CC BY
74
pedagogical sciences
УДК 378.147
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СИСТЕМЕ ПОДГОТОВКИ АВТОМЕХАНИКА
© 2017
Доронкин Владимир Геннадьевич, старший преподаватель кафедры «Проектирование и эксплуатация автомобилей» Зотов Алексей Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры
«Проектирование и эксплуатация автомобилей» Турбин Игорь Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Проектирование и эксплуатация автомобилей» Тольяттинский государственный университет (445020, Россия, Тольятти, улица Белорусская, 16в, e-mail: [email protected])
Аннотация. Инновационное развитие в стране невозможно без постоянного мониторинга мировых тенденций, развития и внедрения новых перспективных технологий, в том числе, и в таком направлении как производство, ремонт и обслуживание автомобильного транспорта. В настоящее время одним из основных направлений развития производства являются аддитивные технологии. Причем современные средства автоматизации проектирования позволяют с приемлемой точностью проводить инженерный анализ функциональных характеристик как самого модельного материала, в зависимости от способов его получения, так и непосредственно готового «выращенного» изделия. Широкое применение таких технологий в машиностроении требует соответствующей подготовки специалистов в смежных отраслях. В статье рассмотрен опыт и обозначены перспективы обучения аддитивным технологиям студентов высших учебных заведений по специальности автомеханик. Рассмотрены требования международного конкурса профессионального мастерства WorldSkills по компетенции «Прототипирование», как промежуточного этапа между компьютерным проектированием и изготовлением изделия. Приведены примеры внедрения аддитивных технологий в реальный производственный процесс студентами Тольяттинского государственного университета, участвующими в международном инженерном проекте «Formula Student». Перечислены задачи проектного центра и производственного участка, решаемые студентами в процессе изготовления гоночного болида.
Ключевые слова: аддитивные технологии, WorldSkills, инженерное образование, инновации в образовании, прототипирование, 3D-принтер, CAD-моделирование, CAM-моделирование, CAE-моделирование, Formula Student, гоночный болид.
ADDITIVE TECHNOLOGIES IN THE TRAINING OF A CAR MECHANIC
© 2017
Doronkin Vladimir Gennadievich, senior teacher of the chair «The designing and operation of the car» Zotov Aleksey Victorovich, candidate of technical sciences, associate professor of the chair «The designing and operation of the car» Turbin Igor Victorovich, candidate of technical sciences, associate professor of the chair «The designing and operation of the car» Togliatti State University (445020, Russia, Togliatti, st. Belorusskaya, 16v, e-mail: [email protected])
Abstract. Innovation development in the country is impossible without constant monitoring of world trends, development and introduction of new advanced technologies including those in the sphere of automobile transport production, maintenance and repair. Now one of the basic lines of production development are addictive technologies. Modern means of design automation allow conducting engineering analysis of functional features of both model material itself depending on methods of its production and directly "grown up" products, with acceptable accuracy. Wide application of such technologies in mechanical engineering requires the appropriate training of specialists in allied industries. This article considers the experience and identifies the prospects of addictive technologies training for students of universities on mechanic specialty. The requirements of the international professional skills competition "World Skills" on the competence "Prototyping" as an intermediate step between computers aided design and manufacturing of products are considered. Examples of the implementation of addictive technologies into a real production process by the students of Togliatti State University, participating in the international design project "Formula Student" are given. The tasks of project center and production site listed, solved by the students in the course of racing bolide manufacturing.
Keywords: addictive technologies, World Skills, engineering education, innovation in education, prototyping, 3D-printer, CAD-modelling, CAM-modelling, CAE-modelling, Formula Student, racing bolide.
Постановка проблемы в общем виде и ее связь с важными научными и практическими задачами. В настоящее время социально-экономическое развитие общества невозможно без совершенствования технологий [1]. Одно из перспективных направлений - аддитивные технологии, или так называемая «трехмерная печать» [2]. Это относительно новое направление бурно развивается во всех областях техники - машиностроении, строительстве, легкой промышленности и т.п.
