Краснодарский край, г. Сочи
Муниципальное образовательное бюджетное учреждение Лицей № 59
Творческий проект
на городскую научно-практическую конференцию школьников
«Первые шаги в науку»
по теме:
МОИ ОЖИВШИЕ РИСУНКИ
(возрастная категория "Юниор" , естественнонаучная
секция техническая: анимация и 3D моделирование )
Выполнил:
Зозуля Валерия
Ученица 5 «Б» класса
МОБУ Лицей №59
Научный руководитель:
Мирная Ю.А.,
Учитель информатики
г. Сочи
2018
Оглавление
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
Тема моего проекта выбрана неслучайно. Мне нравится
заниматься техническим творчеством, я с удовольствием посещаю занятия по
робототехнике. В этом году наш класс стал специализированным и нам на выбор
предложили дополнительные внеурочные занятия, одним из которых было занятие «Информатика
в играх и задачах», в рамках этих занятий преподаватель познакомил нас
3D-ручками и объёмным рисованием.
У меня появилось много вопросов. Например, я
задумалась, почему ручка называется 3D-ручкой? Как она устроена? И кому
3D-ручка может быть полезна. Теперь я с уверенностью могу ответить на
любой из этих вопросов, поэтому решила посвятить этой теме свой творческий
проект.
В поисках ответов на свои вопросы, я нашла
множество готовых шаблонов для создания 3d-ручкой объемных моделей, но увы они позволили
реализовать далеко не все мои фантазии. Я задалась целью научится проектировать
свои шаблоны для рисования и 3d моделей.
Актуальность данного проекта заключается в том, что мир изменяется,
меняемся и мы! Изучение 3D технологий с каждым годом становится все более
значимым для современных детей. 3D ручка является инструментом, который
способен рисовать какое либо изделие в воздухе и им можно пользоваться.
Это не волшебство, а очередной технологический
прорыв в области 3D моделирования, его сфера применения по-настоящему огромна.
С помощью 3D ручки можно не только рисовать и экспериментировать в создании
поделок, но и решить множество бытовых проблем.
Использование 3D-ручки в учебном процессе поможет
учащимся лучше понять трёхмерное моделирование, что определит их
дальнейшие интересы. Умение работать с 3D ручкой даёт возможность
школьникам воплощать в жизнь свои конструкторские замыслы и идеи, развивать
творческие представления и способности в школе и дома.
Практическая значимость: Сейчас в современном мире 3D технологии все больше и больше входят в нашу
жизнь. Никого уже не удивляет 3d принтер, он есть даже у нас в школе. С помощью 3d-технологий печатают детали, дома, еду и уже активно используют в
медицине. 3D принтер воплощает в жизнь компьютерную модель
очень четко и формально, как-то механически - без души, а вот 3d-ручка открывает творческим людям целую огромную нишу для воплощения их
фантазий! В процессе рисования ручками можно очень легко и быстро менять цвета
пластика, легко переходить с одного вида пластика на другой. Можно совмещать
элементы созданные ручкой с чем угодно или просто что то ей починить. Ручкой
можно рисовать одежду, скульптуры, очень красивые витражные картины,
декоративную посуду, детские игрушки, геометрические модели - она дает просто
огромный простор для творчества.
Глава 1. Исследование 3d-ручек, принцип
работы.
1.1. Что такое 3d-ручка
3D-ручка - это компактный вариант 3D принтера: ей не печатают,
а рисуют трёхмерные модели на основе пластика, который
расплавляется в ручке. Это новое увлекательное изобретение для детей и
взрослых. Ручка немного напоминает прибор для выжигания, но с ней всё гораздо
интереснее. 3D ручка – это инструмент, который позволяет рисовать в воздухе.
Теперь мы сможете рисовать не в плоскости на бумаге, а в пространстве!
C помощью 3Д ручки можно создавать самые разные фигуры и объекты
прямо в воздухе, также можно рисовать по трафарету. Создаём модели, а нарисовав
их, берать в руки! Рисование 3Д ручкой затягивает и детей, и взрослых.
