# Основы 3D-технологий

Технология · 8 класс · Прототипирование. 3D-моделирование как технология создания трехмерных моделей
Источник: https://razlozheno.ru/subject/tehnologiya/8/osnovy-3d-tehnologij

Разбираемся, как устроено послойное создание предметов: от башни из песка и 3D-ручки до принтеров, которые печатают детали, дома и даже еду. Узнаем три способа 3D-печати и путь от идеи до готовой детали.

## Чему научишься

- Объяснять, что такое аддитивные технологии, и отличать их от создания предмета вырезанием лишнего
- Называть три способа 3D-печати (ниточная печать, порошковое спекание, стереолитография) и сравнивать их
- Перечислять этапы создания модели на 3D-принтере: моделирование, файл STL, слои, печать

## С чего начать

Скульптор берёт глыбу и отсекает всё лишнее. А что, если делать наоборот: ничего не отсекать, а наращивать деталь по тонкому слою, пока она не вырастет целиком? Как так можно сделать предмет, а принтер при этом печатает не на бумаге?

## 1. Строим слой за слоем

*Что такое аддитивные технологии*

Есть два способа сделать фигуру. Первый: взять большую заготовку и убрать всё лишнее, как резчик по дереву. Второй: **добавлять** материал по чуть-чуть, пока форма не получится. Так строят башню из песка: сначала один слой, потом другой, потом следующий.

*Рисунок: Деревянная скульптура лошади*

*Рисунок: Песчаная скульптура в виде замка на берегу моря*

**Аддитивные технологии**

**Аддитивные технологии** — технологии создания предметов по принципу послойного добавления материала (от англ. *add* — добавлять).

**Мнемоника: ADD = добавляй**

В слове **аддитивные** слышится **ADD** — английское «добавлять». Запомни: **ADD → добавляй слой**.

**Слоёный торт**

Представь слоёный торт: коржи кладут один на другой, и торт растёт вверх. Аддитивная технология делает то же самое, только вместо коржей слои пластика, порошка или смолы. Оговорка: у торта слои толстые, а у детали на принтере они очень тонкие, и форма каждого слоя разная.

*Рисунок: Многослойный торт, в разрезе видны отдельные коржи*

Самый простой способ почувствовать послойность: вырезать контуры из листов (картона, например) и склеить стопкой. Каждый лист — один слой, а вся стопка — объёмная модель. Можно слоями наплавлять материал из термопистолета.

**3D-ручка**

**3D-ручка** — инструмент, способный рисовать в пространстве (в воздухе), заправляемый пластиковой нитью, расплавленный материал которой выдавливается через керамический носик наружу.

**Мнемоника: 3D = три измерения**

Запомни по названию: **3D** — три измерения, поэтому 3D-ручка рисует не только на плоскости, а может вести линию **вверх, вниз и в стороны**.

*Рисунок: 3D-ручка с подписанными частями: отверстие для пластика, индикаторы, подача пластика, керамический носик*

Нить заходит в ручку, плавится и выдавливается из носика. Пластик быстро застывает прямо в воздухе, поэтому линией можно «рисовать» вверх, а не только по бумаге. Это самый простой аддитивный инструмент: он делает вручную то же, что 3D-принтер делает сам.

**Проверь себя:** Чем башня из песка отличается от деревянной лошади по способу создания?
**Ответ:** Башню набирают, добавляя материал слой за слоем (аддитивный способ). Лошадь вырезают, убирая лишнее дерево.

### Проверь себя

**Представьте, что вы создаете модель «Колобка» методом послойного вырезания из бумаги. Как изменится размер вырезаемых кругов после того, как вы дойдете до середины высоты пачки?**
- Диаметр кругов будет продолжать расти до конца пачки.
- Размер кругов начнет меняться хаотично для создания текстуры.
- Диаметр кругов останется неизменным до самого верха.
- Диаметр кругов начнет постепенно уменьшаться. — верно
> Для создания сферической формы, после достижения максимального диаметра в центре, слои должны уменьшаться в обратной последовательности.

