Доступная 3D печать для науки, образования и ус... Александр Кузнецов

Для науки, образования и устойчивого развития
Редакторы: Э. Канесса, К. Фонда, М. Зеннаро

2
Переводчики: Александр Кузнецов (alex_itz), alex_itz@mail.ru, Омск, Россия; Оксана Соловьёва
(aks_id), aks_s@explit.net, Берлин, Германия; Юлия Сковородкина (kindra),
yulia.kuparadze@mail.ru, Краснодар, Россия; Артём Соболев (Woolpit), woolpit@mail.ru,
Краснодар, Россия; Роман Добровольский (radical_dreamer), romandobrovolskiy@gmail.com,
Минск, Беларусь; Михаил Шестаков (mishavolkin), mishavolkin@gmail.com, Санкт-Петербург,
Россия; Александр Зорин (fidller_fly), fidller@yandex.ru, Краснодар, Россия
От организатора перевода: Всех переводчиков благодарю за проявленный интерес и вложенные силы, особенно хочу отметить aks_id – Оксану Соловьёву и alex_itz – Александра Кузнецова - ребята отдавались переводу до конца не жалея времени и сил. Александр также сверстал книгу и придал ей законченный, аккуратный и удобный вид. Проделана серьёзная работа, прошу читателей отнестись с пониманием к возможным неточностям, все замечания и предложения по переводу прошу направлять по адресу: woolpit@mail.ru
Благодарим сайт notabenoid.com за уютную атмосферу. Страница с переводом книги:
https://notabenoid.com/book/41907
Группа создателей перевода:
https://vk.com/3dmake

3
Доступная 3D печать для науки, образования
и устойчивого развития
Low cost 3D Printing for Science, Education & Sustainable Development
Получить более полную информацию можно на сайте https://sdu.ictp.it/3D/
Редакторы: Энрике Канесса, Карло Фонда и Марко Дзеннаро
Издатель
Международный центр теоретической физики Абдус Салам – МЦТФ
2013 МЦТФ Отдел научных разработок, e-mail: sdu@ictp.it
Ранние публикации: Май 2013, первое издание
ISBN 92-95003-48-9
Отказ от ответственности
Издатель и редакторы очень ответственно отнеслись к подготовке этой книги, но не дают каких-либо гарантий и не берут на себя ответственность за ошибки или упущения. Не предусматривается никакая ответственность за случайные или косвенные убытки, возникшие в связи с информацией содержащейся здесь.
МЦТФ не берёт на себя ответственность за указанные вэб-сайты и их содержание. МЦТФ не имеет прав интеллектуальной собственности на данную книгу, поэтому писатели/читатели могут свободно использовать материал в образовательных целях. МЦТФ не передает прав другим организациям для использования книги в коммерческих целях. МЦТФ не поддерживает и не спонсирует какие-либо коммерческие продукты, услуги или деятельность упомянутые в этой книге.
Эта книга создана при содействии
the Creative Commons Attribution-
Noncommercial-NoDerivative Works 3.0 Unported License
. За подробной информацией о Ваших правах на использование и распространение данной работы, обращайтесь https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.ru

4
Содержание
Предисловие ................................................................................................... 7
Доступная 3D печать для науки, образования и устойчивого развития .......... 9
3D печать – глоссарий ................................................................................... 17
Практическое руководство по вашей первой 3D печати ................................. 22
Роль свободного программного и аппаратного обеспечения в революции
3D печати......................................................................................................60
Plug and play, наборы для сборки и готовые 3D принтеры .............................. 66
RepRap, Slic3r и будущее 3D печати................................................................. 74
3D моделирование с OpenSCAD – Часть_1 ....................................................... 83
3D моделирование с OpenSCAD – Часть 2 ........................................................ 87
Визуализируем математику, используя 3D принтеры ................................... 93
Наука и искусство – периодические мозаики ................................................. 119
Печатная модель детектора ALICE из CERN ................................................. 123
Крупномасштабная 3D-печать – от океанских глубин до Луны ..................... 127
Моделирование губчатой костной ткани посредством 3D печати физических
копий .......................................................................................................... 133
Использование 3D принтеров в школе- эксперимент 3drucken.ch ................... 148
Доисторические коллекции и 3D печать для образования ............................. 157
3D печать в художественных инсталляциях ................................................ 161
От математики к драгоценностям – пример ............................................... 167
3D печать в развивающихся странах: Извлечение уроков из выставки
Techfortrade 3D4D ........................................................................................ 174
Отпечатанные в 3D анатомические копии................................................... 179
Проект Бесконечного пластика. .................................................................. 187

