Применение 3D-принтеров в образовании Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

УДК 004.4

ПРИМЕНЕНИЕ 3Б-ПРИНТЕРОВ В ОБРАЗОВАНИИ

Р. В. Каменев, А. М. Лейбов, О. М. Осокина

Новосибирский государственный педагогический университет Российская Федерация, 630126, г. Новосибирск, ул. Вилюйская, 28 Е-mail: tef.konf@yandex.ru

Описываются современные технологии трёхмерной печати, даются рекомендации по выбору принтера для использования в учебном процессе, описываются методические и педагогические аспекты применения данной технологии в учебном процессе. Авторами рассмотрены возможности технологий объёмной печати в образовательном процессе высших учебных заведений.

Ключевые слова: информационно-коммуникационные технологии, технологии 3D-печати, быстрое прото-типирование, 3D-принтеры, объемная печать.

APPLICATION OF 3D-PRINTERS IN EDUCATION

R. V. Kamenev, A. M. Leybov, O. M. Osokina

Novosibirsk State Pedagogical University 28, Vilyuyskaya, str., Novosibirsk, 630126, Russian Federation Е-mail: tef.konf@yandex.ru

This article describes the modern technology of three-dimensional printing, and recommendations for the selection of the printer for use in the educational process, described methodological and pedagogical aspects of the application of this technology in the educational process. The authors have considered the possibility of volume printing technology in the educational process in higher education.

Keywords: information and communication technologies, 3D-printing technology, rapid prototyping, 3D-printers, volume printing.

Сегодняшний день заставляет по новому оценивать возможности, представляемые нам разного рода техническими и научными достижениями. Есть возможность взглянуть на данные вопросы не только взглядом обывателя и потребителя, но и взглядом педагога с целью применить современные технические и технологические новинки в образовательном процессе школы, вуза или других учебных заведений.

В общем-то, данный процесс (применение современных достижений в образовании) не является новым. Всегда находились новаторы, которые поднимали на флаг образования новые технологии, пытались нести их в более широкие массы. И натыкались на стену непонимания и неодобрения, но преодолев человеческие стереотипы, все-таки побеждали.

Это же можно сказать и про сегодняшнюю ситуацию в современном образовании. Сегодня на преподавателя обрушивается большой поток современных технологических новинок, научных инноваций, начиная с нано-технологий, заканчивая банальными компьютерно-коммуникационными технологиями, которые оказывают влияние, как на гуманитарные сферы образования, так и на технические.

Хотелось бы обратить свой взор на процессы визуализации в образовании, а точнее на процесс представления графической информации. Сегодня трехмерное моделирование (или 3Б-моделирование) уже не является новинкой, но еще 5-7 лет назад бурно шли споры среди педагогов-теоретиков и практиков:

нужна ли эта технология и как её применять. Время решило всё само и показало нужность и эффективность данного направления визуализации. Теперь педагогам-методистам приходится разрабатывать и придумывать различные технологии применения 3Б-моделей и объектов в образовательном процессе, при этом никто не задаёт вопросов: «а зачем это надо?» [1-3].

Но прогресс не стоит на месте и предлагает новые технологии на вооружение педагогам-новаторам. Выходит на новый виток технология быстрого прототи-пирования (RP - rapid prototype), которая начала развиваться около лет 10 назад, но из-за дороговизны применяемого оборудования оставалась уделом крупных коммерческих предприятий [4]. Сегодня данные технологии создания прототипа изделия значительно подешевели и «шагнули» за рамки предприятий в повседневное использование и, что закономерно, в образовательные организации. С внедрением и применением устройств быстрого прототипирования стало возможным промоделировать полный цикл создания изделия, проиллюстрировать его жизненный цикл от этапа проектирования до этапа изготовления. Увидеть будущую модель, а в некоторых случаях и реальную не только на экране монитора, но и в твердой копии -это бесценное подспорье для преподавателя, как в области развития наглядности учебного процесса, так и в области мотивации и в процессе овеществления продуктов труда.

