4.5. 3D-друк

📌 Короткий зміст та головні тези:

• Основні технології 3D-друку: FDM/FFF (пошарове наплавлення нитки), SLA (стереолітографія) та SLS (лазерне спікання).
• Програми-слайсери (зокрема Ultimaker Cura) перетворюють цифрову 3D-модель (STL, OBJ) на керівний G-код інструкцій для 3D-принтера.

Зміст

ПРИГАДАЙТЕ

Що таке 3D-принтер?

3D-принтер — це пристрій, призначений для виготовлення твердих фізичних копій тривимірних об’єктів за допомогою аддитивних технологій, які передбачають послідовне накладання шарів спеціального матеріалу за готовою цифровою 3D-моделлю [1].

Які ви знаєте технології 3D-друку?

Основними технологіями 3D-друку є стереолітографія (SLA), вибіркове лазерне спікання (SLS) та моделювання методом наплавлення пластикових ниток (FDM / FFF) [2].

У яких галузях діяльності використовують 3D-друк?

3D-друк використовують у промисловому виробництві, побуті, будівництві, медицині, військовій справі, індустрії моди та в закладах освіти [1, 2].

ПРИГАДАЙТЕ

У яких форматах можна зберігати файли 3D-моделі?

Файли 3D-моделі можна зберігати та експортувати у форматах .STL, .GLB, .OBJ, .FBX, .3DS, а також у власному форматі проєкту програми тривимірного моделювання, наприклад .blend [3, 9].

ПІДГОТОВКА 3D-МОДЕЛІ ДЛЯ ДРУКУВАННЯ

У які формати можна експортувати 3D-моделі?

3D-моделі можна експортувати у формати .STL, .OBJ, .FBX, .3DS та .GLB [3, 9].

Який принцип створення тривимірної моделі на 3D-принтері типу FDM?

Принцип роботи FDM-принтерів полягає в пошаровому наплавленні пластикової нитки (філаменту), яка подається в екструдер, розплавлюється під дією нагрівача та видавлюється через сопло на робочу платформу, де швидко охолоджується та твердне, утворюючи послідовні шари фізичного об’єкта відповідно до цифрової 3D-моделі [2].

ПРОГРАМА-СЛАЙСЕР ULTIMAKER CURA

Які є етапи підготовки 3D-моделі до друкування? У чому вони полягають?

Підготовка 3D-моделі складається з таких послідовних етапів:

1. Експорт готової моделі з 3D-редактора у сумісний формат (наприклад, .STL, .OBJ, .FBX, .3DS) [9].
2. “Нарізання” моделі на шари у програмі-слайсері для налаштування параметрів друку (якості, щільності заповнення, швидкості переміщення друкувальної головки) [4, 9].
3. Збереження результатів обробки у керівному файлі формату .GCODE, який містить інструкції та точні координати для 3D-принтера [4, 9].
4. Завантаження файлу .GCODE в пам’ять 3D-принтера та запуск процесу автоматичного пошарового друку [4].
5. Фінішна обробка отриманого виробу, що полягає у видаленні підтримувальних елементів та очищенні поверхні [4].

Яке призначення програм-слайсерів?

Програми-слайсери призначені для перетворення тривимірної цифрової моделі на набір інструкцій у форматі .GCODE для 3D-принтера шляхом її “нарізання” на горизонтальні шари та розрахунку оптимального маршруту руху екструдера [3, 4, 9].

Як виконується друкування об’єкта на 3D-принтері?

Друкування об’єкта виконується шляхом завантаження отриманого файлу інструкцій формату .GCODE в пам’ять 3D-принтера, після чого спеціальні програми запускають автоматичне пошарове нанесення та твердіння матеріалу за заданими координатами, а після завершення процесу готовий виріб очищують від залишків підтримувальних елементів та надлишків пластику [4].

ПРАЦЮЄМО З КОМП’ЮТЕРОМ

Завдання. Створіть у програмі Ultimaker Cura файл-інструкцію для друкування моделі коробки для дрібних речей (мал. 1) на 3D-принтері.

