Размещено на http://www.allbest.ru/

Москва 2011

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине "Информатика"

Тема "3D принтер. Послойное создание (выращивание) твердого объекта"

Введение

Актуальность выбранной темы связана с тем, что создание прототипа или трехмерной модели всегда было весьма долгим и сложным процессом, и сопровождалось, как правило, большим количеством ошибок. Современные технологии позволяют с высокой точностью, с наименьшими затратами и в кратчайшие сроки создавать 3D-модели. Для этих целей используются 3D принтеры (по-другому их еще называют 3d printer или принтер 3д), причем другие решения не обеспечивают такой же точности и скорости выполнения работ.

Цель данной курсовой работы - дать основные представления о 3D принтерах, их структуре и использовании.

Темой моей курсовой работы является "3D принтер. Послойное создание (выращивание) твёрдого объекта". С помощью 3D принтеров, вы сможете посмотреть, как в объеме будет выглядеть ваш проект дома, автомобиля или всего лишь детали от него. 3d принтер - это специализированное оборудование, которое позволяет на основе 3d-модели создать физический объект. Существуют различные типы 3d принтеров, но в основе работы каждого из них лежит принцип послойного создания объекта. Результатом работы является объемная модель с максимальным разрешением и в высоком качестве. 3d принтеры уже сейчас успешно конкурируют с традиционными технологиями производства. По сравнению с производством полного цикла 3d принтеры значительно дешевле и быстрее. Кроме того, они просты в эксплуатации, и для того чтобы осуществить печать на 3d принтере, достаточно знать компьютер на уровне уверенного пользователя.

Для выполнения курсовой работы, использованы технические средства:

Рисунок 1 Технические средства

3D-принтер - устройство, использующее метод создания физического объекта на основе виртуальной 3D-модели. Это устройство вывода трехмерных данных, как правило, объемной геометрии. Система 3D создает объемные физические прототипы путем отверждения слоев рассыпчатого порошка при помощи жидкого связующего вещества. Система 3D чрезвычайно универсальна и быстра, позволяет получать прототипы сложной геометрии во множестве областей применения.

Рисунок 3 Новейший интерфейс 3D - принтера.

3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, но в основе любого из них лежит принцип послойного создания (выращивания) твёрдого объекта. Это устройство вывода компьютерных 3d данных. Все что нужно для создания физического макета - файл, созданный в любой программе для 3d моделирования. Современные технологии 3D принтера позволяют создать макеты практически любых объектов, будь то коттедж или игровой персонаж, с высокой степенью точности. Такие макеты могут быть использованы как для внутреннего использования в компаниях, так и для презентации перед потенциальными инвесторами. При этом от качества исполнения предоставленного макета зависит и общее впечатление от проекта.

Габариты самого принтера составляют 63,5х50,8х50,8 см и производитель считает, что такие устройства вполне применимы не только в условиях специализированных рабочих мест, но и дома.

1.3 Принцип работы 3D принтеров

принтер деталь печать литейный

Принцип действия 3D принтера очень схож с обычным струйным принтером, самое главное в нём - это печатающая головка, только вместо чернил здесь используется особое клеящие вещество, а вместо бумаги - гипсовый порошок. Порошок, который станет основой модели, по сути это как загрузка листа в обычный принтер. Теперь за дело берётся печатающая головка, которая сама перемещается над поверхностью порошка, наносит на него клей точно в пределах сечения будущей 3Д модели. В местах, где головка наносит клеящее вещество, порошок склеивает и твердеет, а в остальных местах остаётся не тронутым. Поверх ложится ещё один слой гипса.