5
О книге
Эта книга опубликована Сreative Commons Attribution-Noncommercial-NoDerivative Works
3.0 Unported License. Вы можете свободно использовать эту книгу, то есть, копировать, распространять и передавать эту работу согласно следующим условиям:
•
Аттрибуция: Вы обязаны представлять работу в манере свойственной автору или лицензедателю;
•
Некоммерческая: Вы не можете использовать эту работу в коммерческих целях;
•
Не допускаются производные работы: Вы не можете изменять, преобразовать или основываться на этой работе.
За дополнительной информацией по данным условиям обращайтесь на сайт https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.ru
Список разработчиков
Эта книга была подготовлена для первого международного семинара на тему «Доступная
3D печать для науки, образования и устойчивого развития» проходившего в Триесте, в Италии в
2013 году, организованного Отделом Научных Разработок МЦТФ. Его цель состояла в том, чтобы обсудить и дать понимание новой 3D печати посредством демонстраций в ряде доступных конкурирующих технологий, а так же продемонстрировать продолжающиеся исследования в новых прикладных задачах. Особое внимание было уделено применимости 3D печати для продвижения соответствующих технологий для устойчивого развития, научных исследований и образования.
Редакторы
Энрике Канесса – доктор философии, физик, работающий координатором МЦТФ-ОНР.
Главные его исследования находятся в областях конденсированных сред и научных компьютерных приложений. Особое внимание он уделяет распространению науки внутри развивающихся стран, используя общедоступные ресурсы, мультимедийную рекламу, мобильные технологии и также 3D печать.
Карло Фонда работает в МЦТФ-ОНР. Он также принимает участие в подготовке проектов по дешёвой беспроводной связи для образования, научных исследований и развития. Его интересы включают, среди прочего, компьютерное программирование, мультимедийное и сетевое вещание для науки, использование мобильных устройств для образования, а также 3D- печати.
Марко Дзеннаро получил диплом инженера по электронике в Университете Триеста,
Италия и степень Доктора философии KTH - Королевского Технологического Института в
Стокгольме, Швеция. В настоящее время работает в МЦТФ над проектами, относящимися к беспроводным сетевым датчикам, мультимедиа, открытому доступу и технологиям, основанным на аппаратной вычислительной платформе Arduino. В его исследовательские интересы также входит информационные и коммуникационные технологии для развития.

6
Финансирование
Создание и публикация этой книги стала возможной благодаря финансовой поддержке
Центра Теоретической Физики Абдус Салам, Триест, Италия.
Особая благодарность
Мы выражаем нашу искреннюю благодарность авторам, участвовавшим в написании этой книги. Мы представили автора каждой части и/или главы, включенной в эту работу. Мы хотели бы выразить признательность за вклад и поддержку профессору Фернандо Куэвэдо (директор
МЦТФ), Мэри Энн Уильямс, Лизи Яннитти, Джонатану Гэтти, Гае Фьор, а также
Мультимедийным изданиям и службам печати МЦТФ и всем, кто сделал этот проект возможным.

7
Предисловие
Мы надеемся, что эта книга даст вам разумный, первый обзор современных исследований по 3D печати объектов и то, как она может быть использована для обучения науке за пределами традиционного контекста (как альтернатива представлениям на плоской школьной доске, визуализации на бумаге или даже современной цифровой презентации). Мы стремимся вызвать любопытство и глубокое понимание у молодых стипендиатов и новых поколений ученых, чтобы мотивировать их начать накапливать собственный опыт 3D-печати, чтобы исследовать огромный потенциал, который обеспечивает эта доступная технология. Мы приглашаем всех вас на создание прототипов, совершенствование объёмных физических моделей и обмен ими. Это, безусловно, может повысить мотивацию, когда вы увидите связь между абстрактной физикой и математикой, и реальным применением в мире. Эта книга также направлена на повышение обучения через практический опыт и интерактивную деятельность класса, конечной целью является вкладывание знаний прямо в ваши руки.
Триест, 29 апреля 2013.
Э. Кэнесса, К. Фонда и М.Дзеннаро
Редакторы

