3Д принтер

3D БАСПА

Жаңа мыңжылдықтың басында «3D» (үш өлшем) ұғымы күнделікті өмірге нығыз енді. Ең бірінші кезекте біз оны кино өнерімен, анимациялық фильмдермен байланыстырамыз. Алайда бүгінгі таңда 3D баспа дегенді естімеген адам кемде кем шығар. Осы ретте үшөлшемді баспа дегеніміз не және бұл технология өнерде, ғылым мен техникада, күнделікті өмірде бізге қандай мүмкіндік ұсынады деген сұрақ әркімді толғандырады. Аздап тарихқа үңілейік. Үшөлшемді баспа туралы соңғы жылдары ғана айта бастағанына қарамастан, бұл технологияның пайда болғанына бірталай уақыт болған. Цифрлық деректерді пайдалана отырып үшөлшемді объектілерді жасау технологиясын 1984 жылы Чарльз Халл ойлап шығарған. 1986 жылы бұл технологияға патент алып, оған Стереолитография деген ат берген. Патент алған соң Чарльз Халл 3D Systems компаниясын құрып, 3D баспаға арналған алғашқы өндірістік станок әзірлеген. Ол кезде «3D принтер» деген терминнің болмауына байланысты аппарат «стереолитографияға арналған аппарат» деп аталатын. Ол уақытта 3D баспа технологиясы онша таралмаған болатын. Компания бірнеше тапсырысшыға арнайы тапсырыспен станоктың алғашқы моделін жасап берді. 1988 жылы клиенттерінің пікірлеріне сүйене отырып, компания SLA-250 3D принтерін жетілдіріп, оны жүйелі түрде шығара бастады.

1988 жылдың соңына қарай үшөлшемді туынды жасау технологиялары кеңінен тарап, оны жасаудың жаңа жолдары пайда бола бастады: еріту әдісімен модельдеу (Fused Deposition Modeling (FDM)) және іріктеп лазермен біріктіру әдісі (Selective Laser Sintering (SLS)). Еріту әдісімен модельдеу технологиясын Скот Крамп 1988 жылы ойлап тапса, 1993 жылы Массачусетс технологиялық институтында үшөлшемді баспаның тағы бір технологиясын ойлап тауып, патенттелді. Ол 2D принтерлерде қолданылған бүріккіш баспа технологиясына ұқсас еді және де оған «Үшөлшемді баспа технологиясы» деген атау берілді. 1995 жылы ZCorporation компаниясы Массачусетс технологиялық институтынан бұл технологияны пайдалануға рұқсат беретін патент алып, 3D принтер шығара бастады. Қазіргі кезде үшөлшемді баспа технологиялары көптеген салаларда қолданылады: сәулет өнері мен құрылыстан бастап киім өндірісі мен дизайны, жарнамадан бастап медицина материалдары мен жабдықтарын өндіруге дейін қолданыс тапқан.

3D модельдеу 3D принтерде өнімді басып шығармас бұрын, арнайы бағдарламада оның моделін жасап алу қажет. 3D модельді дайындау шынайы үлгі жасалмай тұрып, модельденетін объектінің техникалық және физикалық ерекшеліктерін бағамдауға мүмкіндік береді. Үшөлшемді модельдеу математика, геометрия мен дизайнның қосындысы. Арнайы бағдарламалардың көмегімен 3D принтерге арналған нұсқау болып табылатын файл жасауға болады. Бұл бағдарламалардың жұмысын мүсінші, сәулетші және құрылысшының жұмысымен салыстыруға болады – олар объектінің қалай жасалатынын көрсетеді. Сызба ғимараттың екі өлшемдегі бейнесі дейтін болсақ, модель – объекті бетінің математикалық сипаттамасы болып табылатын үшөлшемді макет.

