Детский конструктор, электропроводящая композиция и способ ее изготовления (варианты), способ формирования электропроводящих треков и ручной инструмент (варианты)
Группа изобретений относится к области детских конструкторов и может быть использовано в качестве интерактивного учебно-методического комплекса с элементами дизайна, схемотехники, электротехники, химии, черчения. В детском конструкторе, содержащем плоскую подложку с односторонне нанесенной на нее электрической схемой, включающей места размещения функциональных электрических элементов и линии разметки для нанесения электропроводящих треков, набор входящих в упомянутую электрическую схему функциональных электрических элементов в модульном исполнении, предназначенных для их установки на подложке и выполненных в виде плат с размещенными на них с одной стороны электрическими элементами, а с другой стороны - контактными элементами, предназначенными для взаимодействия с электропроводящими треками, и инструмент с заправляемой в него электропроводящей композицией, предназначенный для формирования на подложке упомянутых электропроводящих треков, соединяющих контактные элементы функциональных электрических элементов в действующую электрическую цепь, подложка включает три скрепляемых между собой слоя, первый из которых - тыльный с нанесенной на него электрической схемой - выполнен с пазами для размещения в них плат функциональных электрических элементов и снабжен нанесенными на него контактными площадками в зоне сочленения контактных элементов плат с электропроводящими треками, второй слой - промежуточный - выполнен с пазами для размещения в них электрических элементов с образованием опорной площадки для их плат, а третий слой - лицевой - выполнен с функционально прозрачными окнами в местах сочленения с соответствующими электрическими элементами и сформированным на его лицевой части изобразительным рядом; реализованы: электропроводящая композиция для детского конструктора и способ ее изготовления (варианты), способ формирования электропроводящих треков, ручной инструмент для формирования электропроводящих треков. Технический результат - расширение обучающих возможностей. 8 н. и 13 з.п. ф-лы, 11 ил.
Группа изобретений, объединенных единым творческим замыслом, относится к индустрии развивающих игр, а именно - к области детских конструкторов, и может быть использовано в качестве интерактивного учебно-методического комплекса с элементами дизайна, схемотехники, электротехники, химии, черчения, применяемого для развлечения и обучения детей в домашних условиях, а также в детских дошкольных учреждениях и школах.
Широкое использование компьютерных игровых и обучающих программ, несмотря на их несомненные преимущества, имеет и ряд недостатков. Во-первых, использование в компьютерных играх мониторов приводит к вредному влиянию на детей рентгеновского и лептонного облучения, причем длительное время нахождения у монитора приводит к ухудшению зрения ребенка. Во-вторых, компьютерные программы не оставляют место творчеству ребенка, поскольку программа игры уже задана и все возможные ситуации заранее смоделированы. В-третьих, рисунок игры разворачивается на относительно маленьком экране, носит виртуальный характер и отсутствует возможность физического перемещения предметов во время игры.
Детские конструкторы, достаточно широко выпускаемые промышленностью, лишены указанных недостатков.
Известен конструктор, выполненный в виде двух- или трехмерной головоломки, элементы которой при корректной установке образуют электрическую цепь из сформированных в элементах электропроводящих треков (из проводов или металлических лент или электропроводящей композиции), соединенную с источником тока и световым и/или звуковым индикатором, предназначенным для формирования светового и/или звукового сигнала при корректной сборке головоломки (Заявка US №14607439 от 28.01.2015, опубл. 21.05.2015 под № US 20150137448).
Аналог интересен отчасти способностью развития у пользователей элементов плоскостной и пространственной комбинаторики, но, в основном, развлекательным эффектом. К недостаткам вышеописанного аналога следует отнести невозможность его использования в качестве интерактивного учебно-методического комплекса с элементами дизайна, схемотехники и электротехники.
Недостатков, присущих вышеприведенному аналогу, лишен учебно-методический комплекс «Электрифицированная открытка» (Учебно-методический кабинет, Блог Кузовлевой Татьяны Николаевны, Открытка со светодиодами своими руками. Мастер-класс с пошаговыми фото [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ped-kopilka.ru/blogs/tatjana-nikolaevna-kuzovleva/yelektrificirovanaja-otkrytka-ko-dnyu-pozhilogo-cheloveka.html, свободный - (22.03.2019). Принцип действия такой открытки простой. При каждом открывании или нажатии кнопки выключателя (в зависимости от устройства микросхемы) электрическая цепь замыкается, и встроенные светодиоды начинают светиться. Лучшего эффекта можно достичь, если использовать световые компоненты, способные менять свои цвета, т.е. один и тот же светодиод может поочередно мигать то красным, то синим, то зеленым цветом. Цветовое решение может быть разным. Это зависит от того, на какие цвета данный светодиод запрограммирован. Для изготовления электрифицированной открытки использован следующий компонентный набор (конструктор): листы декоративного картона (формат А4), двойной скотч, изобразительный ряд (шаблоны фигурок, картинки, раскраски и т.п.), монтажный изоляционный провод 0,02 см (60-70 см), 3 светодиода мощностью 3 Вольта, резисторы на 270-330 Ом, гальваническая батарейка мощностью 12 Вольт, изоляционная лента, кнопочный микровыключатель. Таким образом, в отличие от предыдущего аналога, детский конструктор «Электрифицированная открытка» обладает способностью к использованию в качестве интерактивного учебно-методического комплекса с элементами дизайна, схемотехники и электротехники.
