3D–ПЕЧАТЬ КАК СОСТАВЛЯЮЩАЯ ЧАСТЬ УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА ПО ГЕОМЕТРО-ГРАФИЧЕСКИМ ДИСЦИПЛИНАМ

Рассматривается одна из возможных технологических реализаций повышения эффективности учебного процесса при геометро – графической подготовке специалистов. Отмечается целесообразность использования 3D–печати на разных этапах обучения.

Совершенствование учебного процесса по геометро–графическим дисциплинам строится как на использовании новых методических приемов, так и новых технологий.

 К ним относятся CNC–технологии и в частности, 3D–печать.  Особенностью 3D–печати является то, что в отличие от остальных CNC–технологий, в ней используется принцип послойного (аддитивного) наращивания модели.

Следует отметить, что вопросам применения 3D–печати в образовательном процессе уже посвящено значительное количество работ (например, [1,2,5–10]).  Однако использование этой технологии в конкретных дисциплинах не значительно. Это объясняется  определенными трудностями, связанными с материально – техническим обеспечением и обслуживанием учебного процесса и, в частности, кафедр.

Многообразие технологий 3D–печати с одной стороны предоставляет широкий их выбор, с другой  накладывает определенные ограничения на их практические реализации.

Среди известных сегодня  разновидностей технологий 3D–печати: FDM (Fused Deposition Modeling), SLA (Stereo Lithography), SGC (Solid Ground Curing), SLS (Selective Laser Sintering), LOM (Laminated Object Manufacturing), DSPC (Direct Shell Production Casting), MJM (Multi-Jet Modeling), Polyjet, Polyjet Matrix,   первая из них может быть использована непосредственно в учебном подразделении, т.е. на кафедре, остальные – в специализированных лабораториях или в Фаблабах [3,4].

FDM–печать, т.е. получение слоев из полимерной нити термопластика путем горячей экструзии, сегодня является наиболее доступной. Среди основных преимуществ этой разновидности печати можно выделить следующие:

• использование достаточно компактных печатающих устройств, не требующих специальных знаний и навыков по установке и эксплуатации;
• относительно низкая (по сравнению с устройствами, использующими другие технологические процессы) себестоимость, как самих устройств, так и расходных материалов;
• сам принцип печати является простым и технологичным, не требующим специальных мест установки;
• открытость технологии, т.е. возможность её совершенствования и модификации (возможность сборки печатающего устройства из готового конструктора или набора компонентов).

С точки зрения содержательной части 3D–печати необходимость материального получения разработанной геометрической модели или изделия является наглядным подтверждением правильности выбранного решения и визуализацией направления совершенствования. В этом процессе  должное место отводится  учебным целям, позволяющим в полной мере осознать полученный результат.

Следует напомнить о массиве геометрических инженерных знаний, относящихся к системе геометро-графической подготовки (Рис.1). Как известно, инженерная графика включает в себя: базовую геометрию, нормативы разработки конструкторских документов и компьютерную поддержку геометро–графической инженерной деятельности. Уровень получаемых знаний определяется понятными и часто цитируемыми причинами. В случае нормального учебного процесса базовая геометрия предполагает изучение поверхностей и их композиций, как основы геометрического моделирования.

В связи с этим компьютерные реализации уже могут присутствовать при рассмотрении отдельных композиционных задач базовой геометрической части дисциплины (рис.2). Конечно на этом уровне получение результата с помощью 3D–печати носит чисто учебный характер.

Нормативная часть разработки конструкторских документов даёт представление о комплекте документации, их составе и содержании. Однако, уже и здесь, при разработке конструкторских документов, встречаются компоновочные  ошибки, которые в ряде случаев целесообразно решать не только средствами геометрического  моделлера, но и натурной визуализаций, полученной при 3D–печати. То, что касается конструкторских разработок, а их можно отнести к третьей, и самой серьёзной части дисциплины «Инженерная графика», которую сегодня называют «Инженерная и компьютерная графика» отдавая, по-видимому, должное компьютерным технологиям.

Продолжением этой дисциплины являются «Введение в автоматизированное проектирование» или «Основы САПР», где в полной мере реализуются ранее полученные геометрические знания и навыки, знания стандартов ЕСКД и умение ими пользоваться. Несомненно, при конструировании, используя инструмент геометрического моделлера, уже в значительной степени приходиться прибегать к 3D–печати (см. рис.2).

Сама технология 3D–печати имеет целый ряд особенностей, которые необходимо учитывать при подготовке задания (G–кода). Исходной информацией является геометрическая модель, полученная практически любой программой (например, SolidWorks, Autocad, Компас–3D  и др.), ориентированной на моделирование и  автоматизированное проектирование,  записанная в форматах .obj, .stl, .com.