Рисунок 4 Гипсовый порошок

Печать происходит послойно, программа «режет» модель (или группу моделей) на слои, которые потом принтер и будет печатать один за другим. Время печати одного слоя - 2-4 минуты. Роликовый механизм переносит материал для печати из подающей камеры на рабочую платформу, (захватывается на 30%).С каждым новым проходом область печати опускается на 0.1 миллиметр вниз, а валик забирает очередную порцию порошка из хранилища, равномерно раскатывает его по поверхности. Фигурка растёт со скоростью всего 2 миллиметра в минуту. В тот момент, когда печатающая головка наносит клеящее вещество в то место, где будет цветная поверхность, к клею примешиваются самые обычные цветные чернила из самого обыкновенного картриджа для струйного принтера. Благодаря этому можно сделать модель с любым рисунком на поверхности. Когда печать закончена, лишний порошок ссыпается обратно в бункер для дальнейшего использования. Далее фигурку очищают от порошка, в специальной камере с помощью сжатого воздуха. Этот недолгий процесс занимает около 10 минут. Чтобы придать хрупкой статуэтке прочность, её нужно покрыть специальным составом, чаще всего используется эпоксидная смола или воск. На таком принтере можно создавать абсолютно любые модели, даже с подвижными частями, особенно это может быть полезно для инженеров и дизайнеров. Константин Афанасьев. 3D принтеры//3D news. Daily Digital Digest.

Рисунок 5 Получение объёмной детали

Возможности 3d печати безграничны, компания Lockheed продемонстрировала на британском авиа шоу в Фарнборо большой беспилотный самолёт, большая часть которого была изготовлена методом трёхмерной печати. Самолёт Polecat - это летающий прототип, призванный показать работоспособность новой технологии 3d печати. К достоинствам такого изготовления деталей относится не только скорость, но и сравнительно низкая стоимость таких деталей, а это - главная цель.

Для производства игрушек - даже и эксклюзивных пока что, учитывая стоимость расходных материалов, - 3Dпринтеры подходят весьма неплохо. Тем более что в одну камеру, в которой осуществляется печать, можно поместить как минимум 6 игрушек. Вопрос практичности, быть может, тут и остаётся, но с другой стороны, в США один предприимчивый товарищ поставил производство крупномасштабных игрушечных статуэток, изображающих персонажей World of Warcraft, на коммерческие рельсы. За каждую статуэтку он просил по сотне долларов. Через некоторое время ему пришлось резко прервать приём заказов, потому что их набралось десятки тысяч, и начать закупать новые принтеры, чтобы хоть как-то ускорить процесс и успеть выполнить все заказы.

На данном этапе, как уже сказано, 3D-принтеры - в силу их дороговизны (ZPrinter450 стоит, например, более 56 тысяч долларов) востребованы в основном в узкопрофессиональных средах, в уже упоминавшихся конструкторских бюро, у разработчиков обуви, среди архитекторов и дизайнеров, в общем, всех тех, кому нужны объёмные материальные макеты. Благодаря всеобщему признанию технологий конструирования на основе 3D принтеров, большинство отраслей промышленности уже сегодня создают 3D конструкции, которые готовы к печати на 3D принтерах. Программное обеспечение, управляющее 3D принтерами, принимает все основные форматы фалов, содержащих 3D геометрию, включая .stl, .wrl, .ply, and .sfx файлы, они могут экспортировать все основные пакеты 3D моделирования.

В дополнение к основным применениям в архитектурном дизайне и машиностроении, 3D печать занимает новые ниши, в их числе: медицинское, молекулярное и пространственное моделирование. Дополнительными источниками данных являются: диагностические данные с CT/MRT аппаратов, база данных моделирования молекул протеина и оцифрованные поверхности с 3D сканеров. Так как конструирование и моделирования с использованием 3D принтеров стало широко распространенным, было разработано множество специализированных программных средств для конкретных отраслей промышленности.

Рисунок 6 Модель офиса

Огромным шагом в этом направлении стало появление сайтов типа Shapeways и I.materialise, которые позволяют любому человеку загрузить на сайт трехмерный файл, тут же изменить масштаб изделия и выбрать материал, из которого он будет изготовлен, а потом заказать свой товар и ждать, когда он придет по почте.