Все более широкое применение этих технологий в машиностроении требует соответствующей подготовки специалистов и смежных отраслей. Рассмотрим опыт и перспективы обучения аддитивным технологиям такой специальности как автомеханик. Традиционные авторемонтные технологии можно разделить на две группы - универсальные и специальные. К универсальным относятся слесарные работы (моечно-очистные, демон-тажно-монтажные, разборочно-сборочные), а также механообработка (точение, фрезерование, шлифование, хонингование, полирование), сварка, наплавка, пайка вулканизация и склеивание [3]. Специальные авторе-
монтные технологии - это ремонт автомобильных шин, ремонт бортового электрооборудования и электроники (включая ремонт аккумуляторных батарей), а также такие специфические технологии, как ремонт кузова (включая рихтовку, окраску и дополнительную антикоррозионную), при этом большое значение имеют процессы восстановления изношенных или поврежденных деталей [4]. Трехмерная печать - это перспективное направление изготовления уникальных деталей при ремонте и тюнинге автомобиля.
Очевидно, что у студентов этой специальности необходимо формировать навыки применения аддитивных технологий. Рассмотрим опыт и проблемы этого обучения на примере подготовки бакалавров «Эксплуатация транспортных комплексов».
Анализ последних исследований и публикаций, в которых рассматривались аспекты этой проблемы и на которых обосновывается автор; выделение неразрешенных раньше частей общей проблемы. В качестве критериев для оценки подготовки специалиста показателен пример международного конкурса профессионального
педагогические науки
мастерства WorldSkills [5, 6]. Наиболее близко к рассматриваемому вопросу примыкает процесс подготовки мастер-моделей, так называемое прототипирование. В качестве примера рассмотрим требования WorldSkills по компетенции «Прототипирование». В нем отмечается, что прототипирование является промежуточным этапом между компьютерным проектированием и изготовлением изделия [7]. Навык правильно и качественно изготовить работающий прототип на данный момент является весьма необходимым для любого типа производства.
В соответствии с требованиями WorldSkills участник чемпионата должен уметь работать с трехмерными системами в формате CAD, подготавливать двухмерные и трехмерные чертежи, а также переносить и создавать копии деталей. Кроме работы с программными продуктами, студент должен уметь создавать модели-прототипы при помощи ручного инструмента и машин, и отделывать их поверхность, то есть он должен уметь пользоваться измерительным оборудованием, а также работать со стандартными пластмассами, подвергая их таким операциям, как резка, шлифование, склеивание и окрашивание.
Для этого участник чемпионата должен обладать знанием и пониманием таких областей, как создание моделей-прототипов на основании проекта с применением 3Б-принтера, программное обеспечение 3D-CAD (например, Inventor, SolidWorks, ProE и т.д.), стандарты ISO для чертежей и дизайн. Он должен знать, как правильно задать параметры печати, как изменить деталь изделия, то есть понимать процесс создания деталей, их сборки и выполнение чертежей при помощи программного обеспечения 3D-CAD, включая определение габаритов. При этом участник должен знать характеристики, риски и методы обработки таких материалов для моделирования, как герметизирующая смола, ламинирующая смола, древесная целлюлоза, полилактид.
Для успешного выполнения заданий конкурса, участник чемпионата WorldSkills должен самостоятельно создать модель-прототип на основании данных 3D-CAD и двухмерного чертежа, используя ручные инструменты и машины, а также подготовить и определить габариты 2D-чертежа на основании данных 3D-CAD. Он должен работать с необходимыми материалами, в зависимости от выбранного конкурсного задания, проявляя творческий подход к изменению несущественных деталей изделия. Кроме этого, он должен провести отделку поверхностей модели-прототипа, включая окрашивание аэрозольной краской и украшения модели-прототипа при помощи выданных участнику материалов.