Рассматривать применение технологии быстрого прототипирования в образовании можно с разных точек зрения: с педагогической, методической и технологической.

В поддержку применения данной технологии в образовательном процессе выступают требования нормативных документов, содержащиеся в Федеральных государственных образовательных стандартах нового поколения [6]. Если рассматривать требования к подготовке будущих выпускников, то можно увидеть во ФГОСах компетенции, отвечающие за формирование вышеупомянутых знаний:

Общекультурные компетенции:

- готов использовать основные методы, способы и средства получения, хранения, переработки информации, готов работать с компьютером как средством управления информацией (ОК-8);

- способен работать с информацией в глобальных компьютерных сетях (ОК-9);

- способен понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества, сознавать опасности и угрозы, возникающие в этом процессе, соблюдать основные требования информационной безопасности, в том числе защиты государственной тайны (ОК-12).

Профессиональные компетенции:

- готов применять современные методики и технологии, в том числе и информационные, для обеспечения качества учебно-воспитательного процесса на конкретной образовательной ступени конкретного образовательного учреждения (ПК-2);

- способен использовать возможности образовательной среды, в том числе информационной, для обеспечения качества учебно-воспитательного процесса (ПК-4).

Кроме этого в соответствии с ФГОС одним из определяющих факторов подготовки выпускника-бакалавра является мнение работодателя, заказчика кадров. Неоспоримо, что работодатель будет заинтересован в специалисте, владеющем всеми современными технологиями, применяемыми на производстве, в жизни и в образовании.

В чем же конкретно заключается технология быстрого прототипирования? Она практически не отличается от печати на бумаге, это и есть печать, только объемных моделей, послойное создание будущего изделия. По данным Википедии «быстрое прототипи-рование» - это технология быстрого «макетирования», быстрого создания опытных образцов или работающей модели системы для демонстрации заказчику или проверки возможности реализации. Прототип позже уточняется для получения конечного продукта. Таким образом, прототип получается с помощью специальных аппаратов - 3Б-принтеров из специального материала - пластика.

Технологии создания прототипа изделия различны и их можно разделить на основные типы:

- стереолитография;

- лазерное спекание порошковых материалов;

- послойная печать расплавленной полимерной нитью;

- технология струйного моделирования;

- технология склеивания порошков;

- ламинирование листовых материалов;

- облучение ультрафиолетом через фотомаску.

Данная классификация не является устоявшейся,

но отражает почти все технологии, применяемые на сегодняшний день [5]. Рассмотрим упомянутые технологии подробнее.

Стереолитография (Stereo Lithography Apparatus или сокращённо SLA) благодаря низкой себестоимости готовых изделий получила наибольшее распространений среди технологий 3Б-печати.

Технология SLA состоит в следующем: сканирующая система направляет на фотополимер лазерный луч, под действием которого материал твердеет. В качестве фотополимера используется хрупкий и твёрдый полупрозрачный материал, который коробится под действием атмосферной влаги. Материал легко склеивается, обрабатывается и окрашивается. Рабочий стол находится в ёмкости с фотополимерной композицией. После прохождения лазерного луча и отверждения очередного слоя его рабочая поверхность смещается вниз на 0,025-0,3 мм.

Лазерное спекание порошковых материалов (Selective Laser Sintering или просто SLS) является единственной технологией 3Б-печати, которая может быть использована для изготовления металлических формообразующих для металлического и пластмассового литья. Пластмассовые прототипы обладают хорошими механическими свойствами, благодаря которым они моту быть использованы для изготовления полнофункциональных изделий.

В SLS-печати используются материалы, близкие по своим свойствам к конструкционным маркам: металл, керамика, порошковый пластик. Порошковые материалы наносятся на поверхность рабочего стола и запекаются лазерным лучом в твёрдый слой, соответствующий сечению 3Б-модели и определяющий её геометрию.

Послойная печать расплавленной полимерной нитью (Fused Deposition Modeling или просто FDM) применяется для получения единичных изделий, приближенных по своим функциональным возможностям к серийным изделиям, а также для изготовления выплавляемых форм для литья металлов.