Тем не менее, учебно-методический комплекс «Электрифицированная открытка» имеет свои существенные недостатки, заключающиеся в использовании проводной электрической схемы, воспринимаемой обучающимися, как некий анахронизм в век печатных и микро-схем, кроме того, проводная электрическая схема негативно сказывается на габаритном и эстетическом аспектах конструируемого объекта.
Наиболее близким к заявленному - прототипом - является конструктор Circuit Scribe фирмы Electroninks (MAD ROBOTS RU [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://madrobots.ru/blog/post/circuit-scribe-review/, свободный - (22.03.2019), включающий плоскую подложку (оформлена в виде буклета с распечатанными электрическими схемами) с односторонне нанесенной на нее электрической схемой, включающей места размещения функциональных электрических элементов и линии разметки для нанесения электропроводящих треков, набор входящих в упомянутую электрическую схему функциональных электрических элементов (светодиоды, выключатель, батарейка и т.п.) в модульном исполнении, предназначенных для их установки на подложке и выполненных в виде плат с размещенными на них с одной стороны - электрическими элементами, а с другой стороны - контактными элементами, предназначенными для взаимодействия с электропроводящими треками, и инструмент (шариковая ручка или фломастер или иной) с заправляемой в него электропроводящей композицией, предназначенный для формирования на подложке упомянутых электропроводящих треков, соединяющих контактные элементы функциональных электрических элементов в действующую электрическую цепь. Основное предназначение Circuit Scribe - обучение детей и освоение базовых навыков построения электрических схем.
К недостаткам прототипа следует отнести недостаточность обучающих возможностей, обусловленную отсутствием в конструкторе игровой составляющей в виде элементов дизайна, недостаточностью заложенных в конструкторе действий для выработки механических, чертежно-художественных и иных практических навыков.
Проблема, решаемая заявленным техническим решением, заключается в выполнении составляющих детский конструктор элементов, предполагающих действия для выработки дизайнерских, механических, чертежно-художественных и иных практических навыков.
Технический результат - расширение обучающих возможностей.
Поставленная проблема решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в детском конструкторе, содержащем плоскую подложку с односторонне нанесенной на нее электрической схемой, включающей места размещения функциональных электрических элементов и линии разметки для нанесения электропроводящих треков, набор входящих в упомянутую электрическую схему функциональных электрических элементов в модульном исполнении, предназначенных для их установки на подложке и выполненных в виде плат с размещенными на них с одной стороны - электрическими элементами, а с другой стороны - контактными элементами, предназначенными для взаимодействия с электропроводящими треками, и инструмент с заправляемой в него электропроводящей композицией, предназначенный для формирования на подложке упомянутых электропроводящих треков, соединяющих контактные элементы функциональных электрических элементов в действующую электрическую цепь, подложка включает три скрепляемых между собой слоя, первый из которых - тыльный с нанесенной на него электрической схемой - выполнен с пазами для размещения в них плат функциональных электрических элементов и снабжен нанесенными на него контактными площадками в зоне сочленения контактных элементов плат с электропроводящими треками, второй слой - промежуточный - выполнен с пазами для размещения в них электрических элементов с образованием опорной площадки для их плат, а третий слой - лицевой - выполнен с функционально прозрачными окнами в местах сочленения с соответствующими электрическими элементами и сформированным на его лицевой части изобразительным рядом, при этом конструктор снабжен фиксаторами, каждый из которых предназначен для закрепления на тыльном слое подложки с перекрытием части соответствующей контактной площадки и контактного элемента соответствующего функционального электрического элемента с фиксацией платы последнего относительно подложки, при этом слои подложки могут быть выполнены с периферийными участками, содержащими не менее двух базовых отверстий для корректного взаимного расположения слоев друг относительно друга путем размещения в отверстиях базовых штыревых элементов, и предназначенные для их удаления после скрепления слоев между собой, а фиксатор может быть выполнен в виде полоски скотча, рекомендовано контактные площадки выполнять из нанесенной на подложку электропроводящей композиции, а линии разметки для нанесения электропроводящих треков выполненять в виде обращенных друг к другу торцами штрихов из нанесенной на подложку электропроводящей композиции, целесообразно скотч выполнять электропроводным или полоску скотча выполнять со сквозным окном с обеспечением доступа к месту сочленения соответствующих контактной площадки и контактного элемента, оптимально контактные площадки и/или линии разметки для нанесения электропроводящих треков выполнять из композиции с такими же связующим и наполнителем, что и композиция для нанесения электропроводящих треков, а соседние торцы соседних штрихов выполнять параллельными между собой и под углом α к упомянутым штрихам так, что а соответствует одному из двух диапазонов: 0°<α<90°; 90°<α<180°.