На сегодняшний день различают два вида ручек: холодные и
горячие.
Холодные 3D
ручки — печатают
быстрозатвердевающими смолами – фотополимерами.
«Горячие» ручки используют различные полимерные сплавы в
форме катушек с пластиковой нитью.
С 3D-ручкой можно делать игрушки, сувениры, а также она пригодится
для мелкого ремонта по дому, можно скреплять пластиком трещины, ремонтировать
игрушки и другие предметы, и т.п.
1.2 Принцип
работы горячей 3d-ручки
Пластиковая нить,
затягиваемая внутрь корпуса ручки, расплавляется внутри неё и выдавливается с
острия ручки (из сопла) в виде тонкой нити, которая затвердевает на воздухе
сразу после выхода из сопла. Внутри конструкции находится миниатюрный
нагревательный элемент, который мгновенно разогревает пластик до нужной
температуры и плавит его. Моторчиком, встроенным в ручку, горячий пластик
выталкивается наружу, а на воздухе нить сразу застывает. Поэтому строим модели
прямо на лету!
В задней части корпуса предусмотрено специальное отверстие,
в которое вставляется филамент. Встроенный механизм автоматически подводит
чернило к экструдеру, где оно расплавляется и выдавливается в расплавленном
виде наружу. (Рисунок
Рисунок 1. Устройство 3d-ручки.
В любой момент из ручки можно вынуть остаток нити и
вставить нить другого цвета, так что можно делать разноцветные модели.
Готовое изделие можно раскрашивать акриловыми красками или спрей-красками..
Металлический наконечник печатной головки нагревается до
температуры 240 °С, поэтому при работе с устройством следует придерживаться
базовых правил безопасности.
Несмотря на то, что ручки оборудованы встроенным
вентилятором для ускорения процесса застывания пластика, небрежное отношение к
прибору напрямую связано с риском получить ожег.
Габариты ручки позволяют легко удерживать ее в одной руке.
Незначительный шум при работе встроенного механизма не отвлекает от 3D
моделирования
Особенности конструкции горячей 3d-ручки
·
Внешний вид. В целом гаджет
напоминает большую ручку необычной формы. Середина самая тонкая. Где находится
непосредственно само сопло корпус немного увеличивается. В задней части имеется
специальное место для загрузки нити и подключения сети. (Рисунок 2)
·
Состав устройства. Современный
аппарат для трехмерной печати выполнен из высокопрочного пластика со
специальным покрытием soft-touch. Благодаря этому ручка не соскальзывает из
руки и достаточно приятна на ощупь.
·
Открыть корпус 3D-ручки не
составит труда с помощью небольшой отвертки. Открывать его может понадобится,
например, чтобы проверить насколько забита трубка, если вдруг нить стала плохо
вставляться в ручку.
Рисунок 2. 3D-ручка внутри.
·
Зеленая печатная плата,
электронные компоненты которой распаяны с обратной стороны ручки.
·
Два стандартных двухконтактных
разъема: входной, через который идет питание от зарядного устройства; выходной,
к которому подключен двигатель экструдера.
·
Хот-энд находится в черной
насадке, из которой выходит сопло. Его также можно снять. Сопло керамическое.
·
Нагреватель и термодатчики.
·
Прозрачная трубка, по которой
проходит нить через весь корпус к хот-энду.
·
В задней части ручки
расположен экструдер с небольшим двигателем.
Гаджет достаточно эргономичен. Его удобно держать в
руке даже ребенку.
1.2. Правила
работы с 3д-ручкой, техника безопасности
1. Данное оборудование предназначено для детей
старше 8 лет и взрослых. Во время работы с данным оборудованием дети должны
быть под присмотром взрослых.
2. Сопло 3D ручки разогревается до высоких
температур (max.230 С), поэтому во избежание возгораний и ожогов не
прикасайтесь соплом ручки к другим предметам и телу.