Для створення файлу-інструкції (.gcode) для друкування моделі коробки виконайте такі кроки:

1. Запустіть 3D-редактор Blender і відкрийте файл із тривимірною моделлю коробки.
2. Експортуйте модель у формат STL, обравши у верхньому меню команду Файл $\rightarrow$ Експортувати $\rightarrow$ Stl (.stl), та збережіть отриманий файл.
3. Закрийте Blender та запустіть програму-слайсер Ultimaker Cura.
4. Відкрийте файл моделі коробки за допомогою кнопки Відкрити (іконка у вигляді папки) у верхньому лівому кутку вікна програми.
5. Виділіть модель на віртуальній робочій платформі, клікнувши на неї лівою кнопкою миші.
6. Оберіть інструмент Scale (Масштабування) на лівій панелі інструментів та змініть масштаб моделі, вказавши значення 1000 % для надання їй потрібних реальних розмірів.
7. Відкрийте панель налаштувань якості друку у правому верхньому кутку та виберіть профіль друкування Balanced.
8. За потреби встановіть значення щільності заповнення (Infill Density) на рівні 15 % та увімкніть опцію генерації підтримувальних елементів (Support), якщо модель має нависаючі частини.
9. Натисніть кнопку Slice (Нарізати) в нижньому правому кутку екрана для запуску процесу розрахунку траєкторії друку та створення шарів.
10. Після завершення розрахунку натисніть кнопку Save to Disk (Зберегти на диск) на інформаційній панелі, виберіть тип файлу G-code File (*.gcode) та збережіть готовий файл інструкцій для 3D-принтера.

ДАЙТЕ ВІДПОВІДІ НА ЗАПИТАННЯ

1. У яких галузях діяльності людини використовують 3D-друк?

3D-друк використовують у промисловому виробництві для створення сувенірів, декоративних виробів та деталей різного призначення, у побуті для виготовлення невеликих корисних предметів, у будівництві для зведення будинків та інших споруд, у медицині для моделювання й виготовлення зубних протезів, імплантатів та ортопедичних виробів, у військовій справі для оперативного друку деталей безпілотних літальних апаратів, а також в індустрії моди для створення дизайнерського одягу, взуття та аксесуарів [1].

2. З яких етапів складається процес підготовки моделі до друкування? Поясніть кожен з них.

Процес підготовки тривимірної моделі до друкування складається з таких послідовних етапів [9]:

• Експорт моделі: розроблену в 3D-редакторі модель експортують в один із спеціальних форматів (наприклад, .STL, .OBJ або .FBX), які зберігають опис геометричної форми об’єкта [3, 9].
• Нарізання (слайсинг): отриманий файл завантажують у спеціальну програму-слайсер, яка віртуально розділяє тривимірну модель на тонкі горизонтальні шари та розраховує траєкторію руху друкувальної головки [3].
• Генерація файлу інструкцій: результати нарізання моделі зберігають у файлі формату .GCODE, який містить точні координати переміщення екструдера та технологічні команди для принтера [4, 9].
• Друкування виробу: файл інструкцій завантажують у пам’ять 3D-принтера, після чого пристрій пошарово наносить матеріал, відтворюючи фізичну копію моделі [4].
• Пост-обробка (коригування): після завершення друку готовий виріб очищають від залишків пластику, видаляють допоміжні підтримувальні елементи та шліфують поверхню [4].

3. Якої корекції може потребувати надрукований на 3D-принтері виріб?

Надрукований на 3D-принтері виріб після завершення процесу друку може потребувати механічного видалення допоміжних підтримувальних елементів та очищення від надлишків матеріалу, шліфування або хімічного полірування поверхонь для усунення характерної пошарової шорсткості, а також склеювання окремих деталей, якщо об’єкт друкувався частинами [4].

4. Яке призначення програми-слайсера? Значення яких властивостей друкування можуть бути встановлені у слайсері?

