Наглядные пособия по химии на 3D-принтере

Химия — наука о невидимом. Строение атома, форму молекулы, расположение ионов в кристалле школьнику приходится представлять по рисунку. 3D-принтер даёт возможность сделать то, что обычно покупают дорого и в ограниченном выборе: комплекты под конкретную программу и нужное число учеников.

Что можно напечатать

Периодическая таблица. Плитки с символом, номером и массой для магнитной доски, настенный стенд или спираль. Подробные размеры и цвета групп разобраны в статье про таблицу Менделеева в 3D.

Шаростержневые модели. Шары-атомы с отверстиями под стержни-связи. Для воды, углекислого газа, метана, аммиака, этанола, бензола и глюкозы комплект включает 20–40 шаров. Углы связей задаёт геометрия отверстий: 104,5° у воды, 109,5° у метана, 120° у этилена. Как делают такие наборы, мы разбирали в статье про модели молекул и кристаллов.

Орбитали. Формы s (сфера), p (гантель) и d (четырёхлепестковая) наглядно показывают, почему атомы соединяются под определённым углом. Модели печатают размером 6–10 см с подставкой; для p-орбиталей в трёх ориентациях делают наборы с общим центром.

Кристаллические решётки. Куб, объёмно-центрированный куб, гранецентрированный куб, гексагональная упаковка, хлорид натрия. Шары диаметром 20–30 мм собираются на штифтах, одна модель — набор из 14–27 шаров.

Лабораторные стойки. Подставка под пробирки, держатель для воронки, ячейки для флаконов с реактивами. Такие детали должны выдерживать влагу и протирку; подойдёт PETG.

Стенды и карточки. Таблица растворимости с выпуклыми обозначениями, ряд активности металлов, формулы, периодичность свойств.

Цвета и размеры

Диаметры условные: реальные атомные радиусы различаются слабее, зато на уроке важнее, чтобы атомы легко отличались друг от друга издали.

Как сделать комплект на класс

1. Определите темы: какие молекулы и решётки разбираются по программе.
2. Составьте перечень деталей: шаров, стержней, подставок на один комплект.
3. Решите, сколько комплектов нужно: один на парту (12–15), один на группу (5–6) или демонстрационный.
4. Договоритесь о цветах. Для одинаковой серии удобно взять один бренд пластика на всю партию.
5. Согласуйте образец: вы увидите вживую один комплект, потом запускаются остальные.

Серия из 15 комплектов печатается за несколько дней, потому что шары, стержни и подставки идут на нескольких столах одновременно.

Материалы

PLA — стандарт для школьных пособий: цвета яркие, запах слабый, печатает аккуратно. Но он размягчается при 55 °C, поэтому стенд не стоит держать у батареи. PETG прочнее на излом и прощает падения со стола, нужен для моделей, которые дети будут разбирать десятки раз.

Как хранить и использовать комплекты

Шаростержневой набор удобно хранить в коробке с ячейками: шары по цветам, стержни по длинам (30, 40, 50 мм), несколько подставок. Печатная коробка с делениями делается из PETG и стоит дешевле заводского органайзера. Учителю пригодится карточка: на крышке выпуклые схемы популярных молекул, чтобы ученики не листали учебник на уроке.

Для работы в парах хватает набора на 25–30 шаров и 40 стержней; для демонстрации на доске нужны увеличенные модели с шарами диаметром 50–60 мм. Крупные шары печатают пустотелыми с заполнением 10 %: они весят 30–50 г и крепятся на магниты к металлической доске.

Безопасность и уход

Модели моют тёплой водой с мылом, не используют ацетон и спирт: пластик мутнеет и становится хрупким. Хранят при комнатной температуре вдали от батарей. Стержни диаметром 4 мм с шипами по концам при падении не ломаются, а гнутся, поэтому в школьный набор закладывают запас 10–15 % на потери. Все острые края шлифуются, а мелкие детали крупнее 3 см, чтобы младшие школьники не могли их проглотить.

Если нужно сделать

Печатаем учебные модели и макеты по эскизу из учебника или по вашему списку деталей. Стоимость комплекта прикинет калькулятор, а общий подход к сериям — на странице макетов. Для проектов с исследовательской работой учеников посмотрите также материал про 3D-печать для науки.