3D принтер затрачивает на печать дополнительно незначительное количество времени по сравнению с печатью одного изделия. При печати, 3D принтером, точность, в основном, зависит от возможности нанесения материала в нужном месте в нужное время. Данная возможность зависит от размера сопла и механических приводов. Использование высокоточных струйных головок в 3D принтере позволяет получать качественные детали с высоким разрешением. Увеличению общей скорости 3D принтера способствует и метод нанесения материала. 3D принтеры переносят при помощи ролика до 90% материала модели, что невероятно эффективно и быстро, и наносят небольшое количество рабочего материала, связующей жидкости, через печатающие головки. Некоторые 3D принтеры дают возможность печатать в камере модели друг над другом без использования дополнительных поддерживающих структур. В 3D принтерах пользователи могут размещать детали по всему объему рабочей камеры, этим самым еще более сокращая суммарные временные затраты на создание прототипов. Юрий Ильин. 3D-принтеры: личное знакомство//железо и софт

Рисунок 7 Части тела, воспроизведённые на 3D - принтере

Понятный пользовательский интерфейс и простой процесс изготовления прототипов делают 3D принтеры доступными для всех, кто вовлечен в процесс конструирования. Пользователи могут работать с 3D принтером прямо у себя в офисе т.к. используемые материалы 3D принтера нетоксичны, абсолютно безопасны и не требуют создания специального рабочего помещения, такого как лаборатория или мастерская. Благодаря простым процедурам подготовки к работе и понятному интерфейсу программы любой может эффективно использовать 3D принтеры, что исключает необходимость держать в штате специализированного оператора. Надежная технология 3D принтеров не требует контроля процесса во время печати, вмешательство пользователей ограничивается лишь несколькими операциями по подготовке принтера и извлечению прототипов, что обычно не превышает одного часа.

3D принтеры функционируют практически без отходов. Неиспользованный порошок окружает и поддерживает сложные детали в процессе печати. Пользователи могут многократно использовать не пропечатанный порошок. Таким образом, основным фактором стоимости созданного прототипа является только ее объем. 3D печать, в конечном итоге, является самой быстрой из представленных на рынке коммерческих технологий.

В статье журнала The Economist под названием The Printed World приведены слова Терри Уолерса, исследователя в области 3D-печати. Он говорит, что в настоящий момент более 20% произведенных на 3D-принтеров изделий - окончательные продукты, а не прототипы, для изготовления которых и была придумана технология. Уолерс предсказывает, что уровень производства окончательных продуктов вырастет до 50% к 2020 году.

Можно предположить, что рост будет гораздо интенсивнее: это будет связанно с внедрением новых способов производства из разного рода материалов и захватом новых областей промышленности. Чтобы технология трехмерной печати стала доступна как атрибут дома или офиса, необходимо, чтобы она была дешевой, простой в использовании и давала то, что нельзя получить другим способом. Одним из главных преимуществ 3D-печати является ответ на потребности в реальном времени. Энциклопедия "Википедия"

Рисунок 8 Проект жилого дома

3D принтер позволит Вам:

- быстро изготовить нужную деталь, или ее прототип единичным экземпляром;

- избежать дорогостоящих ошибок конструктора.

- быстрое изготовление прототипов моделей и объектов для дальнейшей доводки. Уже на этапе проектирования можно кардинальным образом изменить конструкцию узла или объекта в целом. В инженерии такой подход способен существенно снизить затраты в производстве и освоении новой продукции.

1.5 Изготовление моделей и форм для литейного производства

Конструкция из прозрачного материала позволяет увидеть работу механизма «изнутри», что в частности было использовано инженерами Porsche при изучении тока масла в трансмиссии автомобиля ещё при разработке

Производство сложных, массивных, прочных и главное недорогих систем. Например, беспилотный самолёт Polecat компании Lockheed, большая часть деталей которого была изготовлена методом скоростной трёхмерной печати.