8
Введение

9
Доступная 3D печать для науки, образования и
устойчивого развития
Энрике Канесса
Отдел научных публикаций
Международный центр теоретической физки Абдуса Салама, Триесте, Италия
canessae@ictp.it
Дешёвая трёхмерная (3D) настольная печать, хотя ещё и в стадии младенчества, быстро взрослеет с помощью, по-видимому, безграничного потенциала. С её способностью воспроизводить 3D объекты – от археологических экспонатов, сложных математических поверхностей, до медицинских протезов – технология имеет многообещающие перспективы для науки, образования и устойчивого развития.
Индустрия 3D печати берёт своё начало в конце 1980-х (стартовала с редких начальных экспериментов в
1970-х), но эти дорогие машины ограничивались использованием профессионалами.
Текущее распространение новой 3D технологии обусловлено появлением возможности использовать материалы утративших сроки действия патентов для FDM (Fused Deposition Modeling – моделирование методом осаждения расплавленной нити), т.е. когда объект строится слой за слоем с помощью выдавливаемого расплавленного пластика (как изображено на рисунке справа). Новые технологии печати также получают пользу от проектов с открытыми исходными кодами
(например, программный и аппаратный Arduino) и от свободного обмена цифровыми файлами через Интернет.
Послойная печать 3D модели методом FDM (из
Википедии)

10
Программное обеспечение с открытым исходным кодом позволяет нам разрабатывать трёхмерные объекты, а также управлять 3D принтерами для печати созданных объектов, существует множество доступных пособий и инструкций по использованию этих программ.
Расходным материалом для большинства современных 3D принтеров служит биоразлагаемый пластик PLA (Polylactic acid – полимолочная кислота), экологически чистый материал, полученный из кукурузного крахмала, или ABS (Acrylonitrile butadiene styrene – акрилонитрил- бутадиен-стирол) полимер, полученный из ископаемого топлива. Последний обычно используют для производства автомобильных бамперов из-за его прочности и жесткости, а также из него делают детали ЛЕГО. Пластиковая нить плавится при температуре от 170 до 250 градусов
Цельсия, что бы создать несколько слоёв, суммирующихся в цельный напечатанный 3D объект.
Результатом может быть объект – математическая модель бутылки Клейна, или ансамбль подвижных звеньев, показанный на рисунке внизу. Некоторые из новых 3D принтеров могут печатать свои составные компоненты.
Единственным ограничением для этой "простой" альтернативной технологии является ограничение размеров печатаемого объекта
(обычно
20х20х20см), что объясняется экономией на составных частях. Тем не менее, большой 3D объект может, в принципе, быть собран из нескольких маленьких пластиковых деталей. Ещё одно большое преимущество в том, что весь этот процесс производит гораздо меньше отходов, чем традиционные производства, где большое количество материала обрезается от используемой части.
Портативные
3D принтеры могут изготавливать на заказ продукты и запасные/заменяющиеся или уникальные элементы, подлежащие сборке по мере необходимости и достаточно быстро. Сложные небольшие 3D объекты (размером с брелок для ключей – прим.ред.) могут быть созданы быстрее чем за час и результат впечатляющий: прочные, крепкие, очень лёгкие (весят всего по несколько грамм) и достаточно дешёвые, так как цена PLA пластика сегодня около 30 долларов США за кг, а одного килограмма достаточно чтобы создать дюжину и более мелких объектов.
В самом деле, большое количество приложений и доступная цена делают 3D печать технологией, доступной для широкой аудитории. Стоимость нового поколения 3D принтеров, основанных на аппаратных средствах («железе» – прим.ред.) с открытым исходным кодом варьируется от 30 до 1500 долларов США, и они могут быть приобретены через Интернет. В масштабе, принтеры могут быть использованы для домашней печати объектов, для небольших исследовательских лабораторий в университетах и школах для создания учебного материала,
Бутылка Клейна, погружённая в 3D
пространство