Электропроводящая композиция для детского конструктора по первому варианту выполнена в виде дисперсии электропроводящего наполнителя и связующего вещества в испаряемой фракции, где в качестве связующего вещества использован поливиниловый спирт в количестве масс. 6-12% от общей массы, а в качестве наполнителя - углеродные нанотрубки с функционализированной поверхностью в количестве не более 1% испаряемой фракции и не менее перкуляционного порога в массе неиспаряемой фракции композиции, при этом использованы углеродные нанотрубки с функционализированной поверхностью, атомы углерода кристаллической решетки которой ковалентно связаны с химически привитыми имидными группами с замещающим радикал атомом водорода, а в качестве испаряемой фракции использована деионизированная вода. Способ изготовления электропроводящей композиции для детского конструктора по первому варианту включает предварительное диспергирование в испаряемой фракции углеродных нанотрубок с функционализированной поверхностью в количестве не более 1% от массы испаряемой фракции и не менее перкуляционного порога в массе неиспаряемой фракции композиции, а в полученной дисперсии диспергируют поливиниловый спирт в количестве 6-12% от общей массы композиции.
Электропроводящая композиция для детского конструктора по второму варианту выполнена в виде дисперсии электропроводящего наполнителя и связующего вещества в испаряемой фракции, где в качестве связующего вещества использован поливинилацетат в количестве масс. 6-12% от общей массы, а в качестве наполнителя - углеродные нанотрубки с функционализированной поверхностью в количестве не более 1% испаряемой фракции и не менее перкуляционного порога в массе неиспаряемой фракции композиции, при этом использованы углеродные нанотрубки с функционализированной поверхностью, атомы углерода кристаллической решетки которой ковалентно связаны с химически привитыми имидными группами с замещающим радикал атомом водорода, а в качестве испаряемой фракции использована деионизированная вода. Способ изготовления электропроводящей композиции для детского конструктора по второму варианту включает предварительное диспергирование в испаряемой фракции углеродных нанотрубок с функционализированной поверхностью в количестве не более 1% от массы испаряемой фракции и не менее перкуляционного порога в массе неиспаряемой фракции композиции, а в полученной дисперсии диспергируют поливинилацетат в количестве 6-12% от общей массы композиции.
Способ формирования электропроводящих треков на подложке детского конструктора включает предварительное нанесением электропроводящей композиции в виде пунктирного неэлектропроводящего трека и последующее нанесением ручным инструментом поверх пунктирного трека электропроводящей композиции с заполнением межпунктирных пробелов.
Ручной инструмент для формирования электропроводящих треков на подложке детского конструктора по первому варианту содержит корпус с окончанием, выполненным в виде плакатного пера с плоским окончанием шириной от 1,5 мм до 6 мм.
Ручной инструмент для формирования электропроводящих треков на подложке детского конструктора по второму варианту содержит корпус с окончанием, выполненным в виде рейсфедера с регулируемо подвижными губками, предназначенного для окунания в емкость с электропроводящей композицией с возможностью удержания электропроводящей композиции между упомянутыми губками и ее нанесения на подложку с возможностью регулирования расстояния между губками в диапазоне от 1,5 мм до 6 мм.
Изобретение иллюстрируется следующими изображениями:
Фиг. 1 - конструктор в сборе, вид в плане с лицевой стороны;
Фиг. 2 - конструктор в сборе, вид А на Фиг. 1;
Фиг. 3 - промежуточный слой подложки, вид в плане;
Фиг. 4 - тыльный слой, вид в плане;
Фиг. 5 - конструктор в сборе, вид в плане с тыльной стороны;
Фиг. 6 - электрическая схема подключений конструктора;
Фиг. 7 - фрагмент исполнения линии разметки для нанесения треков по п. 10;
Фиг. 8 - инструмент для формирования треков по п. 20;
Фиг. 9 - инструмент для формирования треков по п. 21;
Фиг. 10 - графики зависимости проводимости композиции с различными углеродными наполнителями;
Фиг. 11 - графике зависимости электропроводности от ширины трека.
Позиции на представленных изображениях означают следующее:
1 - тыльный слой подложки;
2 - промежуточный слой подложки;
3 - лицевой слой подложки;
4 - плата;
5 - выключатель;
6 - светодиод;
7 - батарейка;
8 - контактный элемент;
9 - электропроводящий трек;
10 - линия разметки для нанесения электропроводящего трека;
11 - паз для размещения платы;
12 - контактная площадка;
13 - паз для размещения электрического элемента;
14 - функционально прозрачное окно;
15 - изобразительный ряд;
16 - периферийная зона;
17 - базовое отверстие;
18 - фиксатор;
19 - торец штриха;
20 - штрих;
21 - перьевая ручка;
22 - плакатное перо;
23 - рейсфедер;
24 - регулировочный винт.
Заявленный детский конструктор выполнен в виде подложки, которая включает три скрепляемых (например, склеиваемых) между собой слоя: тыльный слой 1, промежуточный слой 2 и лицевой слой 3 (см. Фиг. 1-6). Кроме сборной подложки в конструктор входят функциональные электрические элементы в модульном исполнении, выполненные в виде плат 4 с размещенными на них с одной стороны - электрическими элементами, такими как, но не ограничиваясь: выключатель 5, светодиод 6, батарейка 7, а с другой стороны - контактными элементами 8, предназначенными для взаимодействия с электропроводящими треками 9, представленными линиями разметки 10 для их нанесения. Помимо этого, в конструктор входит инструмент с заправляемой в него электропроводящей композицией, предназначенный для формирования на подложке упомянутых электропроводящих треков 9, соединяющих контактные элементы 8 функциональных электрических элементов в действующую электрическую цепь.