Перспективность данной технологии не может вызывать сомнений. К примеру, разработки Университета Миссури, позволяющие наносить на специальный биогель сгустки клеток заданного типа. Развитие данной технологии - выращивание полноценных органов.

3D принтер можно использовать в медицине при зубном протезировании.

2. Практическая часть

Задача о расчете количества израсходованного топлива и перевезенного груза за неделю. В задаче требуется определить количество израсходованного горючего.

Дано:

Агентство по грузоперевозкам «Летучий голландец» предоставляет услуги по перевозке грузов по различным маршрутам. Данные о маршрутах, выполненных в течение недели, по каждому водителю приведены в таблице на рис.9. Справочные данные о технических характеристиках автомобилей и протяженности маршрутов приведены на рис. 10 и 11.

1. Построить таблицы по приведенным ниже данным.

Рисунок 9 Данные о выполненных маршрутах

2. Выполнить расчет количества израсходованного топлива каждым водителем и веса перевезенного груза, данные расчета занести в таблицу (рис.10).

3. Организовать межтабличные связи для автоматического формирования ведомости расхода топлива за неделю.

4. Сформировать и заполнить ведомость расхода горючего каждым водителем за неделю (рис. 13).

5. Результаты расчета количество израсходованного топлива за неделю представить в графическом виде.

Рисунок 10 Технические характеристики автомобилей

Рисунок 12 Ведомость расхода горючего

Решение:

1. Запустить программу Excel 2003.

2. Создать книгу с именем «Летучий голландец».

3. Лист 1 переименовать в лист с названием «Маршруты».

4. На рабочем листе «Маршруты» MS Excel создать таблицу с данными о выполненных маршрутах за неделю.

5. Заполнить таблицу с данными о выполненных маршрутах за неделю исходными данными (рис. 14).

6. Лист 2 переименовать в лист с названием «Автомобили».

7. На рабочем листе «Автомобили» MS Excel создать таблицу с техническими характеристиками автомобилей.

8. Заполнить таблицу с техническими характеристиками автомобилей исходными данными (рис. 15).

Рисунок 13 Таблица «Данные о выполненных маршрутах» на рабочем листе Маршруты MS Excel

Рисунок 14 Таблица «Технические характеристики автомобилей» на рабочем листе Автомобили MS Excel

9. Лист 3 переименовать в лист с названием «Рейсы».

10. На рабочем листе «Рейсы» MS Excel создать таблицу с данными о протяженности рейсов.

11. Заполнить таблицу с данными о протяженности рейсов исходными данными (рис. 16).

12. Заполнить графу «Протяженность рейсов, км» таблицы «Данные о выполненных маршрутах», находящейся на листе «Маршруты» следующим образом: занести в ячейку F4 формулу: =ПРОСМОТР(D4;рейсы!$B$4:$C$7), размножить введенную в ячейку F4 формулу для остальных ячеек (F5:F10).

Рисунок 15 Таблица «Протяженность рейсов» на рабочем листе Рейсы MS Excel

13. Заполнить графу «Расход топлива на 100 км, л» таблицы «Данные о выполненных маршрутах», находящейся на листе «Маршруты» следующим образом: занести в ячейку G4 формулу: =ПРОСМОТР (C4;автомобили!$B$4:$C$6), и размножить введенную в ячейку G4 формулу для остальных ячеек (G5:G10) данной графы.

14. Заполнить графу «Израсходовано топлива, л» таблицы «Данные о выполненных маршрутах», находящейся на листе «Маршруты» следующим образом: занести в ячейку H4 формулу =F4*E4/100*G4, и размножить введенную в ячейку H4 формулу для остальных ячеек (H5:H10) данной графы.

15. Заполнить графу «Грузоподъемность, т» таблицы «Данные о выполненных маршрутах», находящейся на листе «Маршруты» следующим образом: занести в ячейку I4 формулу =ПРОСМОТР(C4;автомобили!$B$4:$B$6;автомобили!$D$4:$D$6), и размножить введенную в ячейку I4 формулу для остальных ячеек (I5:I10) данной графы.