Конкурсное задание по компетенции «Прототипирование» представляет собой серию из пяти модулей:
A. «Проектирование CAD».
B. «Создание чертежа по 3D модели».
C. «Моделирование по триангулированной модели».
D. «Изготовление прототипа».
E. «Окраска прототипа».
Модуль «А»: Проектирование полученного конкурсного задания-проекта при помощи 3D-CAD, выход 3D-модель в формате STL. Чтобы выполнить этот модуль, участник должен уметь работать в CAD-программе, моделировать сложные криволинейные поверхности, уметь читать чертежи. Например, каждому участнику выдается чертеж изделия «Корпус турбины» по которому необходимо построить 3D-модель по заданным размерам (в зависимости от выделенного времени, модель может быть масштабирована), на выполнение первого модуля выделяется 2 часа, итогом работы участника является построенная 3D-модель в формате используемой CAD-программы и STL (два файла), участники которые закончили выполнение модуля, запускают на 3D-печать 3D-модель, после чего имеют право приступать к следующему модулю.
Модуль «В»: Подготовка двухмерного чертежа по
созданной 3D-модели прототипа. Необходимые навыки для выполнения этого модуля: умение создания чертежей в CAD-программах и знание соответствующих стандартов. По спроектированной 3D-модели участник готовит чертеж, со всеми необходимыми размерами, чертеж должен соответствовать исходному чертежу. Результатом работы является чертеж в формате PDF, после выполнения модуля участник может приступать к следующему модулю.
Модуль «С»: Создание 3D-модели по триангулированной модели. Для выполнения этого модуля требуется умение работать в CAD-программе, моделирование сложных криволинейных поверхностей, а также умение создавать 3D-модель по облаку точек. В качестве примера можно привести конкурсное задание: Каждому участнику выдается модель турбинной лопатки в формате STL, которая должна быть преобразована при помощи CAD-системы в параметрический вид. Результатом является сохраненная модель в формате CAD-программы и в формате STL, в размере соответствующем размерам «Корпуса турбины».
Модуль «D»: Создание модели-прототипа (изготовление всех частей прототипа, сборка, шлифовка). Необходимые навыки для выполнения модуля: умение работать с ЧПУ техникой, 3D-принтерами, 3D-сканерами; умение шлифовать, шпатлевать, клеить, зачищать, резать. Результатом работы является собранное рабочее изделие и сборочный чертеж в формате PDF.
Модуль «E»: Отделка поверхностей прототипа и окраска. Необходимые навыки для выполнения модуля: умение красить баллончиком, умение шлифовать и зачищать.
Конечный узел должен быть покрашен и зачищен, без значительных потерь в размерах.
Формирование целей статьи (постановка задания). Целью статьи является анализ существующей практики обучению аддитивным технологиям студентов авторемонтной специальности, с выявлением перспективного направления совершенствования учебного процесса.
Изложение основного материала исследования с полным обоснованием полученных научных результатов. Изначально RP-технологии были направлены на решение вопросов оценки внешнего облика и дизайна изделий (эстетические свойства), проверки собираемости и функциональности изделий (техническая возможность сборки, эргономика), получения образцов для литья по выплавляемым и выжигаемым моделям [8], изготовления формообразующих деталей пресс-форм и т.д. [9].
Но на данном этапе, как уже было сказано выше, RP-технологии являются лишь частью AF-технологий. Причем это связано не только с развитием технологий зD-печати, но и с развитием CAD/CAE/CAM-технологий в целом. Современные средства автоматизации проектирования позволяют с приемлемой точностью проводить инженерный анализ функциональных характеристик как самого модельного материала, в зависимости от способов его получения, так и непосредственно готового «выращенного» изделия.
Студенты Тольяттинского государственного университета при разработке гоночного болида «Formula Student» внедряют аддитивные технологии в реальный производственный процесс. Так на основе CAM/CAE-моделирования были разработаны компьютерные геометрические модели деталей болида, которые в последующем были изготовлены 3D-печатью.
Важнейшей задачей, которую удалось решить при создании площадки «Formula Student» [10], является оформление работ, проводимых в рамках проектирования гоночного болида в виде элементов учебного процесса, входящих в определённые траектории обучения, предоставляемые университетом для студентов в качестве альтернативы некоторой части теоретических аудиторных занятий, предусмотренных учебным планом.