Согласно изобретению, подложка включает три скрепляемых между собой слоя, первый из которых - тыльный слой 1 с нанесенной на него электрической схемой выполнен с пазами 11 для размещения в них плат 4 функциональных электрических элементов и снабжен нанесенными на него контактными площадками 12 в зоне сочленения контактных элементов 8 плат 4 с электропроводящими треками 9. Второй слой 2 - промежуточный - выполнен с пазами 13 для размещения в них электрических элементов, включая но не ограничиваясь, выключатель 5, светодиод 6 и батарейка 7 с образованием опорной площадки для их плат 4. Третий слой 3 - лицевой - выполнен с функционально прозрачными окнами 14 в местах сочленения с соответствующими электрическими элементами и сформированным на его лицевой части изобразительным рядом 15 (например, в виде географической карты - Фиг. 1). Под функционально прозрачными окнами в данном случае подразумеваются, например, отверстие для обеспечения механического контакта пользователя с выключателем, отверстия или светопрозрачные вставки для зрительного восприятия излучения светодиодов, отверстия (как вариант - с сетчатой вставкой) или перфорация для пропускания звука в случае, если конструктор содержит аудиоэлемент (динамик) и т.п. Изобразительный ряд 15 может быть представлен как в плоском, так и объемном виде, по аналогии с вышеприведенными аналогами, и в дополнительных пояснениях не нуждается.
Сборка конструктора осуществляется следующим образом. Все три слоя (количество слоев указано функционально, на самом деле каждый из них в свою очередь может состоять из нескольких скрепленных/склеенных слоев для, например, обеспечения требуемой функциональной - для размещения платы и/или электрического элемента - толщины) скрепляются/склеиваются между собой. Скреплению/склеиванию предшествуют операции формирования изобразительного ряда 15 и окон 14 на лицевой части слоя 1, формирование пазов 13 в промежуточном слое 2 и формирование пазов 11, контактных площадок 12 и линий разметки 10 для нанесения электропроводящих треков 9. Все и/или любая часть этих операций могут быть выполнены как непосредственно пользователями с применением подручных и/или профессиональных средств и методов, а так же средств и способов, описанных далее, так и на стадии производства конструктора с применением современных промышленных технологий. Для корректного скрепления слоев между собой предложено использовать заготовки слоев с периферийными зонами 16, в которых выполнены базовые отверстия 17 (не менее двух - из условия базирования). В процессе скрепления/склеивания слои 1, 2 и 3 поочередно последовательно «нанизываются» на импровизированные базовые штыревые элементы (например - карандаши по диаметру базовых отверстий 17). После скрепления/склеивания слоев, периферийные зоны 16 срезаются, например - ножницами. Затем, размещенные на соответствующих платах 4 электрические элементы, включая но не ограничиваясь, выключатель 5, светодиод 6 и батарейка 7, вставляются в соответствующие пазы 13 с размещением соответствующих плат 4 в пазах 11. Далее, фиксаторами 18, закрепляемыми на тыльном слое 1 подложки, перекрываются с образованием электрического контакта части соответствующей контактной площадки 12 и контактного элемента 8 каждого соответствующего функционального электрического элемента с фиксацией платы 4 последнего относительно подложки. Наиболее удобным и недорогим исполнением упомянутого фиксатора 18 представляется полоска электропроводящего скотча. Скотч может быть и не электропроводящим, но в этом случае соответствующие контактная площадка 12 и контактный элемент 8 должны быть электрически соединены (например, нанесенной электропроводящей композицией) до установки фиксатора 18, или, согласно п. 7 формулы изобретения, фиксатор 18 (см. Фиг. 5) должен быть выполнен со сквозным окном 18I с обеспечением доступа к месту сочленения контактной площадки 12 и контактного элемента 8. Контактные площадки 12 и контактные элементы 8 рационально выполнять из нанесенной соответственно на подложку или плату электропроводящей композиции. Линии нанесения электропроводящих треков конструктора можно выполнять неэлектропроводным материалом, как это исполнено в прототипе, однако, заявленным техническим решением предложено иное. Поскольку электропроводящие составы (такте как «Bare Conductive», «Контактол», «Элеконт», «ЗИПСИЛ 910 КЭП», «ЗИПСИЛ 520 ЭПК», «MECHANIC MCN-DJ002» и др.) на момент подачи заявки недешевы, а их качество таково, что гарантированная электропроводность ограничена длиной нанесенного трека, так, например, для токопроводящей композиции «Контактол» - не более 2 см, предложено выполнение трека комбинированным как в части конструкции, так и в части способа его формирования. Конструктивно линии разметки 10 для нанесения электропроводящих треков 9 предложено выполнять в виде обращенных друг к другу торцами 19 штрихов 20 из нанесенной на подложку электропроводящей композиции. Такое исполнение, в силу того, что штрихи 20 могут наноситься на заготовку слоя 1 в производственных условиях с использованием высокотехнологичного оборудования и современных материалов (например, посредством 3D печати штрихов композицией с высокой проводимостью, такой например, которая описана в А.Б. Глазырин и др., Электропроводящие полимерные материалы для 3-D печати, Вестник Башкирского университета. 2016. Т. 21. №1, с. 81-84) с минимальными, с учетом серийного производства, затратами, позволит оптимизировать как расстояние между штрихами (длину пробелов), так и количество указанных пробелов с учетом проводимости наносимой пользователями композиции с гарантированным обеспечением работоспособности конструктора. При этом, учитывая возможную агломерацию токопроводящего наполнителя в композиции, а так же склонность некоторых связующих к растрескиванию в процессе высыхания (преимущественно в направлении поперек сформированных треков), рекомендовано удлинять линии контакта наносимой пользователями композиции с торцами 19 удлиннением последних путем их выполнения под углом α к упомянутым штрихам 20 так, что α соответствует одному из двух диапазонов: 0°<α<90°, 90°<α<180°, как это показано на Фиг. 7. Для обеспечения лучшего контакта между предварительно нанесенными электропроводящими элементами (контактные площадки 12 и штрихи 20) и элементами, наносимыми пользователями (треки 9, по сути - заполнение пробелов между торцами 19), с учетом проведенных экспериментов, рекомендовано выполнять из композиций с одинаковыми наполнителем и связующим.