**Почему создание «Колобка» с помощью обычного клеевого термопистолета в ручном режиме может оказаться неудачным?**
- Для работы термопистолета в пространстве не хватает атмосферного давления.
- Термопистолет работает только с бумагой и не липнет к самому себе.
- Клей из термопистолета слишком тяжелый для такой формы.
- Сложно выдержать аккуратность концентрических окружностей и точность слоев. — верно
> Ручной контроль не обеспечивает равномерности подачи и идеальной геометрии, необходимых для гладкой поверхности шара.

## 2. Три способа 3D-печати

*Нить, порошок и жидкая смола*

3D-принтер — это автоматическая 3D-ручка: она сама двигается по заданной программе и выкладывает слой за слоем. Способов выкладывать материал три, и различаются они тем, из чего печатают и чем формируют слой.

**Технология ниточной печати**

**Технология ниточной печати** — способ 3D-печати, при котором деталь послойно создаётся из ниточного полимера, расплавляемого и выдавливаемого через экструдер.

**Мнемоника: нить → ниточная**

Название **ниточная** начинается со слова **нить**. Запомни цепочку: **нить → расплавить → выдавить**.

**Экструдер**

**Экструдер** — плавильная термоголовка 3D-принтера (от лат. *extrusio* — выталкивать), в которой полимерная нить плавится и выдавливается через сопло в нужное место.

**Мнемоника: ЭКС = выталкивай**

В слове **экструдер** можно зацепиться за начало **ЭКС**: представь команду «**экс-толкни**» — экструдер выталкивает материал наружу.

**Термоклеевой пистолет на колёсиках**

Экструдер можно представить как горячий клеевой пистолет, который сам ходит по столу и выводит тонкую ниточку по заданному контуру. Оговорка: пистолет в руке водит человек, а головкой экструдера управляет компьютер.

*Рисунок: 3D-принтер с катушкой пластика и напечатанным объектом*

Головка двигается по двум координатным осям. Какие это оси, смотри в обозначениях:

**Оси перемещения**

**X, Y** — координатные оси перемещения головки экструдера на плоскости. **Z** — координатная ось вертикального перемещения (вверх-вниз) рамы с головкой либо платформы детали.

Проще: по $X$ и $Y$ головка рисует один слой, а по $Z$ происходит переход на следующий слой.

**Мнемоника: XY — экран, Z — за этаж**

Запомни: **X и Y** лежат в одной плоскости, как движения по экрану, а **Z** уходит **за этаж** — вверх или вниз к следующему слою.

**Технология порошкового спекания**

**Технология порошкового спекания** — способ 3D-печати, при котором пластмассовый, керамический или иной порошок насыпается в лоток слой за слоем и спекается (плавится) по заданному контуру лучом лазера.

**Мнемоника: порошок = точки, лазер = спаивает**

Слово **спекание** напоминает «спаять»: лазер проходит по порошку и **спаивает его частицы** в нужном контуре.

**Песок и горячая линия**

Это как тонкий слой песка на пляже, в котором лучом «проводят» линию, и песчинки по ней слипаются. Потом сверху насыпают новый слой, и так далее. Неспечённый порошок остаётся вокруг и служит опорой. Оговорка: лазер не рисует, а сплавляет частицы.

*Рисунок: Закрытый 3D-принтер с прозрачными панелями*

**Стереолитография**

**Стереолитография** — способ 3D-печати, основанный на затвердевании жидкого полимера в ванне под воздействием ультрафиолетового лазера.

**Мнемоника: СТЕРЕО + свет**

Зацепка в названии: **СТЕРЕО** — представь объёмную 3D-форму, а окончание связывай со светом, который её «проявляет». **Стереолитография = объёмная форма от света**.