В настоящее время существует большое количество программ подготовки (слайсеров) для печати на 3D-принтерах: Poligon 2.0, Repetier-Host, KISSlicer,  Cura, Skeinforge и ряд других. Наиболее подходящими для используемых 3D-принтеров Picaso 3D и PrintBox 3D 120 являются первые из указанных.

Подготовка G-кода, при использовании   указанных выше программы, требуют определённого опыта  и навыков. Это связано с самой технологией печати, начиная с ориентацией детали на рабочем столе, используемого пластика для печати, предусмотрение «поддержек» для висящих зон, степени заполнения объёма печатаемой детали и ряда других факторов. Варьируемым параметром также является время печати.

В результате  печати сформировывается деталь (рис.3, 4), практически полностью совпадающая с компьютерной геометрической моделью. Однако  она  имеет  ряд технологических особенностей: облой, нити поддержки, заусенцы. Они должны быть удалены механически.

Следует отметить, что сегодня указанная технология, ориентированная прежде всего на визуализационную составляющую процесса проектирования, являясь полезной и во многих случаях даже привлекательной, требует определенного совершенствования и выделения дополнительного времени и материальных ресурсов, включающих в себя собственно 3D–принтеры и соответствующих расходных материалов.

Наиболее  эффективным этапом использования 3D-печати в учебном процессе мы считаем начальный этап проектного обучения в курсе инженерной и компьютерной графики. На нашей кафедре он включает в себя так называемые «доконструирования» и «переконструирования». При знакомстве студентов с элементами пневмо-гидроарматуры летательных аппаратов обращается внимание студентов на особенности конструирования запорных пар (герметичность, ресурс), особенности обеспечения уплотнений, конструкции переходных штуцеров.

После этого, студент получает набор деталей сравнительно простых вариантов обратных клапанов, в котором отсутствует какая-нибудь деталь (чаще всего это клапан или золотник) и в этом случае, задача студента заключается в создании модели данной детали с последующей распечаткой на 3D-принтере. Это и называется «доконструированием». Студент на практике убеждается в качестве своей начальной проектной деятельности, осуществляя сборку.

Немного более сложным заданием является «переконструирование». В этом случае при наличии полного комплекта деталей студент получает задание на изменение конструкции одной из деталей (чаще всего клапана) в связи с необходимостью, например, повлиять на ресурс работы запорной пары.

Некоторые сложности фронтального осуществления данного задания определяются временем печати и расходными материалами.   

Список литературы

1. 3D – печать в образовании / Т.В. Окладникова, Е.А. Литвинова, А.П. Окладников, Л.В. Неведимова  // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции «Наука и образование в ХХI веке»: в 17 частях. Тамбов, 2014. С. 108-109.
2. V. Kostakis, V. Niaros, C. Giotitsas. Open source 3D printing as a means of learning: An educational experiment in two high school in Greece  // Telematics and Informatics. 2015. №32.С. 118-128.
3.   Gershenfeld Neil A. Fab: the coming revolution on your desktop—from personal computers to personal fabrication. — New York: Basic Books, 2005. — ISBN 0-465-02745-8.
4. Troxler Peter. Libraries of the Peer Production Era // Open Design Now. Why Design Cannot Remain Exclusive. — Bis Publishers, 2011. — ISBN 978-90-6369-259-9
5. Голубева И.Л., Альтапов А.Р. Изучение цифрового прототипирования в курсе компьютерной графики с использованием продуктов Autodesk  // Вестник  Казанского технологического университета. 2014. Т.17.№13. С. 343-344.
6. Заседатель В.С. Создание и автоматизация лабораторного практикума на основе систем 3D-печати  //  Материалы  ХХVI  Международной конференции «Применение инновационных технологий в образовании». Троицк, Москва: ИТО, 2015. C. 59-60.
7. Заседатель В.С. Образовательный потенциал технологий быстрого прототипирования. Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» http://naukovedenie.ru. Том 7, №5. 2015.
8. Иващенко М.И., Бодров К.Ю. Организация и структура открытой лаборатории идей, методик и практик. Работа с инициативной молодёжью // Интернет журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» http://naukovedenie.ru. Том 7, №2. 2015.
9. Лейбов А.М., Каменев Р.В., Осокина О.М. Применение технологий 3D –прототипирования в образовательном процессе // Современные проблемы науки и образования. 2014. №5. С. 93.
10. Разумов М.С., Разумова И.В., Комиссаров А.С. Центр оперативной и 3D-печати в ТвГТУ как инструмент профессионального и творческого развития специалиста высшего образования  // Материалы докладов заочной научно-практической конференции «Качество образования как характеристика образовательной деятельности». Тверь: ТвГТУ, 2015. С. 67-70.