Так же представлена композиция для детского конструктора (два варианта), предназначенная для нанесения электропроводящих линий, включая, но не ограничиваясь - формирование электропроводящих треков 9.
Согласно первому варианту композиция выполнена в виде дисперсии электропроводящего наполнителя и связующего вещества в испаряемой фракции, где в качестве связующего вещества использован поливиниловый спирт в количестве 6-12% от общей массы, а в качестве наполнителя - углеродные нанотрубки в количестве не более 1% испаряемой фракции композиции и не менее перкуляционного порога в массе неиспаряемой фракции композиции.
Согласно второму варианту композиция выполнена в виде дисперсии электропроводящего наполнителя и связующего вещества в испаряемой фракции, где в качестве связующего вещества использован поливинилацетат в количестве 6-12% от общей массы, а в качестве наполнителя - углеродные нанотрубки в количестве не более 1% испаряемой фракции композиции и не менее перкуляционного порога в массе неиспаряемой фракции композиции.
Сразу поясним, что компонентный состав как конструктора в целом, так и токопроводящих композиций определялись с учетом и в полном соответствии с Техническим регламентом Таможенного союза «О безопасности продукции, предназначенной для детей и подростков» (TP ТС 007/2011), разработанным в соответствии с Соглашением о единых принципах и правилах технического регулирования в Республике Беларусь, Республике Казахстан и Российской Федерации от 18 ноября 2010 года. Кроме того, учитывались функциональные и стоимостные характеристики. Количественный состав композиции определялся экспериментально с учетом следующих соображений. Поливиниловый спирт и поливинилацетат (в рамках заявки эти вещества выступают практически полными аналогами) в качестве связующего нашли широкое применение в канцелярском и художественном приложениях. Так, они используются, например, для изготовления клея-карандаша или для грунтовки художественных полотен (отличие: в поливинилацетатный состав, во избежание растрескивания после высыхания, предпочтительно ввести соответствующую добавку). В последнем случае используется 8-10% водный раствор, что и было взято за основу, дальнейшие эксперименты позволили расширить этот диапазон до заявленного. В качестве наполнителя - исходя из ценовых соображений и электропроводности в различных композициях (см. Фиг. 10) - были выбраны углеродные нанотрубки (многостенные - как наиболее дешевые, например - Nanocyl™ NC 7000). В качестве испаряемой фракции рассматривались полиэтиленгликоль, глицерин и вода, обладающие поверхностным натяжением соответственно 48.3, 64.0 и 72.8 мДж/м2. С учетом того, что чем выше поверхностное натяжение, тем лучше диспергирование - более равномерное распределение углеродных нанотрубок - тем выше электрическая проводимость, была выбрана вода, хотя в рамках п. 11, 12 могут быть использованы и полиэтиленгликоль и глицерин. Для нанотрубок (для их равномерного диспергирования) существенную роль играет отсутствие в воде примесей и электрически заряженных ионов - отсюда предложение об использовании дистиллированной - деионизированной воды. Кроме того, известно, что дисперсия углеродных нанотрубок в воде остается стабильной при масс, количестве углеродных нанотрубок до 0,1%, однако специальной обработкой углеродных нанотрубок удается довести это количество до 1% (см., например, патент РФ №2669271 С1, опубл. 09.10.2018). Именно такие углеродные нанотрубки использованы в заявленной композиции, а в качестве примера осуществимости заявленного ограничения приведена одна из возможных рецептур: углеродные нанотрубки с функционализированной поверхностью, атомы углерода кристаллической решетки которой ковалентно связаны с химически привитыми имидными группами с замещающим радикал атомом водорода. Расчет показывает, что при диспергировании в воде (далее все процентные величины массовые) от 0,14% (соответствует перкуляционному порогу в массе неиспаряемой фракции композиции) до 1% (соответствует доказанному количеству диспергируемых в воде углеродных нанотрубок с функционализированной поверхностью, при котором дисперсия остается стабильной) углеродных нанотрубок, а затем диспергировав в полученной дисперсии 6-12% поливинилового спирта (в варианте - поливинилацетата) и испарив воду, получим в «сухой композиции» в виде электропроводящих треков от 1,4% (перкуляционный порог) до 10% равномерно распределенных углеродных нанотрубок, что находится в пределах необходимого и достаточного для обеспечения максимально возможной электропроводности (с учетом данных, приведенных в графике на Фиг. 10). Композиция может быть дополнена различного рода добавками (например, для достижения требуемого цвета - соответствующим красителем, исключения «старения» композиции - введением в нее пластифицирующих агентов, хорошо совместимых с водой и обладающих определенной дифильностью: это низкомолекулярные гликоли, например, глицерин, и т.п.) при соблюдении заявленных параметров, однако такие дополнения выходят за рамки заявленного технического решения и в рамках настоящей заявки не рассматриваются. Во избежание испарения испаряемой (в технической литературе она так же именуется «летучей») фракции заявленной композиции (что влечет существенное изменение исходной вязкости вплоть до высыхания/отверждения) до ее использования по назначению, композицию следует хранить в герметично закрытой емкости, перед использованием целесообразно тщательно взболтать, для чего в емкость могут быть заложены металлические шарики - по аналогии с упаковками высокодисперсных красок.