**Смола, которая твердеет от света**

Деталь как будто «проявляется» в жидкости: там, где прошёл ультрафиолетовый луч, жидкость становится твёрдой. Остальная жидкость остаётся жидкой. Оговорка: твердеет не любая жидкость, а специальный полимер.

*Рисунок: Схема стереолитографии с деталями 1–5, двумя компьютерами A и B и стрелками*

**Три способа 3D-печати**

|  | Ниточная печать | Порошковое спекание | Стереолитография |
| --- | --- | --- | --- |
| Из чего печатают | полимерная нить | порошок | жидкий полимер |
| Где лежит материал | катушка с нитью | лоток с порошком | ванна с жидкостью |
| Что формирует слой | плавление в экструдере | лазер спекает по контуру | ультрафиолетовый лазер |
| Что происходит с материалом | плавится и выдавливается | спекается (плавится) | затвердевает |

Эти способы работают не только с мелкими деталями. Бывают строительные 3D-принтеры, медицинские и даже пищевые. Принцип у всех один: слой за слоем.

*Рисунок: Макет серого сооружения с перегородками и направляющими сверху*

**Проверь себя:** В каком способе печати материал не плавят, а он твердеет под ультрафиолетовым лазером?
**Ответ:** В стереолитографии: жидкий полимер в ванне затвердевает под ультрафиолетовым лазером.

### Проверь себя

**Почему при использовании технологии порошкового спекания лазером не требуются дополнительные подпорки для выступающих элементов детали?**
- Порошок мгновенно застывает и становится легче воздуха.
- Лазерный луч обладает магнитными свойствами, удерживающими материал.
- Спекание происходит так быстро, что гравитация не успевает подействовать.
- Неиспользованный порошок в лотке сам служит опорой для новых слоев. — верно
> В данной технологии каждый слой порошка равномерно распределяется по всей площади, физически поддерживая спекаемые участки вышележащих слоев.

**Какие конструктивные решения применяются в промышленных 3D-принтерах для обеспечения устойчивости и точности формы создаваемого объекта?**
- Полный отказ от использования программного обеспечения для упрощения процесса.
- Использование высококачественных двигателей для перемещения головки. — верно
- Автоматическое удаление подпорок лазером в процессе печати.
- Размещение временных тонких подпорок на этапе проектирования.
> Точность перемещения по заданным координатам напрямую зависит от качества моторов, отвечающих за позиционирование.

**Каким образом в конструкции ниточного 3D-принтера может быть организовано перемещение по вертикальной оси $Z$?**
- Путем наклона всего принтера под разными углами.
- Либо поднятием рамы с головкой, либо опусканием платформы с деталью. — верно
- Исключительно через вращение катушки с полимером.
- Только за счет раздувания материала потоком горячего воздуха.
> Оба способа позволяют изменять расстояние между соплом и поверхностью для формирования нового слоя по высоте.

**С какими специфическими трудностями сталкиваются инженеры при разработке строительных 3D-принтеров для возведения домов?**
- Подбор малого времени отвердевания смеси, чтобы слои не раздавливали друг друга.
- Необходимость в очень мощных моторах из-за больших размеров конструкций.
- Риск застывания строительной смеси прямо внутри экструдера. — верно
- Отсутствие подходящих цифровых моделей домов в интернете.
> Баланс между быстрым застыванием на стене и сохранением текучести в подающем устройстве — критический фактор.

**В чем заключается основное преимущество метода стереолитографии (SLA) для применения в медицине?**
- Это самый дешевый способ производства одноразовых шприцев.
- Лазер в принтере может одновременно проводить хирургическую операцию.
- Возможность использовать биосовместимые материалы, которые не отторгаются организмом. — верно
- Принтер работает абсолютно бесшумно, что важно для палат пациентов.
> Жидкие фотополимеры позволяют создавать объекты, подходящие для вживления в тело живого существа.

