Большая перемена: 3D‑технологии в образовательном процессе

Инновационная лаборатория в школе, колледже, вузе | 3D‑принтеры в учебном процессе | Обзор аддитивных технологий для образования | Программное обеспечение для аддитивного производства | 3D‑сканер + ПО: готовые решения для будущих инженеров и метрологов | Получите консультацию эксперта

Очертания Индустрии 4.0 вырисовываются все более четко. В мире уже внедряются новые бизнес‑модели, на основе которых будут работать «фабрики будущего» – предприятия, способные обеспечить принципиально новый уровень производительности и конкурентоспособности. Такой мощный толчок станет возможным благодаря цифровым технологиям, способным обрабатывать огромные массивы данных и комплексно управлять производством, – от проектирования и изготовления до логистики и технической поддержки продукта.

Уже сейчас меняются требования к техническим профессиям, связанным с промышленным производством, переосмысляются задачи специалистов, которым предстоит работать на «умных» заводах или проводить научные исследования. Поэтому перед школой и вузами стоит ответственная задача – дать будущим инженерам, технологам, конструкторам, проектировщикам достаточно глубокие знания и практические навыки в области новейших технологий, чтобы они вступили в цифровой мир во всеоружии.

Инновационная лаборатория в школе, колледже, вузе

Поддержка инженерного образования – одна из приоритетных стратегических задач развития России. В 2015 году был утвержден первый образовательный стандарт подготовки техников‑технологов по направлению 15.02.09 – «Аддитивные технологии», а сегодня действует целый ряд вузовских программ подготовки специалистов по аддитивным и смежным инновационным технологиям (40.159 и др.). 

В 2015 г. Департамент образования города Москвы запустил проект «Инженерный класс в московской школе» – новую модель дополнительной подготовки по техническим специальностям. В московских школах, где созданы инженерные классы, действуют лаборатории физики и робототехники, мастерские 3D‑моделирования и прототипирования. Партнерами проекта выступают ведущие федеральные вузы, такие как МАИ и МВТУ имени Н.Э. Баумана, предоставляющие школам свою лабораторную базу.

Освоение 3D‑сканирования и 3D‑моделирования помогает в освоении перспективных профессий © Creaform

Компания iQB Technologies предлагает готовые решения в области 3D‑технологий, которые ориентированы на образовательные учреждения – школы, лаборатории, кружки, центры технического творчества, университеты, – и помогут адаптировать учебный процесс к постоянно растущим требованиям к уровню профессиональной подготовки. Расскажем подробнее об этих инновационных продуктах – 3D‑принтерах, 3D‑сканерах и программном обеспечении.

3D‑принтеры в учебном процессе

Современным школьникам и студентам уже неинтересны FDM‑принтеры начального уровня, да и возможности этих устройств весьма ограниченны. На рынке сегодня представлен большой выбор профессиональных аддитивных установок, которые отличаются доступностью, простотой в эксплуатации, низкой себестоимостью и отлично подойдут для обучения. С их помощью учащиеся смогут создавать реалистичные макеты, модели объектов и прототипы изделий, овладевая навыками по перспективной специальности «Аддитивные технологии». 

В Алтайском крае реализуется проект Технологии будущего для ознакомления школьников и педагогов с 3D‑технологиями © Picaso 3D

Не только профессиональные, но и промышленные 3D‑принтеры могут оказаться полезными в сфере образования и науки. Они активно используются в научной отрасли для обучения студентов и выполнения коммерческих заказов, в аддитивных лабораториях крупных вузов и исследовательских центров. Отличные примеры внедрения 3D‑технологий показывают, в частности, МВТУ, МИСиС, Самарский университет, Санкт‑Петербургский государственный морской технический университет, Политехнические университеты Москвы, Перми, Томска.

Все эти имеющие широкий функционал 3D‑принтеры найдут свое место в школьных лабораториях (для занятий по химии, биологии, истории, географии и другим предметам), инженерных классах, технических, медицинских и ювелирных колледжах, вузах со специализацией в области машиностроения, авиации, нефтегазовой промышленности, энергетики и других отраслей. Доступны решения на базе различных технологий печати с использованием высокотехнологичных материалов: термопластов, фотополимеров, воска, металлов. Далее мы рассмотрим возможности популярных методов 3D‑печати и предложим конкретное оборудование.  

Обзор аддитивных технологий для образования

FDM: экономичное создание деталей из пластиков

Cамая распространенная и бюджетная аддитивная технология, основанная на послойном наплавлении пластиковой нити. Повысить производительность и сократить расход материала позволяет печать гранулами полимеров (FGF).