3. Категорически запрещается использовать материалы
не предусмотренные для работы 3D ручки.
4. Категорически запрещается стучать печатающей
головкой по твердым предметам.
5. Запрещается использование адаптеров другой
мощности, отличной от мощности компании производителя.
6. В силу различных физических свойств ABS
пластика, строго запрещается использование других пластиков.
7. Данное оборудование относится к категории
высокоточных электронных приборов, пожалуйста, держите его подальше от воды.
8. После каждой работы на 3D-ручке выгружайте из
неё материал печати и выключайте из сети.
Начало работы (Рисунок
3), (Рисунок 4)
1. Вставьте вилку блока питания в розетку, а штекер
— в гнездо подключения адаптера сети на ручке. Должен загореться желтый
светодиод. 3D ручка включена и находится в режиме ожидания.
2. Нажмите кнопку загрузки и рисования. Загорится
красный светодиод и ручка начнёт разогреваться. Спустя 0.5 – 2 минуты вместо
красного загорится голубой светодиод, что будет означать, что 3D ручка
нагрелась до требуемой температуры и готова к использованию.
3. Вставьте расходный материал в отверстие для
загрузки нити, которое находится на конце ручки. Другой рукой зажмите кнопку
загрузки и рисования - начнётся загрузка нити посредством встроенного в ручку
моторчика. Продолжайте удерживать кнопку загрузки и рисования до тех пор, пока
из головки пера не начнёт выходить жидкий пластик. Загрузка расходного
материала успешно завершена.
4. Можете приступать к рисованию. (Регулятор
скорости позволяет менять скорость подачи расходного материала в зависимости от
скорости движения 3D ручки, давая возможность рисовать одной рукой.)
5. Не дотрагивайтесь до головки и других горячих
частей 3D ручки в процессе рисования.
6. Если 3D ручка не используется в течение 5 минут,
она автоматически переходит в режим ожидания. Светодиод, показывающий, что
ручка работает, выключится. Чтобы вновь включить 3D ручку, необходимо нажать
кнопку загрузки и рисования.
7. Если вам необходимо вытащить нить или произвести
её замену, зажмите кнопку выгрузки пластиковой нити и моторчик 3D ручки
самостоятельно начнет извлекать нить. Вытащите нить из ручки. Для замены
пластика, повторите процедуру загрузки и пункта. 3.
* Время разогрева 3D ручки зависит от установленной
температуры нагрева и температуры окружающей среды.
Рисунок
3. Первая сторона 3D-ручки
Рисунок
4. Вторая сторона 3D-ручки
1.3. Холодные 3D-ручки,
принцип их работы
Как уже отмечалось выше, холодные ручки заправляются
фотополимерной смолой.
Устройство лишено нагревательных элементов, поэтому его
можно смело доверить даже маленьким детям. Фотополимер моментально затвердевает
под воздействием мощного встроенного источника ультрафиолетового света.
Через сопло ручки подается
фотополимер. (Рисунок 5) Он твердеет под воздействием встроенного в
устройстве источника ультрафиолетового света. Как правило, затвердевание чернил
происходит моментально. В качестве источника ультрафиолетового света выступают
несколько ультрафиолетовых диодов.
В работе 3D ручка использует
катриджи с чернилами-полимерами. Фотополимеры выгодно отличаются от пластика
тем, что они могут быть цветными, эластичными и люминесцентными, так и
магнитными, а встречаются и термополимеры, меняющие цвет в зависимости от
температуры окружающей среды. Но меры предосторожности следует соблюдать и
здесь, например, при использовании холодных 3D ручек рекомендуется надевать
специальные очки, защищающие глаза от ультрафиолетового излучения. Также
отсутствие нагревательного элемента делает ненужным наличие шумного вентилятора
и избавляет от вдыхания токсичных испарений пластика (в частности, горячего
пластика).