«Formula Student» как производственная система
pedagogical sciences
включает два подразделения: проектное и производственное [11].
Проектный центр предназначен для выполнения всего комплекса работ по конструкторской и технологической подготовке производства гоночного автомобиля. К его деятельности также относится разработка дизайн-проекта будущего болида. Продуктом проектного центра является полный комплект проектной, конструкторской и технологической документации, необходимый для изготовления машины, геометрические трёхмерные CAD-модели её элементов, документированные результаты проводимых инженерных расчётов при помощи систем CAE (отчёты, пояснительные записки, наборы диаграмм и иные результаты исследования моделей технических систем). Кроме того, в задачи проектного центра входит подготовка финансовой документации и решений, презентаций для участия в конкурсе, проектов рекламной продукции, текстов для освещения событий, и прочих продуктов, которые, помимо самого автомобиля, необходимы для соревнований и в процессе создания болида.
Задачей производственного участка является осуществление максимального количества производственных процессов, необходимых для изготовления автомобиля. Для выполнения своих функций участок требует наличия соответствующего технологического оборудования и людей, обслуживающих его.
AF-технологии формируют компетенции необходимые для работы как в проектном, так и производственном участках, ведь задачи создания CAD-модели, ее производства и CAE-анализа могут быть сосредоточены в одном месте, будь то учебная аудитория, либо производственный участок.
При проектировании гоночного болида была поставлена задача - повысить наполнение цилиндра воздухом, для чего были спроектированы и изготовлены послойным синтезом втулки ресивера (рисунок 1а), применение которых позволило решить данный вопрос за счет снижения завихрений воздуха.
Согласно регламенту проекта «Formula Student» [12] для ограничения мощности двигателя необходимо установить рестриктор в систему впуска воздуха и весь воздушный поток должен проходить через него. Силами студентов была изготовлена CAD-модель рестриктора, проведен ее инженерный анализ и на его базе усовершенствована геометрия изделия (рисунок 1б). В частности была уменьшена толщина стенок и оптимизирована форма ребер жесткости.
Для учебных целей на кафедре «Проектирование и эксплуатация автомобилей» Тольяттинского госуниверситета применяется 3D-принтер «HerculesStrong» российского производителя «IMPRINTA». Область построения 3D-модели у этого принтера составляет 300x300x400 мм, его габаритные размеры 573x520x670 мм. Такое оборудование может быть универсальным для решения многих задач, поскольку принтер имеет закрытую3D-камеру и подогреваемую площадку. Этот принтер может печатать такими материалами, как ABS, PLA, HIPS, Nylon, PC, PVA, Flex и другими. Толщина слоя от 50 до 300 микрон. Технология печати - моделирование методом наплавления (FDM/FFF). Принтер оснащен одной печатающей головкой с диаметром сопла 0,3 мм, обеспечивающей толщину слоя 0,05-0,3 мм. Скорость печати30-100 мм/сек, диаметр нити 1,75 мм. Принтер имеет LCD-дисплей и оснащен интерфейсами USB и CardReader.
Выводы исследования и перспективы дальнейших изысканий данного направления. Современный инженер должен обладать знаниями новейших технологий [13]. Для подготовки специалистов автосервиса аддитивным технологиям необходимо учитывать возможное применение 3D-печати в ремонте автомобилей:
- быстрое изготовление небольших деталей;
- изготовление ремонтных деталей сложной формы;
- изготовление уникальных единичных деталей (например, при тюнинге) [14, 15] и др.
При этом необходимо учитывать стоимость изготовления [16].
Кроме этого, отметим необходимость комплексного обучения, включающий в себя как процесс моделирования, так и изготовление детали, а также операции ее окончательной отделки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Доронкин В.Г., Кудинова Г.Э., Юрина В.С., Ку-динова Н.А. Социально-экономическое развитие и технологическая модернизация России - тенденции и перспективы развития // Азимут научных исследований: экономика и управление. 2013 № 4 (5) С. 17-19.
