Проекты

Флейта из углепластика

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «3D-моделирование, 3D-печать и VR/AR-технологии» среди работ учащихся 7−9 классов

Направление работы: Материаловедение
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1231
Предметы: Физика, Химия
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 2020 года

Актуальность

В современном мире искусство играет важную роль, благодаря развитию технологий в нём появляются новые стили и жанры. Музыка – не исключение. Множество музыкальных инструментов смогли повысить качество звука и прочность из-за появления новых материалов и технологий. Уже много лет в музыке применяют укреплённые металлы и пластики. Мы собрались улучшить какой-то инструмент. После долгих раздумий было решено взять для опыта флейту.

Цель

Разработка и создание работающей флейты вистл из углепластика.

Задачи

1. Изучение работы музыкального инструмента.

2. Моделирование работающего прототипа.

3. Производство оснастки.

4. Создание первой и второй заготовок.

5. Создание третьей и четвёртой заготовок.

6. Изготовление внутренней детали.

7. Обработка всех деталей.

8. Сборка.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Программа SolidWorks

  • Программа Autodesk Inventor

  • 3D-принтер

  • Инфракрасные лампы

  • Фрезерный станок

  • Печь

  • Вакуумный насос

  • Компрессор

  • Инструмент для обработки Dremel

Материалы:

  • ABC пластик

  • МДФ

  • Эпоксидная смола Т20-60

  • Разделитель

  • Углепластик ( в виде препрега)

  • Вакуумная плёнка

  • Герможгут

  • Силиконовая трубка

Одноразовые материалы:

  • Кисти

  • Ёмкости

Средства защиты:

  • Халат

  • Перчатки

  • Маска

  • Очки

Описание

Первым этапом автор решил изучить историю происхождения флейты вистл. В дальнейшем он приступил к изучению строения флейты. Выяснилось, что свист, издаваемый инструментом, возникает из-за разделения воздушных потоков. В месте разделения потока образуется тот самый свист. После образования двух течений большая часть воздуха выходит из первого отверстия, а меньшая часть идёт дальше по трубке. Зажимая последующие отверстия, меняется тональность звука. Таким образом, узнав принцип работы инструмента, автор мог приступать к моделированию.

Перед автором была поставлена интересная задача: изготовить цилиндрический полый предмет со сложным внутренним строением. Обычно для таких форм используют методику раздува, то есть вовнутрь изделия кладут карман или силиконовую трубку, чтобы он прижимал материал изнутри. Также было принято решение разделить конструкцию флейты на внешнюю и внутреннюю части. Если с внешней частью всё понятно, то внутренняя включала в себя пластиковую закладную деталь, некую ступень. Теперь автор мог выбрать строение оснастки, так как знал будущий вид изделия. После составления чертежей этап моделирования прошёл быстро. Затем началась первая работа с фрезерным станком. Он понадобился для производства оснастки. После получения вырезанной заготовки её надо было пропитать эпоксидной смолой: это делает материал более плотным и долговечным. До полной готовности оснастки автору понадобилось лишь провести чистовую обработку, то есть снять тонкий слой с пропитанной поверхности, что сделает поверхность ровной и гладкой. Следующим этапом стало изготовление внешней части флейты. Было сделано 4 заготовки двумя способами. В первом случае внутрь вакуумного пакета вкладывался цилиндрический рукав из плёнки, после создания вакуума этот рукав прижимал материал к внутренним стенкам, тем самым повторяя форму оснастки. В таком виде заготовка ставилась в печь на 2 часа при 100 градусах. Метод реально оказался действенным, автор решил поэкспериментировать и придумал второй метод.

Во втором случае рукав был заменён на силиконовую трубку под давлением. По сути, особых изменений внесено не было, только конструкция стала более сложной, а результат более качественным. В процессе эксперимента произошёл инцидент. В силиконовую трубку было подано чрезмерное давление, что привело к взрыву. При этом никто не пострадал, и даже оснастка с заготовкой внутри остались целы. Автором было принято решение снизить давление в 2 раза.

После создания четырёх заготовок пришло время для внутренней закладной детали. Бóльшая часть времени была потрачена на печать, так как часть моделирования была уже выполнена. К сожалению, понадобился этап обработки, так как при изготовлении некоторых заготовок не был сохранён температурный режим, и смола в препреге просто закипела, из-за чего поверхность стала неровной. Излишки материала тоже мешали дальнейшей работе. Этот этап полностью был выполнен автором.

Следующим шагом стала сборка, то есть соединение внутренней детали с корпусом (самый короткий этап всей работы).

В последнюю очередь автор решил сделать отверстия во флейте. Самым сложным было сделать первое отверстие, так как оно находится под определённым углом. После одной неудачной попытки автору всё-таки удалось извлечь звук из флейты.

Результаты работы/выводы

1. Изучена работа музыкального инструмента; смоделирован работающий прототип.

2. Создана оснастка; сделаны первая и вторая заготовки; сделаны третья и четвёртая заготовки; изготовлена внутренняя деталь; обработаны все детали.

3. Произведена сборка.

Перспективы использования результатов работы

Музыкальный инструмент может использоваться в современном искусстве, так как не уступает своим нынешним аналогам.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Инжинириум МГТУ им. Н. Э. Баумана

Награды/достижения

1. Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» – призёр.

2. Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» – участник.