Аннотация. Данная статья описывает организацию технологии 3D-печати в образовательном процессе. Рассматривается актуальность развития данного направления. А также описываются сложности, которые существуют при реализации технологии 3D-печати на уроках дополнительного образования в общеобразовательных школах.
Ключевые слова: 3D-печать, прототипирование, 3D-моделирование, обучение, дополнительное образование
Прежде всего, следует разделить обучение 3D-печати в школах на две большие составляющие, которые в принципе не могут существовать друг без друга.
Первое – это обучение 3D-моделированию, ведь для того, чтобы напечатать какое-либо изделие, надо иметь предмет для печати. В случае обычной печати этой любой документ, таблица, картинка, фотография, презентация и т.д. В случае 3D-печати – это 3D-модель, которую нужно создать в одном из многочисленных редакторов, например в таком редакторе, как КОМПАС-3Д для создания деталей в промышленности (см. рисунок 1).
Рис.1. Моделирование в КОМПАС 3D
Зачем нужно современному ребенку заниматься прототипированием? Под прототипированием в 3D-печати подразумевается реализация будущего проекта по чертежу или смоделированному в полной величине или в масштабе объекта с последующим его производством. В рамках дополнительного образования учащиеся реализуют небольшие объекты (проекты) высотой 5-30 см, связанных с предметными областями как физика, технология и информатика.
3D-печать имеет широкий спектр применения как в рамках обучения в школе, так и в дальнейшем профессиональном развитии учащихся (см. схему 1).
Схема 1. Сферы применения 3D-печати
Авиационное конструирование
В качестве примера рассмотрим создание беспилотного летательного аппарата Polecat (компания Lockheed). Большая часть деталей конструкции в данном проекте реализована через трехмерную печать, что обеспечило быструю сборку и легкую заменимость элементов при износе.
Медицина
Здесь трехмерная печать находит широкое применение: в создании новых клеток и тканей для задач репликации (разработки университета Миссури, где клетки заднего типа фиксируются на специальном биогеле); для протезирования и замены поврежденных участков (скелета, зуба, хрящевых фрагментов); в разработке и создании медикаментов со специальными свойствами.
Строительство
В данной сфере 3D-печать стала активно использоваться с момента разработки быстроотвердаемых смесей и устройств их послойной укладки, что заметно сократило по времени возведение новых зданий и сооружений.
Машиностроение
В оборонном машиностроении с помощью 3D-печати создаются как отдельные компоненты, так и оружие в целом (DefenseDistributed). Имеются отдельные разработки «любителей-оружейников», но такая деятельность преследуется по закону
Пищевое производство
В пищевом производстве это создание особых форм орнаментов для тортов и оригинальных блюд. На рынке появились устройства, работающие сразу с несколькими компонентами.
Использование 3D-печати также можно классифицировать по назначению:
- разработка и изготовление новых конструкций;
- быстрое производство, где существует возможность быстрого изготовления новых деталей. Разумное решение для мелкосерийного или опытного производства;
- подготовка моделей и форм новых заготовок – литейное производство, образцы, полученные технологией 3D-печати служат мастер-моделями гипсовых форм;
- создание прозрачных конструкций в макетировании – позволяет увидеть работу «изнутри», что использовалось в компании Porshe на проектном этапе создания узлов, при анализе движения потока масла в трансмиссии автомобиля. Кроме того, это универсальный инструмент мастера для создания небольших деталей в бытовых, домашних условиях;
- средство быстрого прототипирования – это средство для доводки проектируемых моделей или уже изготовленных для дальнейшего анализа путей решения по уменьшению затрат (исключив многие этапы в подготовке);
- производство запасных/поврежденных элементов – серийное выпускаемые образцы (например, решетки автомобилей, аксессуары для мобильных телефонов, ручки, мебельная фурнитура).
Невзирая на большое количество способов печати, наиболее распространённый и доступный остаётся технология послойного выкладывания пластика (см. рисунок 2).
Рис. 2. Схема FDM печати
Для организации учебного процесса по прототипированию в образовательных учреждениях необходимо наличие таких элементов, как:
- Программное обеспечение:
- для создания 3 модели (КОМПАС-3D, Blander, AutoCAD, Fusion360 и т.д.);
- для подготовки объекта к печати, а именно нарезание объекта на слои, создание поддержек при необходимости, настройка параметров принтера (Cura, Slic3r).
- Аппаратное обеспечение. Непосредственно сам 3D принтер, компьютер.
- Расходные материалы (клей для печати, катушки пластика PLA, ABS, HIPS и т.д.).