Рисунок 5. Устройство холодной 3d-ручки
3D ручку не обязательно подключать к электросети или USB порту во
время работы, поскольку они способны работать от встроенного аккумулятора.
Встроенного аккумулятора в таких 3D ручках обычно хватает на пару часов
непрерывной работы, а индикатор заряда устройства подскажет, когда пришло время
подключить 3D ручку к микро-USB. Для того чтобы сменить расходный материал
холодной 3D ручки, достаточно сменить капсулу-картридж с чернилами.
Ультрафиолетовые 3D ручки способны работать в трех режимах:
1.
Выдавливание фотополимера с включенными
ультрафиолетовыми диодами - полимер выдавливается из ручки, подсвечивается
ультрафиолетом и застывает;
2.
Выдавливание полимера без
включения источника ультрафиолетового (УФ) излучения - выдавливается
необходимое количество фотополимера, создается форма, затем включается свет;
3.
Включение светодиодов без
выдавливания полимера - данный режим позволяет включать лишь источник УФ, без
подачи фотополимера.
С
ультрафиолетовой 3D ручкой всегда можно сначала выдавить фотополимер, придать
ему требуемую форму, например, с использованием специально предназначенного для
этого инструментов, или обычной зубочистки или отвертки, после чего осветить
готовую заготовку ультрафиолетом.
Использование холодных чернил позволяет наносить
причудливые рисунки на открытую кожу без риска обжечься. Материал не имеет
запаха, зато представлен в огромном количестве цветовых исполнений. Существуют
прозрачные, биоразлагаемые, цветные, эластичные, токопроводящие и даже
светящиеся в темноте смолы.
Одного заправленного
картриджа фотополимера, как правило, хватает для того чтобы нарисовать линию
длиной 10-14 метров диаметром 1 – 3 мм при толщине сопла 3D-ручки в 1
миллиметр.
Если сравнивать
энергопотребление УФ 3Д ручки с горячей 3Д-ручкой, работающими с пластиком, то
преимущество первой очевидно, поскольку она потребляет энергии ровно столько,
сколько нужно светодиодам, излучающим ультрафиолетовый свет, в то время как
“пластиковые” ручки расходуют электроэнергию на расплавление пластиковой нити и
на последующий ее обдув с целью остудить пластик для того, чтобы он схватился и
затвердел.
Говоря о защите глаз от
ультрафиолетового света (лучистой энергии), излучаемого холодными 3D ручками,
стоит отметить, что некоторые модели 3D ручек, например, Polyes Q1, отключают
питание светодиодов, чтобы пользователь не испортил зрение. Ожог глаза ультрафиолетом
(фотоофтальмия) относится к разряду термических ожогов глаз и называется
электроофтальмией, по своему характеру схожим со снежной слепотой, еще
называемым глетчерным катаром, который встречается у членов арктических
экспедиций, первопроходцев севера, альпинистов, которые пренебрегают
использованием специальными очками, защищающими от ультрафиолетового света, как
маска сварщика защищает глаза работающего со сваркой сварщика
1.4. Выбор пластика для печати 3d-ручкой
Перед каждым, кто решил купить 3d ручку или 3d принтер,
обязательно встает выбор: «Чем рисовать 3D ручкой? Какой пластик выбрать? ABS
или PLA?». И хотя современные 3D-ручки работают с любым из них, каждый
пластик для 3d ручек имеет свои особенности.
Я попробую разобраться, в плюсах и минусах каждого из них.
1.