Програма-слайсер призначена для перетворення тривимірної цифрової моделі на набір покрокових інструкцій і координат руху друкувальної головки 3D-принтера шляхом її віртуального нарізання на горизонтальні шари [3, 9]. У слайсері можна встановити значення таких властивостей друкування, як товщина кожного шару (якість друку), щільність та геометричний візерунок заповнення внутрішніх порожнеч моделі матеріалом, швидкість переміщення екструдера під час друку різних елементів, наявність та параметри автоматично згенерованих підтримувальних конструкцій для нависаючих частин моделі, а також тип зчеплення виробу з робочою платформою [4, 6].

ДАЙТЕ ВІДПОВІДІ НА ЗАПИТАННЯ

5. У який формат слід експортувати файл 3D-моделі, створеної у редакторі Blender, для подальшого «нарізання» у слайсері?

Для подальшого «нарізання» у слайсері файл 3D-моделі, створеної в редакторі Blender, слід експортувати у формат .STL. Також допускається використання інших форматів, які зберігають опис геометрії моделі, наприклад .OBJ, .FBX або .GLB.

6. У якому форматі слід зберігати файл з результатами опрацювання моделі у програмі-слайсері для друкування на 3D-принтері? Які дані містяться в цьому файлі?

Файл із результатами опрацювання моделі у програмі-слайсері слід зберігати у форматі .GCODE. Цей файл є текстовим і містить детальні керуючі команди для 3D-принтера, зокрема точні координати переміщення друкувальної головки (екструдера) або лазера для побудови кожного шару об’єкта, швидкість друку, температуру нагрівання сопла і робочої платформи, а також швидкість подачі філаменту.

ОБГОВОРІТЬ І ЗРОБІТЬ ВИСНОВКИ

1. Які переваги та недоліки має виготовлення об’єктів шляхом їх друкування на 3D-принтері порівняно з їх виготовленням іншими способами?

Перевагами виготовлення об’єктів шляхом 3D-друку порівняно з традиційними методами виробництва є можливість створення виробів надскладної геометричної форми, висока швидкість виготовлення одиничних прототипів, мінімальна кількість матеріальних відходів та відсутність потреби у дорогому спеціальному оснащенні чи прес-формах. Недоліками 3D-друку є висока собівартість при масовому виробництві, низька швидкість виготовлення великих партій продукції порівняно з промисловим литтям під тиском, обмежений вибір матеріалів для друку та менша міцність деталей через їхню пошарову структуру.

2. У чому полягають подібність і відмінність технологій 3D-друку?

Подібність технологій 3D-друку полягає в тому, що всі вони реалізують адитивний принцип виробництва, створюючи фізичний об’єкт шляхом послідовного покрокового нанесення матеріалу шар за шаром на основі цифрової 3D-моделі. Відмінність полягає в матеріалах, що використовуються (термопластичні пластикові нитки для FDM, рідкі фотополімерні смоли для SLA, порошки пластику чи металу для SLS), а також у фізико-хімічному способі формування та скріплення цих шарів (наплавлення розплавленої нитки через сопло екструдера, твердіння під дією лазерного або світлодіодного випромінювання, спікання порошку лазером).

3. У чому особливості створення 3D-моделей, метою яких є отримання тривимірного зображення, отримання 3D-анімації та 3D-друкування?

Особливості створення 3D-моделей залежно від їхнього кінцевого призначення є такими:

• Для отримання тривимірного зображення (статичного рендеру) головна увага приділяється візуальній складовій: високій деталізації поверхні, налаштуванню реалістичного освітлення, текстур та матеріалів, тоді як внутрішня структура моделі та її фізичні властивості не мають жодного значення.
• Для отримання 3D-анімації ключовою є правильна побудова сітки моделі (топологія) для уникнення візуальних спотворень при рухах, створення внутрішнього скелета (ріггінгу) для керування моделлю, а також оптимізація кількості полігонів для швидкої обробки кадрів комп’ютером.
• Для 3D-друкування вирішальне значення мають фізичні та геометричні властивості об’єкта: модель обов’язково має бути герметичною і замкненою (без дірок у сітці), мати реальну товщину стінок (не меншу за діаметр сопла принтера), правильні пропорції деталей та враховувати фізичні обмеження друку, зокрема потребу у створенні підтримувальних елементів для нависаючих частин.

ОБГОВОРІТЬ І ЗРОБІТЬ ВИСНОВКИ

4. Чому, на вашу думку, у 3D-редакторі Blender відсутня команда друку створених 3D-моделей?

Програма Blender є універсальним редактором тривимірної графіки, призначеним для моделювання, анімації, рендерингу та створення візуальних ефектів, а не для безпосередньої взаємодії з апаратним забезпеченням 3D-принтерів. Для друку 3D-моделі її необхідно перетворити на керуючий код (G-code) — набір пошарових інструкцій для конкретного принтера. Цю функцію виконують спеціалізовані програми-слайсери (наприклад, Ultimaker Cura), які враховують індивідуальні технічні характеристики кожного принтера, такі як діаметр сопла, температура нагрівання, швидкість подачі філаменту та тип пластику.

ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ

1. Створіть і підготуйте для друкування 3D-модель циліндричної підставки для ручок заввишки 120 мм. Збережіть модель у вашій папці у файлі з іменем завдання 4.5.1.stl, файл для друку з іменем завдання 4.5.1.gcode.

Алгоритм виконання завдання:

1. У програмі Blender створюється базовий тривимірний об’єкт Cylinder (Циліндр), для якого встановлюються розміри: радіус — 40 мм (діаметр 80 мм), висота по осі Z — 120 мм.
2. У режимі Edit Mode (Режим редагування) виділяється та видаляється верхня грань циліндра для утворення отвору підставки.
3. До об’єкта застосовується модифікатор Solidify (Об’ємність) із товщиною стінок 3 мм для надання виробу твердотілої форми.
4. Готова модель експортується через меню Файл -> Експорт -> STL (.stl) та зберігається під назвою “завдання 4.5.1.stl”.
5. Файл “завдання 4.5.1.stl” імпортується до програми-слайсера Ultimaker Cura.
6. У налаштуваннях слайсера обирається профіль якості Balanced (товщина шару 0.2 мм), щільність заповнення встановлюється на 15%, тип заповнення — сітка (Grid).
7. За допомогою кнопки Slice модель нарізається на шари, після чого готовий керуючий файл зберігається на диск під назвою “завдання 4.5.1.gcode”.

[!NOTE]
Промпт для створення зображення:
A screenshot of Ultimaker Cura slicing software showing a 3D model of a simple hollow cylindrical pen holder with a height of 120 mm placed on the center of the print bed. The cylinder is gray, and thin layer lines are visible indicating it has been sliced. The user interface of Ultimaker Cura in Ukrainian is visible around the viewport, showing print settings panel on the right. All text on the screen, buttons, and settings is in Ukrainian language.

2. Створіть і підготуйте для 3D-друкування модель деталі з конструктора «Лего» зі стороною основи 10 мм і висотою 8 мм за зразком (мал. 4.61). Збережіть модель у вашій папці у файлі з іменем завдання 4.5.2.stl, файл для друку з іменем завдання 4.5.2.gcode.

Алгоритм виконання завдання:

1. У Blender додається об’єкт Cube (Куб) з розмірами 10 мм по осях X та Y, та 8 мм по осі Z.
2. На верхній грані куба в режимі редагування Edit Mode додається циліндричний елемент (шип) радіусом 2.5 мм та висотою 1.8 мм, розташований по центру.
3. На нижній грані деталі виконується кругла порожнина глибиною 6 мм відповідного діаметра для з’єднання з іншими блоками конструктора.
4. Модель експортується у формат STL через меню Файл -> Експорт -> STL (.stl) з назвою “завдання 4.5.2.stl”.
5. Файл “завдання 4.5.2.stl” відкривається у програмі Ultimaker Cura.
6. Оскільки деталь має дрібні розміри, у налаштуваннях якості обирається профіль Visual (товщина шару 0.15 мм або менше), а щільність заповнення встановлюється на 20% для міцності штифта.
7. Програма виконує нарізку моделі (Slice), після чого отриманий файл інструкцій зберігається під назвою “завдання 4.5.2.gcode”.

[!NOTE]
Промпт для створення зображення:
A screenshot of Ultimaker Cura slicing software showing a single 1×1 LEGO brick with a base of 10×10 mm and a height of 8 mm on the blue virtual print bed. The LEGO brick is yellow and has a small cylinder stud on top. The user interface of the slicer is visible, with settings panels on the right. All text, menus, and labels on the screen are written in Ukrainian language.

3. Створіть з використанням системи штучного інтелекту Meshy (https://www.meshy.ai/) або іншої 3D-модель будинку. Установіть перед початком створення для властивості Модель III значення Meshy4. Завантажте створену модель, підготуйте її до друкування. Збережіть файл для друку з іменем завдання 4.5.3.gcode.

Алгоритм виконання завдання:

1. Виконується вхід на вебплатформу штучного інтелекту Meshy (https://www.meshy.ai/).
2. У розділі генерації Text to 3D у полі запиту вводиться опис моделі англійською мовою, наприклад: “A small cozy modern house with a detailed roof and windows”.
3. Перед початком генерації у списку версій нейромережі обирається версія Meshy4.
4. Після завершення генерації створена модель завантажується на комп’ютер у форматі .obj або .gltf.
5. Завантажена модель імпортується у Blender для перевірки цілісності геометрії, масштабується до потрібних розмірів (наприклад, 60 мм за шириною) та експортується у файл “завдання 4.5.3.stl”.
6. Файл “завдання 4.5.3.stl” імпортується у слайсер Ultimaker Cura.
7. У налаштуваннях Cura обирається профіль Draft або Balanced, встановлюється щільність заповнення 10-15%, та обов’язково вмикається параметр Support (Підтримка) для нависаючих елементів даху чи карнизів будинку.
8. Після прорахунку шарів кнопкою Slice файл інструкцій експортується з назвою “завдання 4.5.3.gcode”.

[!NOTE]
Промпт для створення зображення:
A screenshot of Ultimaker Cura showing a sliced 3D model of a cozy little house with a gabled roof. The house is placed on the virtual printer build plate. Some light blue support structures are automatically generated under the eaves of the roof to prevent collapse. The interface displays slicing statistics in Ukrainian: estimated print time, weight, and filament length. All text on the software interface is in Ukrainian language.

4. Створіть комп’ютерну презентацію про використання 3D-принтерів у одній з галузей: медицині, кінематографії, будівництві, індустрії моди, військовій справі. Збережіть презентацію у вашій папці у файлі з іменем завдання 4.5.4.pptx. Підготуйте виступ із презентацією.

Для виконання завдання створено комп’ютерну презентацію про використання 3D-принтерів у медицині та збережено її під назвою “завдання 4.5.4.pptx”.

Структура презентації та план виступу:

• Слайд 1: Титульний
  • Тема: Використання 3D-технологій у сучасній медицині.
  • Виконавець: Учень 9 класу.
• Слайд 2: Індивідуальне протезування
  • Вміст: Створення персоналізованих протезів рук та ніг на основі 3D-сканування тіла пацієнта. 3D-друк дозволяє виготовляти протези швидше, значно дешевше та з урахуванням індивідуальної анатомії.
• Слайд 3: Стоматологія та ортодонтія
  • Вміст: Використання технології SLA (друк фотополімерними смолами) для виготовлення точних зубних коронок, мостів, хірургічних шаблонів та елайнерів для вирівнювання зубів.
• Слайд 4: Передопераційне планування
  • Вміст: Друк пластикових моделей органів пацієнта на основі знімків комп’ютерної томографії (КТ). Хірурги використовують ці моделі для тренування перед складними операціями, що знижує тривалість втручання та мінімізує ризики.
• Слайд 5: Перспектива майбутнього — Біодрук (Bioprinting)
  • Вміст: Друк тканин і штучних органів (наприклад, шкіри чи судин) живими клітинами пацієнта. Ця технологія у майбутньому покликана вирішити проблему нестачі донорських органів.
• Слайд 6: Висновки
  • Вміст: 3D-друк інтегрується у щоденну медичну практику, роблячи лікування та імплантацію персоналізованими, швидкими і доступними для широкого кола пацієнтів.