Рисунки к докладу

               Уровень геометрических инженерных знаний

Практическая реализация средствами 3D–печати конструкторских замыслов

Технологическая последовательность 3D–печати

Оптимизация подготовки 3D–печати

Усанова Елена Владимировна (14 марта 2017 г. 11:39)	День добрый,  Дмитрий Евгеньевич!  Я правильно поняла, что 3D-принтер у Вас кафедральный, а не общеинститутского пользования? Такой техникой пользуются  обычно и кафедры конструирования,  и технологии. Оптимальное решение сосредоточить ее в CAD/CAE/CAM-центре, где обслуживание, расходный материал и т.д. обеспечивался бы этой структурой. Все равно придем к интегрированному взаимодействию кафедр. Это же экономнее, так даже в университетах индустриально продвинутых  стран делается. Техника  при этом не простаивает, обслуживание профессиональное и вообще много  других преимуществ. Согласны? С уважением, Усанова Е.В.
Тихонов-Бугров Дмитрий Евгеньевич (14 марта 2017 г. 16:31)	Здравствуйте, Елена Владимировна! У нас два принтера. Один мой собственный. Вы правы. К этому постапенно идём. У нас всё больше кафедр, которые открывают  ведущие фирмы. У них и оборудование на уровне. Хотя общей лаборатории прототипирования нет.  Стараемся налаживать контакты. С одной из таких кафедральных лабораторий в ближайшее время выезжаем на олимпиаду школьников. Везём технику.   С уважением, Тихонов-Бугров.
Мухаркина Анна Анатольевна (15 марта 2017 г. 10:49)	Здравствуйте, Дмитрий Евгеньевич. Меня тоже интересует организационная часть вопроса хотя бы в рамках кафедры, потому что до общеинститутских лабораторий нам тоже ещё далеко. Кто поддерживает принтер в рабочем состоянии? Кто закупает материалы? Выделяет ли ваш университет для этого средства? С уважением, Анна Мухаркина
Тихонов-Бугров Дмитрий Евгеньевич (15 марта 2017 г. 12:27)	Здравствуйте, Анна Анатольевна. Принтер в рабочем состоянии поодерживает заведующий кафедральной учебной лаборатории (компьютерный класс, класс прототипирования (2 принтера)). При покупке техники были проявлены чудеса предпринимательского мастерства, удалось сделать хороший запас шнура. Пока живём этим. Кафедра располагает небольшими средствами для ремонта техники, закупки расходных материалов. При необходимости закупки шнура этим будет заниматься тот-же зав. и куратор направления "Основы САПР" профессор Абросимов С.Н. Я думаю, что острой необходимости в общеинститутской лаборатории не возникает по той причине, что базовые кафедры оснащены хорошо и своей жизнью довольны. Некоторые из них готовы к сотрудничеству.   С уважением, Тихонов-Бугров.
Бойков Алексей Александрович (27 марта 2017 г. 22:20)	Здравствуйте, уважаемые Дмитрий Евгеньевич и Сергей Николаевич! Спасибо за интересный доклад. Как всегда, воодушевляет на поиск нового в работе со студентами. К сожалению, принтера у нас нет и пока не предвидится. Но мысль бродит, может быть что и придумается. С уважением, А.Бойков.
Тихонов-Бугров Дмитрий Евгеньевич (27 марта 2017 г. 22:26)	Здравствуйте, Алексей Александрович! Не сомневаюсь в качественном брожении Вашей мысли. Обязательно придумается. Мы ещё у Вас поучимся. Успехов!     С уважением, Тихонов-Бугров.
Сальков Николай Андреевич (27 марта 2017 г. 23:47)	Здравствуйте, Дмитрий Евгеньевич! У меня возникла сейчас мысль - хорошо бы после традиционного деталирования распечатывать детвли и заставлять студентов собирать их вместе. Собрал - получил зачет, не собрал - не получил. Ваша же идея с отсутствием какой-нибудь детали - это более высокий полет. Это действительно следует применять в вузах "закрытого профиля". Плохо, что такие принтеры пока что слишком дороги и недоступны большенству вузов, финансируемых по остаточному принципу. С уывжением, Н. Сальков.
Сальков Николай Андреевич (27 марта 2017 г. 23:49)	Прошу прощения за дурацкую ошибку - клавиатера не моя, с какими-то красными быковками, плохо различимыми.
Тихонов-Бугров Дмитрий Евгеньевич (28 марта 2017 г. 15:08)	Здравсвуйте, Николай
Тихонов-Бугров Дмитрий Евгеньевич (28 марта 2017 г. 15:13)	Прошу прощения за сбой, хоть и клавиатура моя. Ваша идея, Николай Андреевич замечательная, но пока не очень осуществимая. Когда готовили задания для олимпиады школьников, распечатали одну из деталей - 16 часов. В классе прототипирования по этому случаю организованы ночные дежурства.   С уважением, Тихонов-Бугров.