Что можно печатать: прототипы и готовые изделия (в т. ч. механические детали), выжигаемые мастер‑модели, макеты.

Студенты Московского Политеха применяют аддитивные технологии на практике © old.mospolytech.ru

Преимущества

• Недорогие 3D‑принтеры и расходные материалы.

• Возможность печати материалами с разнообразными свойствами, включая композиты и высокотемпературные инженерные пластики.

• Простота эксплуатации машин.

Крупные объекты можно печатать из полимерных гранул (технология FGF)

Оборудование

• Профессиональные FDM‑принтеры PICASO 3D | Wiiboox | Imprinta Hercules G6/G6 DUO

• Промышленные FDM/FGF‑принтеры IEMAI 3D | Промышленный FGF‑принтер Piocreat G5Ultra

SLA: высокоточные прототипы и изделия из фотополимеров

Лазерная стереолитография – первая в мире коммерческая технология 3D‑печати – основана на послойном отверждении жидкого фотополимера под действием луча лазера.

Что можно печатать: прототипы и функциональные изделия (корпуса устройств, автокомпоненты, зажимные приспособления и крепления и пр.), сувениры, макеты, выжигаемые мастер‑модели.

Преимущества

• Идеально гладкая поверхность напечатанных моделей.

• Высокая прочность.

• Широкий выбор, многообразие механических характеристик и невысокая стоимость фотополимеров.

• Возможность печатать крупные изделия.

• Минимальная постобработка.

Образцы SLA‑печати прототипов на принтерах ProtoFab: концепт‑кар, торговый автомат, редуктор АКПП и макет виллы

Оборудование

• Промышленные SLA‑принтеры ProtoFab

DLP/LCD: настольная фотополимерная печать

Два других метода стереолитографической 3D‑печати с использованием фотополимерной смолы, наряду с SLA. В отличие от лазера, используемого в SLA‑принтере, засветка происходит с помощью цифрового светодиодного проектора (DLP) или светодиодной ультрафиолетовой матрицы через маску ЖК‑экрана (LCD). Такие принтеры обычно компактны и имеют настольное исполнение.

Что можно печатать: прототипы, функциональные изделия, выжигаемые мастер‑модели в ювелирном деле, стоматологии, машиностроении и др.

Преимущества

• Высокие точность и разрешение печати.

• Увеличенная скорость построения за счет одновременной засветки слоя целиком.

• Низкая стоимость принтеров (по сравнению с SLA).

• Широкий диапазон механических свойств расходных материалов.

RAYSHAPE Shape 1+ – компактное и экономичное решение для 3D‑печати фотополимерами. Справа от принтера – УФ‑камера для доотверждения напечатанных моделей

Оборудование

• Профессиональные DLP‑принтеры RAYSHAPE

• Профессиональные LCD‑принтеры Wiiboox

SLS: долговечные модели с отличными свойствами

Выборочное спекание пластиковых порошков (полиамиды, полистирол) с разными компонентами лазерным лучом.

Что можно напечатать: прототипы, функциональные изделия, модели для точного литья по выплавляемым/выжигаемым моделям

Многообразие моделей, напечатанных нейлоном © Sinterit

Преимущества

• Превосходные механические характеристики напечатанных изделий (от гибких до жестких).

• Высокая скорость печати.

• При построении моделей не используются поддержки.

• Широкий выбор материалов.

Оборудование

• Промышленный SLS‑принтер Kings 3D P440 SLS

MJP: быстрое создание литейных моделей

Технология многоструйной печати восковыми или фотополимерными материалами.

Что можно печатать: выплавляемые/выжигаемые модели для литья ювелирных и стоматологических изделий, а также сложных промышленных изделий с мелкой детализацией.

Примеры печати фиолетовым и красным воском на установках FlashForge WaxJet

Преимущества

• Высокие точность и качество готовых изделий.

• Максимальная степень детализации.

• Экономия до 90% времени по сравнению с традиционными способами.

• Простота эксплуатации принтеров.

Оборудование

• Профессиональные восковые MJP‑принтеры FlashForge WaxJet 400 и WaxJet 510

SLM: исследование свойств металлов и печать уникальных деталей

Последовательное расплавление порошкового материала посредством мощного лазерного излучения.

Что можно печатать: прототипы, конечные изделия, формообразующие элементы пресс‑форм в НИОКР, опытном и экспериментальном производстве, создании кастомизированных продуктов (например, имплантатов).

SLM‑принтер HBD 150 и напечатанные образцы стоматологических изделий

Преимущества

• Создание сложнейших деталей, получение которых недоступно традиционными способами.