**Какое ключевое отличие лазера, используемого в стереолитографии, от обычного фонарика упоминается в тексте?**
- Лазер испускает луч строго определенного цвета (длины волны). — верно
- Луч фонарика невозможно направить в сторону ванны с полимером.
- Фонарик светит только белым светом, а лазер — невидимым.
- Лазер потребляет в сотни раз больше электроэнергии.
> Монохроматичность лазера позволяет точно воздействовать на фотополимер, чувствительный к конкретному спектру (например, ультрафиолету).

**Для чего в порошковых 3D-принтерах может применяться керамический порошок вместо пластмассового?**
- Чтобы деталь стала прозрачной и гибкой, как резина.
- Чтобы значительно снизить мощность лазера в принтере.
- Для изготовления компонентов машин или механизмов. — верно
- Для создания деталей, способных выдерживать очень большие нагрузки.
> Физические свойства керамики позволяют использовать такие детали в реальной технике.

**Какую роль в работе ниточного 3D-принтера играют два обязательных мотора?**
- Они нужны для быстрого вращения катушки с пластиком.
- Эти моторы превращают электричество в жидкий полимер.
- Они перемещают головку экструдера по осям $X$ и $Y$. — верно
- Один мотор греет пластик, а другой охлаждает деталь.
> Координаты на плоскости задаются именно этими двумя моторами, обеспечивая точность рисунка слоя.

**В каких областях человеческой деятельности, согласно тексту, уже сейчас находят применение 3D-технологии?**
- Дизайн одежды и архитектура. — верно
- Телепортация живых организмов.
- Строительство жилых домов.
- Медицина и биология.
> Эти сферы указаны как области, где 3D-моделирование успешно внедряется.

**Какую проблему будущего поможет решить технология 3D-печати запчастей прямо в магазине?**
- Автомобили перестанут ломаться навсегда.
- Все запчасти станут абсолютно бесплатными для покупателей.
- Вместо деталей в магазинах будут продавать только пластиковые нитки.
- Отпадет необходимость хранить огромные склады готовых деталей. — верно
> Магазин сможет изготовить нужную деталь по каталогу на месте, экономя место и время на доставку.

## 3. От идеи до детали

*Этапы создания модели на принтере*

Принтеру нельзя просто сказать «напечатай лягушку». Ему нужна цифровая модель и разбивка её на слои. Путь состоит из нескольких шагов.

**STL-файл**

**STL-файл** — специальный формат файла, используемый для хранения трёхмерных моделей объектов.

**Мнемоника: STL = Сохрани Трёхмерную Лепку**

Запомни три буквы **STL** как подсказку: **Сохрани Трёхмерную Лепку**. STL хранит форму 3D-модели.

**Чертёж для принтера**

STL-файл — это как чертёж для мастера: он описывает форму предмета, но ещё не говорит, как её выкладывать. Слои на нём ещё не нарезаны, их получают на следующем шаге. Оговорка: чертёж плоский, а STL хранит объёмную форму.

Этапы такие:

1. **3D-моделирование** — создаём объёмную модель на компьютере.
2. Сохраняем модель в формате **STL**.
3. Модель разбивается на секущие плоскости — **слои**.
4. **Печать** — принтер выкладывает слой за слоем.

*Рисунок: Овальный предмет с множеством горизонтальных слоёв или линий*

*Рисунок: Тюбик с надписью «КРИСТАЛЛ» и стопка круглых картонных дисков*

*Рисунок: Зелёная фигурка лягушки*

*Рисунок: Синие зубчатые колёса в круглом корпусе рядом с зажигалкой*

**Проверь себя:** В каком порядке идут этапы: печать, STL, моделирование, разбивка на слои?
**Ответ:** Моделирование → сохранение в формате STL → разбивка на слои → печать.