Бұл үдеріс мынадай кезеңдерден тұрады: 1. Математикалық модель құру. Яғни белгіленген өлшемдер бойынша автоматтандырылған есеп жүргізу. Функциялар тік және иілген сызық түрінде түзіледі – бұл көлемді сызбаның нақты сыртқы қаңқасы. Бұл кезде объектінің физикалық қасиеттері есепке алынбайды, үшөлшемді геометриялық фигура жасалады. Қолданылатын негізгі тәсілдер: • сығып шығару; • модификаторлар; • полигондық модельдеу; • айналдыру. 2. Объектіні текстуралау – сыртқы қабығын салу. Бұл ретте пайдаланылатын материалдардың қасиеттерін ескеру маңызды. Болашақ модельдің қаншалықты шынайы шығатыны текстуралау кезінде таңдалатын материалдарға тікелей байланысты. Шынайы бейне жасауда үшөлшемді графикамен жұмыс істеуге арналған кәсіби бағдарламалық жасақтамалардың мүмкіндігі шексіз. 3. Жарық түсіру. Заттың көлеңкесі пайда болып, ол көрер көзге рас нәрсе сияқты болып көрінеді. 3D модель жасаудағы ең қиын кезеңдердің бірі. Осы жарықтың реңкіне, ашықтық деңгейіне, қанықтылығына және көлеңкенің қолығына қарай сурет шынайы дүние сияқты болып қабылданады. 4. Қажет болса, анимация қосу. Егер бұл статикалық объект болса, онда басқа элементтермен қалай байланысатынын көрсетуге болады. Осы кезде үйкеліс, ПӘК және басқа да коэффициенттерді есептеуге болады.

5. Визуалдау немесе рендеринг, ұсақ кемшіліктерді түзету, соңғы нәтижені шығару. Бұл – үшөлшемді модельдеудің қорытынды кезеңі. Бұл кезеңде 3D модельді бейнелеу өлшемдері нақтыланады. Айталық, сәулелер, тұман, жарқыл сияқты графикалық арнайы эффектілер қосылады. Видео-рендеринг жасалған жағдайда кейіпкерлердің 3D анимациясының нақты өлшемдері анықталады. 6. 3D принтерде басып шығару. Компьютерде жасалған 3D модельдің үлгісі бойынша шынайы объекті құрылады. Одан кейін цифрлы үшөлшемді модель STL-файл форматында сақталады да, басуға команда берілген соң 3D принтерде бұл зат жасалып шығарылады. Үшөлшемді баспаны пайдалану прототиптеудің дәстүрлі әдістері мен шағын сериялы өндіріске жақсы балама бола алады. Қағаздың бетіне екі өлшемді суреттерді шығаратын кәдімгі принтерге қарағанда 3D принтер көлемді ақпарат шығаруға, яғни үшөлшемді физикалық объектілерді жасауға мүмкіндік береді. Жалпы алғанда, басып шығару үдерісі үшөлшемді модель жасау, принтердің жұмыс үстеліне (элеваторға) шығыс материалдарының қабаттарын жағу, жұмыс үстелін дайын қабат деңгейіне түсіру және үстел бетінен қалдықтарды алып тастаумен байланысты қайталатын циклдерден тұрады. Циклдер бірінен бірі үздіксіз жүреді: материалдың бірінші қабатына келесі қабат салынып, элеватор төмендейді, осылайша жұмыс үстелінің үстінде дайын өнім пайда болғанша дейін осы іс жалғаса береді. Модель жасаудың әдеттегі, қолмен орындалатын әдістеріне қарағанда, үшөлшемді баспаның артықшылығы – жылдамдық, қарапайымдылық және бағасының қымбат болмауы. Айталық, 3D модельді немесе детальді жасау үшін көп уақыт қажет болуы мүмкін, бұл бірнеше күннен бірнеше айға созылуы мүмкін. Себебі бұл кезеңге ол детальді жасап шығару ғана емес, оны жасамас бұрын болашақ өнімнің сызбасын жасау да кіреді ғой. Осының өзінде түпкі нәтиже қандай болатынын нақты біле алмайсыз. Нәтижесінде әзірлеуге жұмсалатын шығын өсіп, әзірлеу мен жаппай өндіруді жолға қою арасындағы мерзім де ұзарып кетеді. Үшөлшемді технологиялар қолмен істелетін жұмысты толығымен қысқартып, қағазға сызып, есептеуден толығымен құтқара алады. Себебі бағдарламада модельді экраннан жан жағынан көре аласың, сол арқылы анықталған кемшіліктер объектіні жасау барысында емес, оны әзірлеу сатысында түзетіледі. Осының арқасында қолдан жасау барысында туындайтын барлық дерлік қателердің алдын алуға болады. Сонымен қатар, 3D принтерлер оқу үдерісін жетілдіріп, оқушылардың бейнелі ойлау дағдыларын дамытады. Үшөлшемді баспа оқушыларға өздерінің жаңа нәрсе жасап шығарғанынан шабыт алуға мүмкіндік беріп олардың оқуға деген қызығушылығын арттырады. 3D принтермен кез келген жастағы балалар жұмыс істей алады. Айталық, бастауыш сынып балаларына үшөлшемді модельдеу құрылғылары технологиялармен танысуға, ойын жағдайында пайдалануға қызықты болса, жоғары сынып оқушылары 3D принтердің артықшылықтарын тәжірибелік тұрғыдан бағалай алады. 3D принтердің көмегімен оқушылар авторлық жобаларын жүзеге асырып, жасап шығарған объектілерін басып шығара алады, олардың шығармашылық қабілеттері мен дағдылары дамиды.

