классическом подходе.

  2. Существенно повышают инновационную конкурентоспособность СУЗов.

  3. Позволяют готовить квалифицированных специалистов при экспоненциальном увеличении применения технологий 3D в мире.

  4. Быстрое проникновение технологии во все сферы экономики потребует значительного количества соответствующих специалистов.

  5. Спрос на таких специалистов возможно удовлетворить только при системном внедрении технологии в образовательный процесс.

3D-печать – революционная и инновационная технология, неотъемлемый элемент в Образовании.

Ценность технологий 3D в Образовании будет стремительно возрастать.


Используемы источники:


  1. http://www.foto-business.ru/kak-vyibrat-3D-printer.html

  2. http://www.cnews.ru/top/2014/10/27

  3. http://3dtoday.ru/blogs/pe4a/made-in-russia-overview-of-domestic-3d-printers/

  4. http://idea5.ru/stati-o-3d-printerakh/98-programma-dlya-pechati-3d-printera-replicatorg.html



Автор
Дата добавления 13.11.2015
Раздел Информатика
Подраздел Другие методич. материалы
Просмотров945
Номер материала ДВ-151282
Получить свидетельство о публикации
Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх