Историю создания 3D–ручки следует начать с истории создания 3D–принтера. Знакомое всем слово «принтер» пришло к нам из английского языка и переводится как «печать». Все знают простые принтеры, на которых можно вывести любой материал — текстовой или графический — в бумажном виде.

Первые черно-белые принтеры появились в 1985 году, а в 1988 году началось производство цветных моделей. Сегодня большие и маленькие принтеры
можно найти в офисе, в школе и даже практически в каждом доме, ведь эти аппараты нужны для учебы или работы. Но теперь появился совершенно новый тип принтера.

Современная мощная машина, которая может сделать нечто большее, чем просто вывести печатный материал. Речь идет о 3D–принтере. Его разработали для создания трехмерных моделей, готовых изделий или деталей. Понятие «3D–принтер» официально используется с 1996 года, с момента создания машины Actua 2100 от компании 3D Systems.

Первые 3D–принтеры имели малую мощность, работали медленно, а при увеличении скорости изделия получались с большими погрешностями. Только в 2005 году появились 3D–принтеры с высоким качеством печати. В 2008 году был запущен принтер Reprap, способный производить самого себя. До 2008 года любой 3D–принтер мог работать только с использование одного вида расходного материала — пластика АВS. Это один из лучших расходных материалов для 3D–печати. Но компания Objet Geometries Ltd. разработала принтер Connex500, который мог работать с различными видами материалов одновременно. Сейчас количество материалов перевалило за сто. Сегодня можно использовать такие материалы, как: акрил, бетон, гидрогель, бумага, волокно, лед, металлический порошок, нейлон, поликапролакттон, полилактид, полипропилен и даже шоколад.

Главная особенность работы 3D–принтеров заключается в том, что все получаемые модели являются твердотельными и наносятся послойно, слой за слоем. И, если на простом принтере получают только бумажный вариант, то на 3D–принтере можно создать детскую игрушку, сувенирную фигурку, пластиковую посуда, ткань, для пошива одежды, а также импланты, для использования в медицине, и легковой автомобиль.

Возможности принтеров нового поколения практически безграничны.

Первая в мире 3D–ручка, получившая название 3Doodler, была разработана американской компанией WobbleWorks. Идея пришла в голову основателям компании, Максу Боугу и Питеру Дилворту, когда сломался 3D–принтер и потребовалось заделать брешь в напечатанной 3D–модели. 3D–ручка имеет все шансы стать нужным художественным средством для разных уроков.

Математика (геометрия).

С внедрением 3D–ручки ученик имеет возможность изображать геометрические фигуры, а вслед за тем делать собственные сложные формы.

Архитектура. История.

При исследовании важных исторических памятников учащиеся могут воссоздать их силуэты для проведения презентаций. Создание архитектурных чертежей содержит в себе математические способности – знание геометрии, пространственной ориентации и измерений.

Технология (урок труда).

Ребята могут делать разные поделки: украшения, объёмные цветы, героев любимых мультфильмов и многое другое.

Химия и физика.

Можно создать модели молекул, исследовать силу тяжести и прочие физические понятия.

Объёмное рисование 3D–ручкой понравится и взрослым, и детям, она будет незаменимым помощником для творчества, но ещё занимательный инструмент для обучения и развития фантазии.

Достоинства 3D–ручки.

Естественно, 3D–принтер способен делать трудные фигуры, точь-в-точь повторяя составляющие элементы заданной модели. Хотя ручка для трёхмерной печати содержит ряд собственных неповторимых превосходств.

Современные гаджеты весят от 40 грамм. Небольшие габариты позволяет брать прибор в командировки или на отдых. Некоторые аппараты обустроены перезаряжающимися батареями, что даёт вероятность применить их вдали от точек доступа к электросети. Кроме того, небольшие габариты ручки дают возможность изображать ею в недоступных местах. Устройство значительно расширяет рамки изобразительного искусства. Инженеры создали прототип ручки, рисующей пластиком, и представили свой проект в 2013 году на Kickstarter.

По принципу работы 3D–ручки разделяются на два вида: «горячие» и «холодные».

Наиболее распространены «горячие» 3D–ручки.

«Горячие» ручки заправляются термопластиком, который поставляется в виде прутков или катушек нитей. В верхней части корпуса 3D–ручки располагается отверстие, в которое вставляется пластик. Встроенный механизм автоматически подводит пластик к экструдеру, где он нагревается и подается в горячем виде через сопло. Расплавленный пластик способен принимать любую форму, а затем быстро застывает.

Основные элементы «горячей» 3D–ручки: сопло, механизм подачи пластиковой нити, нагревательный элемент, вентилятор для охлаждения верхней части сопла и ручки в целом, микроконтроллер для управления работой вентилятора, механизма подачи и нагревательного элемента.

Для работы «горячей» 3D–ручки требуется электропитание – как правило, используются обычные блоки питания с преобразователем напряжения 12В. Подача материала осуществляется при нажатии соответствующей кнопки.
Некоторые модели, например, 3D–ручка 5-го поколения Feizerg F001, оснащаются регулятором скорости подачи пластика, регулятором температуры нагрева и дисплеем, на котором отображается информация о выбранном режиме.

Также во многих 3D–ручках есть кнопка реверса, которая позволяет легко извлекать пластиковую нить из ручки.

К преимуществам «горячих» 3D–ручек относятся: небольшой вес, компактность, простота использования, прочность поделок, доступная стоимость расходных материалов.

В качестве недостатков пользователи отмечают наличие проводов и нагревание сопла ручки до высокой температуры.

Принцип действия «холодной» 3D–ручки основан на экструзии жидкой фотополимерной смолы, затвердевающий на выходе под воздействием ультрафиолетового излучателя. В таком устройстве нет нагревательных элементов, и материал для рисования не имеет высокой температуры. Гаджет работает без проводов, энергопотребление происходит за счет встроенного аккумулятора. В ручку вставляется картридж с жидким полимером.

Для большинства «холодных» 3D–ручек доступны разные виды смол: обычные, эластичные, магнитные, светящиеся, меняющие цвет в зависимости от температуры и даже чернила для бодиарта.

Первой в мире 3D–ручкой, работающей по технологии фотополимеризации, стал бренд CreoPop.

К преимуществам «холодных» 3D–ручек относят отсутствие горячих элементов, бесшумность, работа без проводов, возможность использования большого количества фотополимерных смол с различными свойствами.

Среди недостатков – высокая стоимость ручки и материалов, хрупкость поделок. Расходный материал для 3D–ручки – пластик в различных видах:

ABS;
PLA;
WATSON;
SLA – для «холодных» 3D–ручек.

Каждый вид рабочего материала имеет свои преимущества и недостатки.

Первые три типа пластика используются для ручек «горячего» принципа работы, а последний – для «холодных». Чаще всего встречаются ручки, использующие в качестве рабочего материала пластик ABS и PLA. Форма выпуска – катушки.

Пластик ABS отличается прочностью и долговечностью, может применяться для склеивания пластмассовых деталей.

Основные минусы – при работе выделяется легкий запах и небольшая термоусадка (незначительное уменьшение размеров изделия после остывания).

Пластик PLA изготавливается из растительного сырья, он пластичен и отлично подходит для создания гибких конструкций. Температура плавления у PLA ниже, чем у ABS.

Недостаток — фигуры, выполненные из этого сырья недолговечны. Цветовая палитра ABS и PLA пластика самая разнообразная, а цвет – яркий и насыщенный. WATSON – пластик с прозрачной легкой, чуть поблескивающей текстурой. Не имеет неприятного запаха при печати, не боится влаги и почти не дает усадки. Отлично подходит для медицинских изделий и детских игрушек.

SLA – фотополимерные быстрозатвердевающие светочувствительные смолы, используемые для заправки «холодных» 3D–ручек.

Форма выпуска – небольшие картриджи. SLA–смолы также представлены широким выбором цветов, но имеют различные физические свойства и отличны по консистенции. Смолы SLA бывают как простыми цветными и эластичными, так и могут обладать магнитными свойствами или даже светиться в темноте.

Все типы пластика в обычных условиях нетоксичны и безопасны. Самым недорогим и доступным является вид ABS. Именно он рекомендуется начинающим, так как с ним легко работать. Фотополимеры относятся к дорогостоящим материалам.

Перед тем, как работать с 3D–ручкой, следует внимательно изучить инструкцию к изделию, приобрести в достаточном количестве нужные расходные материалы и приготовить рабочее место. Лучше, если это будет поверхность стола, ничем лишним не заполненная.

При моделировании трехмерной фигуры потребуется пространство над столом, поэтому крайне важно свободное движение рук и беспрепятственное соединение концов пластиковых нитей в воздухе. Неловкие движения могут искривить или деформировать линию в процессе застывания пластика. Современные 3D–ручки достаточно удобно ложатся в руку, рисование ими напоминает работу обычной ручкой. На 3D–ручке обычно есть дисплей, где показывается температура нагрева и скорость подачи пластика.

Основные элементы на 3D–ручке:

Кнопка подачи пластика (кнопка вперед) на нагревательный элемент располагается с левого бока ручки: для правшей – прямо под большим пальцем, для левшей, соответственно, под указательным. Эта кнопка – основная при работе с 3D–ручкой, именно она «выдавливает» пластик из ручки.
Кнопка назад (рядом с кнопкой подачи) – достает пластиковую нить из ручки. Срабатывает только после удержания ее в течение нескольких секунд, чтобы избежать случайных нажатий.
С правой стороны ручки располагаются кнопки переключения скорости подачи пластика.
Кнопки регулировки температуры располагаются сверху около дисплея. Знак плюс – увеличение температуры, знак минус – снижение. Если одновременно нажать на кнопки регулировки температуры – ручка перейдет в режим выбора типа пластика: ABS или PLA (для разных типов пластика требуется разная температура нагрева).
Дисплей – на нём выводятся данные о текущей скорости, типе пластика, текущей температуре и заданной температуре. Все показатели можно контролировать и менять в реальном режиме времени. (Приложение 1)

Если не пользоваться ручкой в течение 2-х минут, то она уйдет в режим ожидания, чтобы возобновить работу, достаточно нажать любую из кнопок. Вначале целесообразно потренироваться в создании одномерных рисунков на горизонтальной плоскости. Для этого следует положить на горизонтальную поверхность стола лист ватмана, продумать сюжет рисунка (можно для первого опыта нанести на ватман карандашный контур) и воплотить его в реальность.

Проводя по линиям кончиком сопла с нужной скоростью, вы создадите контурный объект из пластика, который можно взять в руки, повесить на стенку, повернуть в любую сторону. Таким способом, например, можно изготовить:

причудливые пластиковые снежинки для украшения елки,
кулоны и серьги,
мелкие игрушки,
декоративные детали интерьера и многое другое.

Используя эту технологию, можно оформить ажурным кружевом настольное зеркало или фоторамку, выбрав нужный цвет.

Когда рука уже набита на одномерных объектах, можно попробовать изготовить стереометрическую фигуру, например, контурную объемную призму или пирамиду. Для этого на бумаге рисуется равносторонний треугольник, от вершин которого пластиковыми нитями формируются вертикальные или наклонные ребра. Три наклонных ребра, соединенные в верхней точке вертикальной оси, образуют тело пирамиды. Для призмы рисуются вертикальные ребра, которые соединяются на торце и образуют верхнюю грань в форме такого же равностороннего треугольника, как в основании.

Плоские квадраты и треугольники и навык их быстрого рисования потребуются в дальнейшем, если будет нужно создать, к примеру, трехмерную модель дома, коттеджа, беседки, бани. При помощи 3D–ручки такие архитектурные образцы (макеты) создаются легко и просто.

Перед тем, как рисовать 3D–ручкой в воздухе, желательно потренироваться с основами разного вида. Удобным вариантом в этом случае станет, например, контейнер из-под «Киндер-сюрприза» или перегоревшая электрическая лампочка. Покрывая пластиковыми линиями, миксами или кольцами такую основу, можно делать простейшие игрушки для детей или сувениры (например, пингвина, собачку, зайца, снеговика).

Из лампочки может получиться стилизованная груша или ананас. «Воздушные» детали (лапы, уши, хвосты, листья и черешки) наращиваются уже на основу. Комбинируя рисование на плоскости и в воздухе, можно делать ажурные пластиковые сумочки девочкам или мыльницы.

Во время работы с 3D–ручкой развивается координация, пространственное мышление и мелкая моторика рук, что делает этот инструмент незаменимым при организации комплексного развития ребенка.

Современным детям просто лепить из пластилина уже не интересно, 3D–ручка может стать великолепной альтернативой на развивающих занятиях с детьми, как инструмент, дающий огромные возможности в рисовании и конструировании объемных фигур.