3D принтерді қолдану кезіндегі қауіпсіздік техникасы Кез келген күрделі құрылғылармен жұмыс істеу барысында сияқты 3D принтермен жұмыс істеген кезде қауіпсіздік техникасын сақтау маңызды. 3D принтердің басып шығарушы шүмегі мен термо үстел 100 градустан жоғары температураға дейін қыздырылатынын ескерсе, оған тиіп кетсе адамның күйіп қалуы мүмкін екенін назардан тыс қалдыруға болмайды.

3D принтерді қолданушы үшін үш қауіп көзі бар: • жоғары температура; • шу; • зиянды булар. Сонымен, 3D принтермен жұмыс істегенде қандай қауіпсіздік шаралары сақталуы керек? 1. 3D принтер жұмыс істеп тұрған кезде басқару батырмаларынан басқаларға тиісуге қатаң тыйым салынады. Бұл ереже бұзылған жағдайда, адам кем дегенде қозғалып тұрған бөлшектен жарақат алуы мүмкін, ал ең ауыры – қатты күйіп қалуға болады. Егер ашық үлгідегі принтермен жұмыс істесе, матаның қозғалып тұрған бөлшектерге оралып қалуын болдырмас үшін денеге жабысып тұратын киіммен жұмыс істеген дұрыс болады. Принтердің қаншалықты қызғанын тексеру үшін құрылғының өзіндегі термодатчиктегі көрсеткішке сүйенген абзал. 2. Балалар бұл үдерістің өте күрделі екенін саналы түрде қабылдаған жағдайда ғана оларға 3D принтермен жұмыс істеуге рұқсат етуге болады. Оқушылар принтермен жұмыс істегенде мұғалім оны бақылап тұруға міндетті. 3. 3D принтер қойылған бөлме жақсы желдетілуге тиіс. Себебі пластик қызған кезде ауаға акрилнитрилдің буы тарайды. Бұл анағұрлым қауіпсіз пластик болғанымен, денсаулыққа бәрібір зияны бар. Адам өкпесіне енген пластик ұнтақтарынан ауыр зардап шешуге болады, айталық өкпе обыры, демікпеге шалдығу мүмкін. Сондықтан асылы принтер жұмыс істеп тұрған бөлмеден шығып кеткен дұрыс. Егер шығып кету мүмкін болмаса, респиратор пайдаланған орынды. 4. Жұмыс істеп тұрған принтер қойылған бөлмеден шықпас бұрын бұйымның бірінші қабаты тегіс жатқанына көз жеткізу қажет. Себебі дайын бұйымның сапасының 50 пайызы осы басып шығару үдерісінің сапасына байланысты болып келеді. 5. Бұйымды басып шығаруға жібермес бұрын, принтердің және датчиктердің дұрыс қосылғанына және істеп тұрғанына мән беріңіз. Сонда ақау пайда болған жағдайда принтер жұмысты өзі тоқтатады. 6. Басылып болған бұйымды алмас бұрын оның сууын күтіңіз, сонда адам үшін күйік алу қаупі жойылады. 3D баспаны білім беруде қолдану бағыттары 3D принтер оқу үдерісін жетілдіріп, оқушылардың бойында образды ойлау дағдысын қалыптастырады. 3D баспаның көмегімен оқушының оқуға деген қызығушылығын арттырып, оларға өздерін жаңа туынды жасаушы ретінде сезінуге жол ашуға болады. Компьютерде модельді жасап болған соң бірнеше сағаттан кейін оны қолмен ұстап тұра алуы оқушыны қатты құлшындырады деп ойлаймыз. 3D принтерлерді пайдалану модельдеу, физика, математика, информатика бойынша білімнің болуын талап етеді. 3D баспа – балаға дайынды пайдаланып қоймай, өзінің жаңа туынды жасап шығуын әдетке айналдыруға көмектесетін қуатты педагогикалық құрал. 3D баспа мектепте пәнаралық байланысты дамытуға жол ашады, баланың өз бетінше шығармашылықпен айналысуына көбірек уақыт бөлінуін талап етеді және жоба жұмысын жүргізуге мол мүмкіндік береді. Жаңа технологияның білім саласына енуінен туындайтын басты екі пайданы атауға болар: • 3D принтерлер тәжірибе арқылы білім алуға мүмкіндік береді: оқушылар өздерінің конструкторлық және дизайнерлік идеяларын іске асыру жолында прототиптер мен қажетті бөлшектерді өздері жасай алады; • мұғалім үшөлшемді көрнекі құралдарды өзі жасай алады, ол құралдарсыз материалды толық түсіну қиынға соғуы мүмкін.