16. Заполнить графу «Вес перевезенного груза, т» таблицы «Данные о выполненных маршрутах», находящейся на листе «Маршруты» следующим образом: занести в ячейку J4 формулу =I4*E4, и размножить введенную в ячейку J4 формулу для остальных ячеек (J5:J10) данной графы.

17. Заполнить строку «Итого» таблицы «Данные о выполненных маршрутах», находящейся на листе «Маршруты» следующим образом: занести в ячейку F11 формулу =СУММ(F4:F10), и размножить введенную в ячейку F11 формулу для остальных ячеек (G11:J11) данной строки.

18. Заполнить строку «В среднем» таблицы «Данные о выполненных маршрутах», находящейся на листе «Маршруты» следующим образом: занести в ячейку F12 формулу =СРЗНАЧА(F4;F5;F6;F7;F8;F9;F10), и размножить введенную в ячейку F12 формулу для остальных ячеек (G12:J12) данной строки. (Рис. 16)

Рисунок 16 Таблица «Данные о выполненных маршрутах» на рабочем листе Маршруты MS Excel

19. Лист 4 переименовать в лист с названием «Шаблон».

20. Разработать шаблон таблицы «Ведомость расхода горючего» (рис. 17).

Рисунок 17 Шаблон таблицы «Ведомость расхода горючего»

21. На рабочем листе «Ведомость расхода горючего» MS Excel создать «ведомость расхода горючего» каждым водителем за неделю.

22. Заполнить таблицу «Ведомость расхода горючего» исходными данными.

23. Путем создания межтабличных связей заполнить созданную ведомость полученными данными из таблицы «Данные о выполненных маршрутах» (рис. 18)

Рисунок 18 Ведомость расхода горючего

24. Результаты вычислений представить графически (рис. 19).

Рисунок 19 График расхода израсходованного топлива за неделю

Заключение

3D принтеры работают следующим образом. Специальным порошком на основе гипса наращиваются слой за слоем, из которых в дальнейшем получается объемная фигура. Её можно повертеть в руках, рассмотреть внимательно, примерить, как это будет подходить по размерам, если деталь выполнена в натуральную величину. Заметьте, что полученная деталь будет полностью соответствовать вашему 3D проекту, выполненному в Auto Cad или иных 3D программах. Так что, можно будет сразу увидеть точность Ваших проектов и экспериментальных моделей.

Напоследок добавим, что Z Corporation планирует либо в конце этого года, либо в начале следующего анонсировать новую разработку, связанную с 3D-печатью, которая может сильно поменять расклад сил на IT-рынке. Подробности воспоследуют.

Рисунок 20 Использование 3D принтера в кулинарии

А также уже говорят, что в недалеком будущем праздничные блюда смогут готовить 3D принтеры. Понятно, что запеченную с яблоками утку такой принтер не «напечатает», однако массу всяких сладостей, включая пирожные, торты и прочие вкусности принтер вполне способен создать. В принципе, такие принтеры ранее уже создавались в порядке эксперимента, будучи не особо практичными и чрезмерно дорогими, но ученые из Корнельского университета (Нью-Йорк) обещают изменить ситуацию к лучшему. Так, сейчас специалисты из этого университета работают над технологией, которая позволит провести настоящую революцию в процессе приготовления еды.

Список литературы

1) Энциклопедия предприятия

2)Энциклопедия "Википедия"

3) Константин Афанасьев. 3D принтеры//3D news. Daily Digital Digest.

4) Эдуард Хайман. Напечатать город: как 3D-технологии приведут к культурной революции// THEORY&PRACTICE

5) Юрий Ильин. 3D-принтеры: что и зачем//железо и софт

6) Юрий Ильин. 3D-принтеры: личное знакомство//железо и софт

Размещено на Allbest.ru