Предложенный способ (варианты) изготовления вариантов электропроводящей композиции для детского конструктора, рассмотренных выше, заключается в предварительном приготовлением дисперсии углеродных нанотрубок в испаряемой фракции и последующем диспергировании в полученной дисперсии поливинилового спирта (в варианте - поливинилацетата). Для способа существенным является порядок введения ингредиентов в композицию, позволяющий сформировать высокодисперсную стабильную композицию. В случае отклонения от заявленного порядка, композиция не получается достаточно однородной, что отражается в ее электропроводности, так, опыты показали, что достигаемая заявленным способом электропроводность композиции составляет порядка 1.5×102 (Ом×м)-1 и проявляет полную стабильность на длине трека в 100 мм и более, тогда как изготовленная в иной (в частности - обратной) последовательности композиция показала максимальную электропроводность 7.9×10-2 (Ом×м)-1, а стабильность не превышала 15 мм с частичной или полной потерей электропроводности на означенном интервале.
Как упоминалось ранее, композиции (не электропроводные), близкие к заявленным как по составу, так и по вязкости, используются для грунтовки холстов с помощью кисти или мастихина, однако для использования в детском конструкторе для нанесения ровных линий постоянной ширины и толщины (для обеспечения наилучшей электропроводности) такой инструмент не годится, так же широкую и стабильную на значительной длине линию не проведешь роллером, входящим в конструктор-прототип. Опыты показали, что оптимальным инструментом для нанесения заявленной композиции с формированием стабильного электропроводящего трека являются такие инструменты, как перьевая ручка 21 с плакатным пером 22 требуемой ширины (Фиг. 8) и рейсфедер 23, конструктивно имеющий возможность регулирования ширины наносимого трека посредством регулировочного винта 24 (Фиг. 9). При этом, опытным путем, было установлено, что оптимальной для достижения наилучшей проводимости (минимального сопротивления) является трекообразующая ширина (ширина пера или расстояние между губками рейсфедера) в пределах от 1,5 мм до 6 мм. Это обстоятельство отражено в графике зависимости электропроводности от ширины трека, построенном на основании экспериментальных данных (Фиг. 11).
Работа с конструктором в реальных условиях зависит от поставленной задачи и применяемой методики. Рассмотрим комплекс обучающих действий, как один из возможных вариантов использования конструктора в качестве интерактивного учебно-методического комплекса.
Перед группой обучаемых (например, школьников 5-6 классов) ставится комплексная задача по реализации проекта «Электрифицированная открытка», которая собирается на базе детского конструктора и включает этапы:
- изучение технологии изготовления электронной открытки из предложенных комплектующих детского конструктора;
- подготовка комплектующих:
• художественное оформление лицевого слоя;
• подготовка электропроводящей композиции;
• формирование электропроводящих треков на тыльном слое;
- сборка открытки из комплектующих детского конструктора;
- демонстрация работоспособности открытки;
- разработка обучаемыми собственных проектов «Электрифицированной открытки» на базе полученных знаний и навыков.
Конструктор (в рассматриваемом варианте) включает следующие позиции:
- пять наборов лицевых, промежуточных и тыльных слоев, предназначенных для формирования подложки конструктора, при этом лицевые слои изначально снабжены различными тематическими изображениями (географическая карта, карта звездного небосвода, административная карта города, административная карта области и карта древнего мира) и содержат светопрозрачные окна для пропускания излучения светодиодов, предназначенных для подсветки знаковых точек на картах (географические и/или административные и/или исторические и/или культурные центры или наиболее яркие звезды);
- пять клеящих карандашей для склейки слоев между собой;
- пять комплектов плат с соответствующими электрическими элементами: выключатели, батарейки, светодиоды, и электропроводящий скотч;
- пять баночек с электропроводящей композицией;
- пять ручек с набором плакатных перьев шириной от 1,5 до 6 мм.
