Проекты

Определение применимости лазерных и аддитивных технологий при изготовлении музыкальных инструментов

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «3D- моделирование, 3D-печать и VR/AR-технологии»

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Бауманская инженерная школа № 1580
Предметы: Физика, Информатика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Технологии уже давно шагнули вперёд и позволяют использовать различные материалы при изготовлении. Данный проект направлен на использование современного оборудования при изготовлении музыкальных инструментов, что позволит снизить стоимость их производства и разнообразить дизайн.

Цель

Исследовать возможность использования высоких технологий для изготовления музыкальных инструментов, а именно: методы лазерного раскроя и послойной сборки, 3D-печати деталей и узлов.

Задачи

  1.  Выбрать существующий музыкальный инструмент, определив его как эталон.
  2. Создать 3D-модель эталона в программах САПР.
  3. Определить, какие материалы доступны для проекта с учётом возможностей ЧПУ-станков. Создать технологическую карту изготовления музыкального инструмента и подготовить отдельные 3D-модели деталей и узлов, соответствующие технологическим возможностям станков.
  4. Изготовить детали музыкального инструмента, используя лазерный станок и 3D-принтер, произвести сборку копии и проверить её акустические и прочностные характеристики.
  5. Произвести доработку 3D-моделей музыкального инструмента.
  6. Дать оценку технологическому процессу и выявить преимущества и недостатки, определить возможные дальнейшие направления.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Лазерный трёхкоординатный станок Mercury III мощностью 25 Ватт
  • Autodesk Fusion 360 и CorelDRAW
  • 3D-принтер Maestro Classic

Описание

Этапы выполнения работы

Выбор эталона

После небольшого исследования как эталон был выбран музыкальный инструмент «Укулеле» (четырёхструнная гитара). Выбор обусловливается несколькими пунктами. Во-первых, гитара не потребует много материалов при изготовлении прототипа. Во-вторых, компактность «Укулеле» позволит изготовить детали на небольших станках.

Распределение обязанностей

Для осуществления проектной работы в оптимальное время все участники проекта получили определённые роли, в которых они могли максимально продуктивно использовать свои навыки.

Создание 3D-моделей

Технологический процесс.  Изготовление деталей и узлов.

Сборка инструмента и предварительная оценка акустических и прочностных свойств. Звучание модели не полностью соответствует звучанию оригинала. Проблема возникает из-за нескольких факторов: корпус, изготовленный из фанеры, негерметичен; клей в составе фанеры ухудшает звуковые качества; стенки корпуса слишком толстые, они гасят звук.

Переосмысление технологического процесса. Изготовление и закупка оставшихся деталей с учётом изменения общего вектора работы. Сборка первой версии электроукулеле и оценка акустических и прочностных характеристик.

Результаты работы/выводы

Авторы провели масштабную исследовательскую работу по изучению технологического метода производства музыкальных инструментов, технологии работы на высокотехнологическом оборудовании.

Определены и выполнены поставленные задачи, результаты подтверждены прогнозами и акустическими опытами, найдено оригинальное решение проблемы при отсутствии качественного материала. Определена область применения указанного метода изготовления музыкальных инструментов с помощью высоких технологий. Данный способ изготовления позволяет использовать станки и конвейерную ленту для быстрой сборки большого количества инструментов с минимальными действиями человека, что позволит значительно снизить стоимость изготовления.

Указаны недостатки (невысокие звуковые качества по сравнению с инструментом, выполненным классическим образом) и достоинства (возможность автоматизации, расширенные возможности для дизайна инструментов) метода.

Использовать лазерные и аддитивные технологии для изготовления музыкальных инструментов можно, но с некоторыми оговорками. Например, изготавливать акустические инструменты проблематично по причине того, что послойная сборка не даёт герметичности корпусу; для прочного примыкания слоёв необходимо использовать соединительные шканты, что увеличивает толщину стенок корпуса, которые гасят звуковые волны.

Одним из результатов работы является рабочий экземпляр музыкального инструмента.

Есть план развития исследовательской работы (разработка процесса изготовления акустических музыкальных инструментов с собственным резонатором, без электронных компонентов; разработка оригинального дизайна; доработка предложенной технологии производства).

Перспективы использования результатов работы

Возможность использования автоматизированных конвейеров при изготовлении музыкальных инструментов, что снизит стоимость производства. Расширение возможных дизайнов инструментов, что привлечёт больше людей к музыкальным инструментам.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Инжинириум МГТУ им. Н.Э. Баумана

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

  1. Научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 2021 – призёр.
  1. XXX Открытая московская инженерная конференция школьников – участник.
  2. Конференция «Курчатовский проект от знания к практике, от практики к результату» – участник.

Мнение автора

«Мы думаем, что наш проект позволит увеличить интерес к производству музыкальных инструментов. А «Инженерный класс в московской школе» и открытая научно-практическая конференция «Инженеры будущего» дали толчок к исполнению нашей задумки»