11 без необходимости вкладывать много денег. 3D печать открывает новые возможности, не осуществимые ранее для творческого производства.
Есть надежда, что эта передовая технология откроет новые перспективы для науки, образования и окажет заметное влияние в развивающихся странах. Доступная цена технологии плюс огромное количество 3D объектов для печатания в свободном доступе (как правило "*.STL" формат) уже в настоящее время делают новейшие 3D принтеры привлекательной технологией для стран с низким уровнем дохода.
Лаборатория 3D печати в Международном центре
теоретической физики
В феврале 2013 Абдус Салам открыл лабораторию трёхмерной печати в Международном центре теоретической физики (International Centre for Theoretical Physics), Триест, Италия, в содействие, помощь и для подготовки учёных к использованию этой новой доступной технологии. Подчёркивая способность принтеров производить полезные объекты, директор
МЦТФ (ICTP) Фернандо Кеведо перерезал ленточку через главный вход в лабораторию ножницами, созданными одним из лабораторных 3D принтеров.
Звенья без каких-либо соединений (очень напоминающие пластиковую кольчугу– прим.ред.)

12
Открытие лаборатории 3D печати МЦТФ директором Ф. Кеведо с помощью реплицированных
ножниц
Инновационная лаборатория МЦТФ спроектирована быть дружелюбным, современным местом, открытым для творчества. Она посвящена объяснить и показать, что для неспециалистов могут сделать недорогие 3D принтеры в области науки, образования и устойчивого развития. Ученые должны знать, какие 3D принтеры существуют и какие соответствуют их потребностям
Формочки для печенья, напечатанные специально к открытию лаборатории

13
Лаборатория 3D печати
МЦТФ стремится играть значительную роль в качестве координационного центра, чтобы помогать учёным и обучать целевые аудитории, включая студентов
ВУЗов.
Другая цель лаборатории заключается во вдохновении творческого потенциала, включая новые идеи в образовательной и научно- исследовательской деятельности, а также для создания нового сообщества вокруг 3D печати.
Сборка нового принтера в МЦТФ
Печать ножниц из биоразлагаемого пластика

14
Экспериментируя с измерениями: двухмерное изображение преобразовано в 3D объект
Представьте и создайте свой собственный напечатанный 3D
объект
Быстро продвигающаяся революционная 3D печать растет в глобальном масштабе благодаря многим преимуществам и доступным ценам. От образования до здравоохранения, от археологии до инженерного искусства, 3D принтеры уже оказывают практическое воздействие по всему миру. 3D печать распространяется от производства протезов, в любое время и в любом месте (сделанные на заказ ноги, руки, кисти и т.д. для изучения школьниками строения человеческого тела) до печати клеток кожи непосредственно для раны или печать оправ для очков (которые ломаются чаще, чем линзы).
На образовательном фронте ученые могут напечатать 3D объекты, основанные на геометрических формулах для лучшей визуализации сложных структур. Концептуальное знание может получить преимущества от возможности технологии 3D печати изготавливать мягкие объекты, сокращая время, потраченное на разработку частного решения, а затем оценить результат. С 3D технологией можно обучаться быстрее посредством практики и быть более производительным, используя опыт.

15 3D печать реконструирует археологию, обеспечивая возможность копировать, при необходимости, кости древних существ и окаменелостей. Другие объекты большой исторической ценности, такие как клинописные таблички и монеты, также могут быть скопированы. Это придает совершенно новое значение быстрому и точному (пере-) производству, инициировать распространение открытых археологических 3D приложений для музеев в мировом масштабе и т.д. Есть тенденция, не в далеком будущем, получить более крупные принтеры, которые могли бы производить что-либо, начиная от водных насосов до зданий, в контексте устойчивого развития. Стоимость отгрузки в некоторых развивающихся странах зачастую очень дорогая, однако, обычная посылка или загрузка маленьких файлов данных с необходимым программным кодом (таких как электронная почта, аудио, изображение или видео файлы) полезных для развивающихся стран 3D объектов, которые теперь можно
Пространство Калаби-Яу из пластмассы. Последовательность печати в Лаборатории 3D
МЦТФ (STL цифровой файл, предоставлен О. Ниллом, Университет Гарварда)

16 напечатать по приемлемой стоимости в отдаленном районе. Например, запчасти швейных машин для производства одежды.
Ученые развивающихся стран могли бы легко приспособить эту новую, доступную 3D технологию в своих родных странах. 3D печать добивается важности, ценности. Она предлагает преобразовать пользователей из потребителей в активных создателей.
Точная 3D печатная копия ископаемого черепа
Переводчики: Woolpit, Ainuriel

17

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15