Обучающиеся делятся на пять команд (по числу наборов) и под руководством преподавателя, предварительно разъяснившего обучаемым технологические аспекты действий, приступают к выполнению задания.
Клеящим карандашом на склеиваемые поверхности слоев наносится клей, через базовые отверстия периферийных участков слоев слои поочередно один за другим нанизываются на пару или более обычных карандашей и склеиваются в корректном расположении друг относительно друга. После склейки периферийные участки удаляются, например, ножницами.
Далее, в зависимости от поставленной задачи, на лицевой части подложки обучаемые производят оформление/дооформление, например, подписыванием и/или декорированием подсвечиваемых знаковых элементов изображений.
Затем, обучаемые готовят электропроводящую композицию к нанесению на тыльную поверхность подложки. В нашем случае такая подготовка сводится к тщательному взбалтыванию баночки с композицией, однако может быть предусмотрен и компонентный набор для самостоятельного изготовления композиции, например, на уроке химии. Подготовленную композицию ручкой с плакатным пером подходящей ширины наносят в виде токопроводящих треков по разметке на тыльной стороне подложки (выбор ширины плакатного пера может являться практической задачей, например, на уроке физики, где обучаемые формируют треки различной ширины, измеряют омметром сопротивление полученных треков, сравнивают с заданным и выбирают оптимальный вариант). Нанесенным трекам дают время просохнуть.
Далее, в соответствующие пазы вставляются платы с электрическими элементами и фиксируются в пазах полосками электропроводящего скотча, который обучаемые нарезают (например, ножницами) из расчета перекрытия части соответствующей контактной площадки и контактного элемента соответствующего функционального электрического элемента.
Собранную из конструктора «Электрифицированную открытку» обучаемые включают выключателем. Если при этом светодиоды не светятся, треки сформированы не качественно и их следует нанести снова, при этом рекомендуется использовать плакатное перо большей ширины, чем изначально.
На базе полученных знаний и навыков возможна - в качестве внеклассной работы - разработка обучаемыми или группами обучаемых собственных проектов «Электрифицированной открытки», например, на конкурсной основе.
Использованные комплекты конструктора, при изготовлении слоев из современных моющихся материалов, можно отмыть и использовать многократно.
Таким образом, работоспособность и эффективность заявленной группы технических решений можно считать доказанной. При этом, в конструкторе в полной мере представлена как игровая составляющая в виде элементов дизайна, так и весьма широкий диапазон заложенных в конструкторе действий для выработки механических, чертежно-художественных, электромонтажных, химико-технологических и иных практических навыков.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная проблема - выполнение конструктора и составляющих его элементов, предполагающих действия для выработки дизайнерских, механических, чертежно-художественных и иных практических навыков - решена, а заявленный технический результат - расширение обучающих возможностей - достигнут.
1. Детский конструктор, содержащий плоскую подложку с односторонне нанесенной на нее электрической схемой, включающей места размещения функциональных электрических элементов и линии разметки для нанесения электропроводящих треков, набор входящих в упомянутую электрическую схему функциональных электрических элементов в модульном исполнении, предназначенных для их установки на подложке и выполненных в виде плат с размещенными на них с одной стороны электрическими элементами, а с другой стороны - контактными элементами, предназначенными для взаимодействия с электропроводящими треками, и инструмент с заправляемой в него электропроводящей композицией, предназначенный для формирования на подложке упомянутых электропроводящих треков, соединяющих контактные элементы функциональных электрических элементов в действующую электрическую цепь, отличающийся тем, что подложка включает три скрепляемых между собой слоя, первый из которых - тыльный с нанесенной на него электрической схемой - выполнен с пазами для размещения в них плат функциональных электрических элементов и снабжен нанесенными на него контактными площадками в зоне сочленения контактных элементов плат с электропроводящими треками, второй слой - промежуточный - выполнен с пазами для размещения в них электрических элементов с образованием опорной площадки для их плат, а третий слой - лицевой - выполнен с функционально прозрачными окнами в местах сочленения с соответствующими электрическими элементами и сформированным на его лицевой части изобразительным рядом, при этом конструктор снабжен фиксаторами, каждый из которых предназначен для закрепления на тыльном слое подложки с перекрытием части соответствующей контактной площадки и контактного элемента соответствующего функционального электрического элемента с фиксацией платы последнего относительно подложки.
2. Детский конструктор по п. 1, отличающийся тем, что слои подложки выполнены с периферийными участками, содержащими не менее двух базовых отверстий для корректного взаимного расположения слоев друг относительно друга путем размещения в отверстиях базовых штыревых элементов, удаляемых после скрепления слоев между собой.
3. Детский конструктор по п. 1, отличающийся тем, что фиксатор выполнен в виде полоски скотча.
4. Детский конструктор по п. 1, отличающийся тем, что контактные площадки выполнены из нанесенной на подложку электропроводящей композиции.