Актуальность использования средств 3D-печати и моделирования на уроках технологии и в дополнительном техническом образовании школьников растет с каждым годом. В некоторых общеобразовательных учреждениях Москвы и Московской области функционируют кружки по прототипированию, также следует отметить развитие данного направления в дополнительном образовании («Кванториум», IT-кубы и пр.). В связи с высокой перспективностью развития данного направления возникает ряд сложно решаемых проблем, при повсеместной организации кружков по прототипированию, а именно:
- Финансовая – 3D-принтеры являются дорогой техникой. Бюджетные варианты составляют 30-40 тысяч рублей с учетом доставки из других стран (большая часть моделей изготавливают и собирают в Китае). Для развития направления общеобразовательное учреждение должно вкладывать 150-200 тысяч рублей в год, чтобы обучение по прототипированию функционировало (с учётом того, что в образовательном учреждении есть компьютерный класс с должным оборудованием и место(-а), где можно разместить 3D-принтеры).
- Недостаток кадров – сложность заключается в том, что университетов и колледжей не так много в России, которые обучают данному ремеслу именно с педагогической точки зрения. Но в последние годы идёт положительная тенденция по открытию факультетов, в которых вы можете получить знания и навыки по прототипированию (основная часть находится в Москве и Московской области – это прежде всего технические высшие учебные заведения и колледжи, а также педагогические вузы). Существует также нехватка методического сопровождения уроков, связанных с 3D-печатью.
- Обслуживание техники – преподаватель должен понимать в полном объёме механизм работы агрегатов, которые у него стоят в классе (например, замена катушки с PLA пластиком). В данном случае стоит вопрос должен ли учитель уметь устранять небольшие поломки или неисправности техники или же обслуживание оборудования остается на плечах школьных технических специалистов. Данная сложность связана с тем, что специалистов по ремонту не так много и большинство российских продавцов не берутся ремонтировать собственный товар.
- Запасные детали и узлы - в процессе работы могут возникнуть трудности с поиском запасных запчастей для ремонта и обслуживания особенно не у популярных моделей. Следует позаботиться заранее и обеспечить нужным количеством запасных деталей (фитинги, тефлонные трубки, стяжки и др.).
В учебном плане занятий по прототипированию должно уделяться время для участия учащихся в разных конкурсах, олимпиадах, соревнованиях (WorldSkills, олимпиада НТО (направление передовые технологии), городские этапы по информатике или технологии). Без участия в соревнованиях невозможен рост и развитие у учеников, а также снижается мотивация к обучению.
Таким образом можно сказать, что прототипирование, несмотря на сложности, связанные с материальными затратами, несомненно, является тем направлением, обучение которому государству необходимо развивать в общеобразовательных организациях. В текущей реальности открываются все больше и больше вакансий, связанных с направлениями 3D-печати и моделирования. Востребованность специалистов по данному профилю растёт, а технически подкованных студентов и школьников не так много несмотря на то, что техника развивается и инженерия не стоит на одном месте.
Литература:
- Башкатов А.М. Моделирование в OpenSCAD: на примерах: учебное пособие. М.: ИНФРА-М, 2020. 333 с.
- Бабенко В.М. AutoCADMechanical: учебное пособие. / В.М. Бабенко, О.В. Мухина. М.: ИНФРА-М, 2022. 143 с.
- Берлинер Э.М. САПР технолога машиностроителя: учебник. / Ю.М. Берлинер, О.В. Таратынов. М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2022. 336 с.
- Обучающие материалы: Система трехмерного моделирования (дата обращения 18.04.2022).
Implementation of 3D printing technology in general schools in additional education. Development and problems
Pozharskii R.A.,
undergraduate of 2 course of the Moscow City University, Moscow
Research supervisor:
Lukin Valery Valentinovich,
Professor of the Department of Informatics, Management and Technologies of the Institute of Digital Education of the Moscow City University, Doctor of Pedagogical Sciences, Professor
Аnnotation. This article describes the organization of 3D printing technology in the educational process. The relevance of the development of this direction is considered. It also describes the difficulties that exist in the implementation of 3D printing technology in the lessons of additional education in secondary schools.
Keywords: 3D printing, prototyping, 3D modeling, education, additional education
Literature:
- Bashkatov A.M. Modeling in OpenSCAD: on examples: tutorial. Moscow: INFRA-M, 2020. 333 pages.
- Babenko V.M. AutoCAD Mechanical: tutorial. / V.M. Babenko, O.V. Mukhin. Moscow: INFRA-M, 2022. 143 pages.
- Berliner E.M. CAD technologist machine builder: textbook. / Yu.M. Berliner, O.V. Taratynov. Moscow: FORUM: INFRA-M, 2022. 336 pages.
- Educational materials: 3D modeling system (date of the address: 04.18.2022).