### Проверь себя

**Какие параметры необходимо указать в программе подготовки к печати (слайсере), если вы не используете стандартные настройки производителя?**
- Имя автора 3D-модели для защиты авторских прав.
- Диаметр сопла, через которое выдавливается пластик.
- Тип используемого материала (термопластика).
- Процент заполнения детали пластиком. — верно
> Этот параметр определяет, будет ли деталь монолитной или полой внутри с определенной структурой жесткости.

**Какое из утверждений об изменениях в STL-файле, скачанном из интернета, является верным согласно тексту?**
- Файл необходимо обязательно перекрасить перед отправкой на принтер.
- Размер модели в файле меняется автоматически под цвет пластика.
- Скачанный STL-файл нельзя править и вносить в него изменения. — верно
- Файл можно легко переделать в текстовый документ и дописать детали.
> Текст прямо указывает на это ограничение для файлов, полученных из сторонних библиотек.

**Как повар сегодня может использовать принципы 3D-печати в кондитерском деле?**
- Использовать специальный принтер, который печатает шоколадной ниткой. — верно
- Сканировать готовый торт и распечатывать его бумажные копии.
- Вырезать фигурки из муки с помощью лазерного резака.
- Замораживать жидкое тесто ультрафиолетовым лазером.
> Пищевые принтеры адаптируют аддитивную технологию, заменяя пластик на съедобные материалы, такие как шоколад.

## Ключевые термины

- **Аддитивные технологии** — Технологии создания предметов по принципу послойного добавления материала (от англ. add — добавлять).
- **3D-ручка** — Инструмент, способный рисовать в пространстве (в воздухе), заправляемый пластиковой нитью, расплавленный материал которой выдавливается через керамический носик наружу.
- **Экструдер** — Плавильная термоголовка 3D-принтера (от лат. extrusio — выталкивать), в которой полимерная нить плавится и выдавливается через сопло в нужное место.
- **Технология ниточной печати** — Способ 3D-печати, при котором деталь послойно создаётся из ниточного полимера, расплавляемого и выдавливаемого через экструдер.
- **Технология порошкового спекания** — Способ 3D-печати, при котором пластмассовый, керамический или иной порошок насыпается в лоток слой за слоем и спекается (плавится) по заданному контуру лучом лазера.
- **Стереолитография** — Способ 3D-печати, основанный на затвердевании жидкого полимера в ванне под воздействием ультрафиолетового лазера.
- **STL-файл** — Специальный формат файла, используемый для хранения трёхмерных моделей объектов.

## Итог

- Аддитивные технологии — это послойное добавление материала
- 3D-ручка и 3D-принтер выдавливают расплавленный пластик через носик или экструдер
- Три способа печати: ниточная, порошковое спекание, стереолитография
- Головка двигается по осям X, Y, а вверх-вниз — по оси Z
- Этапы: 3D-моделирование, STL-файл, разбивка на слои, печать

## Шпаргалка

### Ключевые термины

- **Аддитивные технологии** — послойное добавление материала
- **3D-ручка** — рисует в воздухе расплавленной нитью
- **Экструдер** — плавит нить и выдавливает через сопло
- **STL-файл** — формат хранения трёхмерных моделей

### Три способа печати

|  | Ниточная | Порошок | Стереолитография |
| --- | --- | --- | --- |
| Материал | нить | порошок | жидкий полимер |
| Слой формирует | экструдер | лазер | ультрафиолет |
| Состояние | плавится | спекается | затвердевает |

### Оси принтера

- **X, Y** — перемещение головки на плоскости
- **Z** — вертикальное перемещение: вверх-вниз

### Путь модели

1. **Моделирование** — создать 3D-модель на компьютере
2. **Файл** — сохранить в формате STL
3. **Слои** — разбить на секущие плоскости
4. **Печать** — выложить слой за слоем

## Любопытное

- Слово «экструдер» происходит от латинского extrusio — выталкивать: он буквально выталкивает расплавленный пластик через сопло.
- 3D-принтеры бывают не только пластиковые: есть строительные, медицинские и даже пищевые.