Механический калькулятор без микросхем, батареек, винтов и металлических пружин умеет складывать и умножать числа за счёт движения пластиковых шестерёнок. Автор YouTube-канала 3D all Workshop потратил два месяца и около 100 итераций конструкции, прежде чем полностью напечатанный механизм начал правильно считать.
Готовый калькулятор состоит из 109 деталей, изготовленных методом FDM-печати. Полный комплект требует около 17 часов работы принтера и 90 граммов филамента. Разработчик использовал сопло диаметром 0,2 мм, поскольку более крупное сопло не позволяло получить достаточно точные зубья для небольших шестерёнок.
Калькулятор принимает числа до 999 и показывает результат до 9999. Пользователь выставляет исходное значение при помощи трёх регуляторов, после чего вращает рукоятку. Каждому десятичному разряду соответствует отдельный механический узел, который передаёт движение на цифровые колёса.
Основой конструкции стал ступенчатый барабан, связанный с механическими вычислительными машинами Готфрида Вильгельма Лейбница. Немецкий математик использовал похожий принцип в Stepped Reckoner, а история разработок Лейбница также связана с ранними попытками механизировать вычисления. Барабан содержит зубья разной длины, поэтому положение соседней шестерёнки определяет, сколько зубьев войдёт в зацепление за один оборот рукоятки.
Особенно сложным оказался перенос между разрядами. Когда цифровое колесо переходит от девятки к нулю, механизм должен прибавить единицу к следующему разряду. Разработчик оставил на ступенчатом барабане участок без зубьев и добавил отдельную шестерёнку с одним зубом, которая включается в нужный момент и выполняет перенос.
Первые версии калькулятора постоянно заедали. Даже небольшие отклонения при печати мешали шестерёнкам свободно вращаться, а слишком большие зазоры создавали люфт и нарушали синхронизацию барабанов. Некоторые пластиковые элементы ломались под нагрузкой, а вибрации при работе могли сдвигать детали.
Для борьбы с проблемами автор напечатал пластиковые пружины и добавил храповой механизм, который не позволяет рукоятке вращаться назад. Поддержки при печати деталей разработчик использовал только при необходимости, поскольку шероховатая поверхность после удаления поддерживающего материала увеличивает трение.
Умножение калькулятор выполняет как последовательность сложений. Дополнительный счётчик следит за количеством оборотов рукоятки: при умножении 21 на четыре механизм четыре раза прибавляет 21. Во время испытания пример 421 × 4 дал правильный результат 1684, включая перенос в разряд тысяч.
Возможности конструкции заметно уступают знаменитой Curta. Карманный механический калькулятор, серийное производство которого началось в 1948 году, позволял складывать, вычитать, умножать и делить. Пластиковая модель 3D all Workshop поддерживает только сложение и умножение, поскольку дополнительные механизмы для вычитания и деления потребовали бы увеличить корпус.
Проект хорошо показывает ограничения домашней 3D-печати при создании точной механики. Электронный калькулятор выполняет арифметику внутри микросхемы, а механической машине приходится физически поворачивать барабаны и шестерёнки, синхронизировать разряды и отдельно обрабатывать каждый перенос.
Несмотря на просьбы зрителей, разработчик пока не опубликовал файлы моделей и не предложил готовый калькулятор для продажи. Проект остаётся инженерным экспериментом, который позволяет воспроизвести многовековой принцип механических вычислений с помощью обычного домашнего 3D-принтера.