5. Детский конструктор по п. 1, отличающийся тем, что линии разметки для нанесения электропроводящих треков выполнены в виде обращенных друг к другу торцами штрихов из нанесенной на подложку электропроводящей композиции.
6. Детский конструктор по п. 3, отличающийся тем, что скотч выполнен электропроводным.
7. Детский конструктор по п. 3, отличающийся тем, что полоска скотча выполнена со сквозным окном с обеспечением доступа к месту сочленения контактной площадки и контактного элемента.
8. Детский конструктор по п. 4, отличающийся тем, что контактные площадки выполнены из композиции с такимиже связующим и наполнителем, что и композиция для нанесения электропроводящих треков.
9. Детский конструктор по п. 5, отличающийся тем, что линии нанесения электропроводящих треков выполнены из композиции с такимиже связующим и наполнителем, что и композиция для нанесения электропроводящих треков.
10. Детский конструктор по п. 5, отличающийся тем, что соседние торцы соседних штрихов выполнены параллельными между собой и под углом α к упомянутым штрихам так, что α соответствует одному из двух диапазонов:
0°<α<90°;
90°<α<180°.
11. Электропроводящая композиция для детского конструктора, выполненная в виде дисперсии электропроводящего наполнителя и связующего вещества в испаряемой фракции, характеризующаяся тем, что в качестве связующего вещества использован поливиниловый спирт в количестве 6-12% от общей массы композиции, а в качестве наполнителя - углеродные нанотрубки с функционализированной поверхностью в количестве не более 1% от массы испаряемой фракции и не менее перкуляционного порога в массе неиспаряемой фракции композиции.
12. Электропроводящая композиция для детского конструктора по п. 11, отличающаяся тем, что использованы углеродные нанотрубки с функционализированной поверхностью, атомы углерода кристаллической решетки которой ковалентно связаны с химически привитыми имидными группами с замещающим радикал атомом водорода.
13. Электропроводящая композиция для детского конструктора по п. 11, отличающаяся тем, что в качестве испаряемой фракции использована деионизированная вода.
14. Способ изготовления электропроводящей композиции для детского конструктора, включающий диспергирование электропроводящего наполнителя и связующего вещества в испаряемой фракции, отличающийся тем, что предварительно в испаряемой фракции диспергируют углеродные нанотрубки с функционализированной поверхностью в количестве не более 1% от массы испаряемой фракции и не менее перкуляционного порога в массе неиспаряемой фракции композиции, а в полученной дисперсии диспергируют поливиниловый спирт в количестве 6-12% от общей массы композиции.
15. Электропроводящая композиция для детского конструктора, выполненная в виде дисперсии электропроводящего наполнителя и связующего вещества в испаряемой фракции, характеризующаяся тем, что в качестве связующего вещества использован поливинилацетат в количестве 6-12% от общей массы композиции, а в качестве наполнителя - углеродные нанотрубки с функционализированной поверхностью в количестве не более 1% от массы испаряемой фракции и не менее перкуляционного порога в массе неиспаряемой фракции композиции.
16. Электропроводящая композиция для детского конструктора по п. 15, отличающаяся тем, что использованы углеродные нанотрубки с функционализированной поверхностью, атомы углерода кристаллической решетки которой ковалентно связаны с химически привитыми имидными группами с замещающим радикал атомом водорода.
17. Электропроводящая композиция для детского конструктора по п. 15, отличающаяся тем, что в качестве испаряемой фракции использована деионизированная вода.
18. Способ изготовления электропроводящей композиции для детского конструктора, включающий диспергирование электропроводящего наполнителя и связующего вещества в испаряемой фракции, отличающийся тем, что предварительно в испаряемой фракции диспергируют углеродные нанотрубки с функционализированной поверхностью в количестве не более 1% от массы испаряемой фракции и не менее перкуляционного порога в массе неиспаряемой фракции композиции, а в полученной дисперсии диспергируют поливинилацетат в количестве 6-12% от общей массы композиции.
19. Способ формирования электропроводящих треков на подложке детского конструктора, характеризующийся предварительным нанесением электропроводящей композиции в виде пунктирного неэлектропроводящего трека и последующим нанесением ручным инструментом поверх пунктирного трека электропроводящей композиции с заполнением межпунктирных пробелов.
20. Ручной инструмент для формирования электропроводящих треков на подложке детского конструктора, содержащий корпус с окончанием, выполненным с возможностью нанесения электропроводящей композиции на подложку, отличающийся тем, что окончание выполнено в виде плакатного пера с плоским окончанием шириной от 1,5 мм до 6 мм.
21. Ручной инструмент для формирования электропроводящих треков на подложке детского конструктора, содержащий корпус с окончанием, выполненным с возможностью нанесения электропроводящей композиции на подложку, отличающийся тем, что окончание выполнено в виде рейсфедера с регулируемо подвижными губками, предназначенного для окунания в емкость с электропроводящей композицией с возможностью удержания электропроводящей композиции между упомянутыми губками и ее нанесения на подложку с возможностью регулирования расстояния между губками в диапазоне от 1,5 мм до 6 мм.