2. Доронкин В.Г., Кременской С.А. Инновационные технологии на автомобильном транспорте. Организационно-экономические и технологические проблемы модернизации экономики России: сборник статей VII Международной научно-практической конференции / МНИЦ ПГАУ. Пенза: РИО ПГАУ, 2017. С. 121-125.
3. Виноградов B.M. Технологические процессы ремонта автомобилей. М.: Издательский центр
Рисунок 1: Детали болида «Formula Student», полученные в результате 3-мерной печати: а) втулки ресивера; б) рестриктор; в) накладки рулевого колеса.
Для улучшения эргономических характеристик на 3Б-принтере также были изготовлены элементы рулевого колеса (рисунок 1в). В этом случае также был проведен CAE-анализ, но здесь направленный на оптимизацию плотности материала, что позволило без потери прочности повысить производительность печати на 30 %.
«Академия», 2007. 384 с.
4. Мураткин Г.В., Малкин В.С., Доронкин В.Г. Основы восстановления деталей и ремонт автомобилей. В 2 ч.: учебное пособие. Тольятти: Изд-во ТГУ, 2012. 263 с.
5. Доронкин В.Г., Ельцов В.В., Чертакова Е.М. Подготовка и проведение соревнований WoridSkШs как инновационный метод подготовки технических специалистов в системе СПО / Инженерное образование. 2016. № 19. С. 33-37.
6. Регламент соревнований. WSR. - Режим доступа: http://wsr51.rU/img/all/5 wsr od02 obshhijj гейкппегП
педагогические науки
sorevnovamjj_v1_0_ru.pdf (дата обращения 29.08.2017).
7. Техническое описание. Прототипирование. -Режим доступа: http://worldskills-ekb.ru/competition/ competence/prototyping/Zadanie_prototipirovanie_2015. pdf (дата обращения 29.08.2017).
8. Черепашков А.А., Носов Н.В. Компьютерные технологии, моделирование и автоматизированные системы в машиностроении: учеб. для студ. высш. учеб. заведений. Волгоград: Издательский Дом «Ин-Фолио», 2009. 640 с.
9. Балякин А.В., Смелов В.Г., Чемпинский Л.А. Применение аддитивных технологий для создания деталей камеры сгорания / Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2012. № 3 (34). С. 47-52.
10. FormulaStudent. - Режим доступа: https://fs.tltsu. ru/about/formula_student (дата обращения 29.08.2017).
11. Огин П.А., Салабаев Д.Е. Внедрение практико-ориентированных обучающих проектов для повышения качества подготовки инженерных кадров / Проведение научных исследований в области машиностроения: сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции. Тольятти: ТГУ, 2009. Ч.3. С. 169-172.
12. Formula SAE Rules. - Режим доступа: https://www. fsaeonline.com/page.aspx?pageid=e179e647-cb8c-4ab0-860c-ec69aae080a3 (дата обращения 09.07.2017).
13. Ельцов В.В., Доронкин В.Г. О подготовке и сертификации профессионального инженера // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. Серия: Педагогика, психология. 2016. № 2 (25). С. 35-42.
14. Доронкин В.Г. Модернизация как инновационный ресурс повышения эффективности автомобилей ВАЗ в период эксплуатации: монография. Тольятти: Кассандра, 2016. 60 с.
15. Турбин И.В., Доронкин В.Г. Модернизация двигателей ВАЗ в период эксплуатации / Организационно-экономические и технологические проблемы модернизации экономики России: сборник статей VII Международной научно-практической конференции / МНИЦ ПГАУ. Пенза: РИО ПГАУ, 2017. С. 141-145.
16. Доронкин В.Г., Кудинова Г.Э., Курилова А.А. К вопросу эффективности автомобильного тюнинга // Азимут научных исследований: экономика и управление. 2016. Т 5. № 4 (17). С. 140-143.
Статья подготовлена в рамках работы над исследовательским проектом «К 50-летию ВАЗа: Влияние автомобилизации на социально-экономическое развитие Поволжья», поддержанным грантом Российского гуманитарного научного фонда № 16-12-63003.
Статья поступила в редакцию 13.07.2017.
Статья принята к публикации 23.09.2017.