Рассмотрим физические свойства 3d пластиков, которые могут сказаться в разные
моменты творчества. (Таблица 1)
(a) Творческая
задумка
|
(b)
PLA пластик
|
(c)
ABS пластик
|
|
Рисуем острые углы (менее 90 градусов)
|
|
|
|
Рисуем свободно стоящие детали (спирали, вертикали)
|
|
|
|
Рисуем объемные детали, наложением пластика слоями.
|
|
|
|
Использование гибких частей модели.
|
|
|
|
Отделяем деталь от поверхности бумаги.
|
|
|
|
Рисуем на бумаге длинные линии
|
|
|
|
Рисунок на поверхностях из стекла, металла и керамики
|
|
|
|
Рисуем полупрозрачные объекты.
|
|
|
Таблица 1. Рассмотрим физические свойства 3d
пластиков
2. Судя
по результатам в таблице, мы можем точно сказать, что PLA пластик более
подходящий для рисования 3D ручками, но я хочу еще написать про происхождении
пластиков и особенностях их эксплуатации.(Таблица 2)
|
(d) PLA пластик
|
(e) ABS пластик
|
|
Из чего производится?
|
Растительная основа (кукуруза, кукурузный крахмал, соя)
|
На основе нефти
|
|
Распространенность
|
Менее распространен, но пластики на растительной основе активно
развиваются в последние годы, и все чаще используются производителями.
|
Большинство пластиков, с которым вы сталкиваетесь ежедневно, это
ABS.
|
|
Запах
|
Запах отсутствует совсем, либо присутствует легкий сладковатый
запах слегка схожий с запахом кукурузы.
|
Запах горящей пластмассы (рекомендуется работа в хорошо
проветриваемых помещениях)
|
|
Твердость,
прочность
|
Жесткий, но более хрупкий. Может ломаться при усилии к сгибанию.
|
Жесткий, устойчивый к ударам. При этом устойчив к легкому
сгибанию.
|
|
Температура
плавления
|
180 – 240C
|
225 – 250C
|
|
Устойчивость
к внешней среде
|
Подвержен воздействию влаги и солнечного света и перегреву в
процессе эксплуатации. При этом перегрев наступает при более низких
температурах.
|
Подвержен к воздействию влаги, солнечного света, так же как и к
перегреву в процессе эксплуатации. При этом более устойчив к
воздействию химических веществ.
|
|
Липкость
|
Высокая липкость позволяет рисовать на большинстве поверхностей
включая стекло, керамику и металл.
|
Низкая липкость, но достаточная для рисования на бумаге.
|
|
Внешний вид
|
Множество вариантов внешнего вида, включая полупрозрачный и
светящийся в темноте.
|
Чаще всего обладает блестящей глянцевой поверхностью.
|
|
Загрязнение
окружающей среды
|
PLA это пластик, который имеет растительное происхождение и
является биоразлагаемым в агресивной среде.
|
Может быть переработан как обычный пластик.
|
Таблица 2. Происхождении
пластиков и особенностях их эксплуатации
Выводы: Нет объективного преимущества ни у одного из 3d
пластиков. Замечательные вещи можно творить из любого из них. Но с небольшим перевесом,
по нашему мнению, побеждает все-таки пластик PLA. Если вы новичок, и не имеете
навыка для создания сложных творений, которые стремятся ввысь, то PLA лучший
выбор. Он хотя и обладает некоторыми ограничениями, но возможностей у
него гораздо больше. Множество его вариантов позволяют создать практически все
что угодно. В зависимости от задумки можно рисовать полупрозрачным и прозрачным
3d пластиком, или взять светящийся в темноте пластик для 3d ручек. И один
из важных аргументов это конечно запах. Чаще всего 3d ручку мы покупаем детям,
а детское здоровье для нас важнее всего.
Глава 2. Создание живых рисунков с помощью
3d-ручки
2.1. Способы рисования 3d-ручкой
Для воплощения своих фантазий я выбрала ручку RP-100А . Эта
3D ручка относится к устройствам первого поколения. Вес модели RP-100А
составляет всего 65 грамм, поэтому её очень легко держать в руке. В качестве
материала в приборе используются нити популярного ABS пластика. Модель имеет
три режима регулировки, позволяющие корректировать скорость и толщину линий во
время процесса рисования. 3D ручка RP-100А выпускается несколькими известными
фирмами: MyRiwell, Spider Pen и Dewang. Заказать устройство можно на
официальных сайтах этих производителей. Средняя стоимость модели составляет
примерно 3000 рублей.. Принцип работы моей 3D ручки прост. В отличие
от обычных приспособлений для письма и рисования, вместо чернил заправляется
пластиковая нить. Это позволяет рисовать или писать в воздухе!!