Визуалды білімге қарағанда кинестетикалық білімді адам санасының берік қабылдайтынын ескеретін болса, өтілетін материалды суреттен көрсету немесе оны ауызша сипаттап беруге қарағанда, оқушының бұл заттарды ұстап көруі анағұрлым тиімді екені даусыз. Осы ретте кеңес заманы кезінде математика сабақтарында мұғалімдеріміздің бізге пластиктен жасалған геометриялық денелерді көрсеткенін еске алуға болады. Сабақ үстінде оқушылар заттардың, тетіктер мен макеттердің дизайнын жасап, 3D принтердің көмегімен оның прототипін дайындап, дайын бұйымды бағалай және тестілей алады. Мектеп аясында 3D баспа оқушыларға өздерінің конструкторлық ой-қиялдарын жүзеге асырып, сол арқылы олардың алдағы өмірде жоғары технологиялық өндірістік ортаға сеніммен қадам басуына септігін тигізеді. Математиканы оқытуда 3D баспа графиктер мен математикалық модельдерді көрнекі түрде көрсету үшін қолданылады. Кейбір оқушыларға қағаз бетіндегі сандар мен диаграмманы қабылдау қиын болуы мүмкін. Бұл ол оқушылардың оқу қабілетінің төмендігінен емес, оның миының қалай жұмыс істейтіндігінен. 3D баспа осындай балаларға теңдеулер, графиктер мен күрделі математикалық модельдерді шынайы түрде көріп, сол арқылы оны түсінуге көмектеседі. Географияда екі өлшемді суретте көрсетуге мүмкіндік болмайтын геологиялық түзілістерді оқушыларға көрсету үшін 3D баспа технологияларын қолдануға болады. Тарих сабақтарында айталық көне дәуір заманының құрал-саймандарын немесе археологтар қазба жұмыстары барысында тапқан тарихи жәдігерлердің көшірмелері қолданылатын болса, бұл оқушылардың осы пәнге деген қызығушылығын арттыратынына күмән жоқ.