• Прямая печать цельнометаллического изделия, с сокращением числа элементов в сборке.

• Уменьшение массы изделий.

• Высокая точность и повторяемость.

• Широкий выбор металлических порошков.

• Сокращение циклов производства и ускорение выхода готовой продукции.

Оборудование

• Промышленные SLM‑принтеры HBD

• Промышленные SLM‑принтеры 3DLAM

SLM‑принтер 3DLAM Mini предназначен для печати небольших изделий в исследовательских и стоматологических лабораториях и учебных заведениях. Это идеальный вариант для исследования материалов, для погружения в SLM‑технологию © Top 3D Shop

Программное обеспечение для аддитивного производства 

Для подготовки моделей к 3D‑печати требуется специализированное программное обеспечение. Это может быть как слайсер (программа для нарезки 3D‑модели на слои) с минимальным набором необходимых функций, так и универсальное профессиональное ПО, решающее весь комплекс задач подготовки аддитивного производства. Такие программные продукты позволяют:

• исправлять ошибки в 3D‑моделях;

• оптимизировать модели для печати;

• оптимизировать расположение моделей на платформе;

• создавать и редактировать поддерживающие структуры;

• симулировать процесс печати.

В условиях санкций достойным аналогом ПО производителей, ушедших с российского рынка (таких, как Materialise или Autodesk), станут продукты VoxelDance – доступные решения для подготовки моделей к 3D‑печати и исправления ошибок в 3D‑моделях по выгодной цене. Для образовательных учреждений доступны специальные условия приобретения лицензий VoxelDance.

Программное обеспечение

VoxelDance Additive – многофункциональное ПО для подготовки моделей к 3D‑печати

VoxelDance Tango – персональное решение для DLP/LCD‑принтеров

3D‑сканер + ПО: готовые решения для будущих инженеров и метрологов

3D‑сканирование – наиболее передовой способ перевода физического объекта в цифровой формат, который помогает существенно оптимизировать производственный процесс. Современные 3D‑сканеры способны оцифровывать самые разные объекты – от миниатюрных деталей до зданий и ландшафтов. На основе данных сканирования в специализированном программном обеспечении создается 3D‑модель физического объекта для ее последующего использования в системах CAD/CAM/CAE.

Какие задачи решают 3D‑сканеры

1. Реверс-инжиниринг (обратное проектирование) изделий для оперативного получения проектной документации, воссоздания или оптимизации изделий.  
   

2. Контроль качества: возможность проверки любых геометрических параметров. 

3. Цифровое архивирование: модели, сохраненные в цифровых библиотеках, доступны удаленно из любой точки земного шара.

Мастер‑класс компании RangeVision на площадке транспортных технологий Московского индустриального колледжа по внедрению технологии 3D‑сканирования в компетенцию «Кузовной ремонт»

В результате 3D‑сканирования мы получаем облако точек или полигональную модель, которая проходит финализацию во встроенном ПО сканера. Но для дальнейшего CAD‑моделирования требуется специализированный программный продукт. Примеры таких комплексных платформ: 

• Geomagic Design X и PointShape Design для обратного проектирования; 

• Geomagic Control X и PointShape Inspector для контроля качества.

Как 3D‑сканеры, так и программное обеспечение достаточно легки в освоении. Они помогут обучить будущих технических специалистов современным технологиям измерений и 3D‑моделирования, чтобы в дальнейшем эффективно решать задачи разработки/модернизации продукта и метрологического контроля на производстве.

© 3D Systems

3D‑технологии могут применяться комплексно, еще больше повышая скорость и эффективность решения задач. К примеру, если требуется воссоздать некую деталь при отсутствии чертежей и CAD‑модели, мы сканируем ее, дорабатываем в ПО для реверс-инжиниринга и печатаем на 3D‑принтере. Все это выполняется силами одного-двух человек за пару дней. Студенты, освоившие такой комплекс оборудования и ПО, получат полноценный опыт цифрового производства.

3D‑решения для образования, представленные в статье, уже сейчас помогут учащимся получить необходимую практику для применения в дальнейшей деятельности. Школьники и студенты смогут ознакомиться с возможностями 3D‑технологий, современным оборудованием и ПО, что поможет им стать высококвалифицированными специалистами и эффективно применять эти знания в профильных НИИ, конструкторских бюро или на производстве.

Свяжитесь с нашими экспертами, чтобы получить консультации и более подробную информацию о предлагаемых продуктах и применении 3D‑технологий в образовании.  

Статья опубликована 22.08.2024 , обновлена 09.10.2024