Взяв ручку в руки первый раз я сразу начала пробовать разные
способы рисования ей, Ведь ручкой можно рисовать в воздухе послойно складывая
не большую скульптурную фигурку, так я нарисовала мою любимую собаку -
далматинца.(Рисунок 6)
Рисунок 6. Далматинец
Можно рисовать с
трафаретной опоры - это когда на бумаге рисуется основа для будущ
ей картинки, а уже
потом из основы вверх растет будущая скульптура. Таким Способом я нарисовала
дерево.(Рисунок 7)
Рисунок
7. Сказочное дерево
В интернете на
сегодняшний день очень много готовых трафаретов для рисования
3d-ручкой
(Рисунок 8). Их нужно всего лишь скачать, обвести и собрать детали в готовую
работу.
Порисовав
немножко по таким трафаретам мне захотелось научится создавать их самой.
Рисунок 8. Готовые трафареты для рисования
3d-ручкой.
Глава 3. Рисования 3d-ручкой по
трафаретам
3.1 Моделирование
трафаретов для рисования 3d-ручкой в Paint
Вдохновившись видеоуроком из интерета "РИСУЮ КОТА САМОЙ ТОНКОЙ 3D РУЧКОЙ В МИРЕ | РАЗНОЦВЕТНЫЙ КОТ
DIY 3D РУЧКА" (Рисунок 9) Мне захотелось попробовать сделать, что-то
подобное. Для этого нужно было научится строить трафарет.
Рисунок
9. Разноцветный кот.
Для создание своих
трафаретов я выбрала программу Paint.
Она очень простая в использовании, полностью подходит для моих потребностей. Paint — бесплатный растровый
графический редактор рисунков и фотографий для Windows, разработанный на
платформе .NET Framework.
Используя стандартные
фигуры для рисования и операции копировать/вставить и отразить/повернуть, я
построила трафарет для рисования снежинки. (Рисунок 10)
Рисунок 10. Трафарет снежинки.
Далее трафарет был
напечатан и обведен 3d-ручкой с двух
сторон. (Рисунок 11)
Рисунок
11. Снежинка.
После снежинки я
нарисовала трафарет полигонального лося, елочки и дельфина, для того чтобы
попробовать повторить технику из понравившегося видео.(Рисунок 12) (Рисунок13)
Рисунок
12. Полигональный Лось.
Рисунок
13. Полигональная ёлочка и дельфин.
Еще я попробовала нарисовать
трафарет для создания объемных елочных игрушек, состоящих из двух деталей,
которые можно после рисования составить вместе и закрепить горячим пластиком.
(Рисунок 14.)
Рисунок
14. Елочные игрушки
Заключение
3D-ручки еще только развиваются, их сложно пока
что разделить на любительские и профессиональные. Опытный человек и с помощью
RP100A сможет создать интересную вещицу. Навыки использования подобных
устройств в данном случае особенно важны. Я буду
продолжать совершенствовать свои навыки владения 3d-ручкой.
В будущем я очень хочу освоить объемное моделирование в одной из программ для
создания 3d
моделей типа Blender
или 3d MAX.
Мне кажется, что за новыми технологиями будущее, они все глубже входят в нашу
жизнь. И сейчас любой ребенок может оживить свои рисунки, создать неповторимые
поделки. Такой вид творчества развивает фантазию и пространственное мышление.
Список литературы
1
. http://paintnet.ru/
2. РИСУЮ КОТА САМОЙ
ТОНКОЙ 3D РУЧКОЙ В МИРЕ | РАЗНОЦВЕТНЫЙ КОТ DIY 3D РУЧКА видеоурок
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