ЗАВДАННЯ

Створіть 3D-модель куба зі стороною 4 м, збережіть у вашій папці у файлі з іменем завдання 4.5.5.1.stl. Відкрийте 3D-модель порожнього всередині куба з файлу Розділ 4\Пункт 4.5\завдання 4.5.5.stl. Опрацюйте обидві моделі у програмі Ultimaker Cura, установіть для них однаковий розмір, запишіть час друкування та витрати матеріалу для кожної моделі. Перегляньте процес друкування кожної моделі, проаналізуйте заповнення внутрішньої частини кубів. Проведіть розрахунки в табличному процесорі й визначте, скільки відсотків філаменту буде зекономлено під час друкування порожнього всередині куба порівняно з друком цільного куба таких самих розмірів. Результати обчислень збережіть у вашій папці у файлі з іменем завдання 4.5.5.

Для виконання завдання необхідно виконати наступні кроки:

1. Створити модель цільного куба в 3D-редакторі (наприклад, Blender) та зберегти її як завдання 4.5.5.1.stl.
2. Відкрити файл завдання 4.5.5.stl та модель завдання 4.5.5.1.stl у програмі Ultimaker Cura.
3. Установити для обох моделей однакові габаритні розміри.
4. Виконати “нарізання” (Slice) для кожної моделі та зафіксувати час друку і витрату матеріалу (філаменту) з інформаційної панелі.
5. Занести отримані дані в таблицю (приклад нижче) та розрахувати відсоток економії.

Розрахунок економії філаменту:
\text{Економія (%)} = \left( 1 - \dfrac{\text{Витрати порожнього куба}}{\text{Витрати цільного куба}} \right) \cdot 100%

ГОТУЄМОСЬ ДО ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Які ви знаєте ризики для користувача в інтернеті?

Ризиками для користувача в інтернеті є крадіжка конфіденційних даних, втрата персональної інформації через дії хакерів, фішинг, а також отримання шкоди від шкідливого програмного забезпечення.

2. Що таке особисті дані та чому їх потрібно захищати?

Особисті дані — це інформація, що дозволяє ідентифікувати особу. Їх потрібно захищати для запобігання використанню цієї інформації зловмисниками з метою крадіжки, шахрайства або завдання шкоди репутації.

3. Як ви розумієте термін цифровий слід? Який ваш цифровий слід в інтернеті?

Цифровий слід — це сукупність усіх даних про дії користувача, які залишаються в інтернеті після відвідування сайтів, спілкування в соціальних мережах та використання онлайн-сервісів. Мій цифровий слід включає історію пошукових запитів, публікації в соціальних мережах, дані про відвідані ресурси та залишені коментарі.

Які ви знаєте загрози, що можуть виникнути під час роботи з комп’ютером? Як можна захистити себе від них?

Загрозами під час роботи з комп’ютером є зараження шкідливим програмним забезпеченням, несанкціонований доступ до облікових записів та викрадення даних. Для захисту необхідно використовувати надійні паролі, двофакторну авторизацію, встановлювати антивірусне програмне забезпечення та бути обачним при відкритті підозрілих посилань або файлів.

Поширені запитання та відповіді (FAQ)

❓ Що таке FDM-друк і який принцип його роботи?

FDM — це технологія пошарового наплавлення матеріалу, за якої пластикова нитка (філамент) розплавляється в екструдері та видавлюється через сопло на платформу, формуючи об’єкт шар за шаром.

❓ Яка роль програми-слайсера у процесі 3D-друку?

Слайсер нарізає готову тривимірну модель на горизонтальні шари, розраховує траєкторію руху друкувальної головки та експортує інструкції у файл формату .GCODE.

❓ У яких форматах експортують файли для підготовки до 3D-друку?

Найпоширенішими форматами файлів 3D-моделей є .STL, .OBJ, .FBX, .GLB і .3DS, які потім конвертуються в .GCODE через програму-слайсер.