Технология FDM-печати заключается в следующем: выдавливающая головка с контролируемой температурой разогревает до полужидкого состояния нити из ABC пластика, воска или поликарбоната, и с высокой точностью подаёт полученный термопластичный моделирующий материал тонкими слоями на рабочую поверхность 3D-принтера. Слои наносятся друг на друга, соединяются между собой и отвердевают, постепенно формируя готовое изделие.

Технология струйного моделирования (Ink Jet Modelling) имеет следующие запатентованные подвиды: 3D Systems (Multi-Jet Modeling или MJM), PolyJet (Objet Geometries или PolyJet) и Solidscape (Drop-On-Demand-Jet или DODJet).

Перечисленные технологии функционируют по одному принципу, но каждая из них имеет свои особенности. Для печати используются поддерживающие и моделирующие материалы. К числу поддерживаю-

щих материалов чаще всего относят воск, а к числу моделирующих - широкий спектр материалов, близких по своим свойствам к конструкционным термопластам. Печатающая головка 3Б-принтера наносит поддерживающий и моделирующий материалы на рабочую поверхность, после чего производится их фотополимеризация и механическое выравнивание.

Технология струйного моделирования позволяет получить окрашенные и прозрачные модели с различными механическими свойствами, это могут быть как мягкие, резиноподобные изделия, так и твёрдые, похожие на пластики.

Технология склеивания порошков (Binding powder by adhesives) позволяет не просто создавать объёмные модели, но и раскрашивать их. Принтеры с технологией binding powder by adhesives используют два вида материалов: крахмально-целлюлозный порошок, из которого формируется модель, и жидкий клей на водной основе, проклеивающий слои порошка. Клей поступает из печатающей головки 3Б-принтера, связывая между собой частицы порошка и формируя контур модели. После завершения печати излишки порошка удаляются. Чтобы придать модели дополнительную прочность, её пустоты заливаются жидким воском.

Ламинирование листовых материалов (Laminated Object Manufacturing или LOM) предполагает изготовление 3Б-моделей из бумажных листов при помощи ламинирования. Контур очередного слоя будущей модели вырезается лазером, а ненужные обрезки режутся на небольшие квадратики, которые впоследствии удаляются из принтера. Структура готового изделия похожа на древесную, но боится влаги.

Облучение ультрафиолетом через фотомаску (Solid Ground Curing или SGC) предполагает создание готовых моделей из слоёв распыляемого на рабочую поверхность фоточувствительного пластика. После нанесения тонкого слоя пластика он через специальную фотомаску с изображением очередного сечения обрабатывается ультрафиолетовыми лучами. Неиспользованный материал удаляется при помощи вакуума, а оставшийся затвердевший материал повторно облучается жёстким ультрафиолетом. Полости готового изделия заполняются расплавленным воском, который служит для поддержки следующих сло-ёв. Перед нанесением последующего слоя фоточувствительного пластика предыдущий слой механически выравнивается.

Многообразие технологий заставляет задуматься о том, какой принтер лучше приобрести, но стоимость самого принтера не до конца определяет выбор. Сейчас на первый план выходит не столько цена объекта (3Б-принтера), сколько стоимость его эксплуатации и обслуживания, так называемая стоимость владения. А она в свою очередь складывается из многих факторов: цены самого принтера, цены расходных материалов и объема их расходования на единицу изделия, и, конечно же, качество получаемого продукта-изделия. Исходя из этих соображений, был проведен анализ по подбору оптимального принтера. При этом руководствовались следующими критериями при выборе персональных 3Б-принтеров.

Цена. Сам по себе этот критерий особо роли не играет. Если покупка предназначена для того чтобы ознакомится с технологией, поэкспериментировать и понять, что вообще такое 3Б-печать, тогда лучше купить недорогой 3Б-принтер. Но при этом, такие параметры как качество изделий и их аккуратность, возможность напечатать сложные фигуры, износостойкость деталей могут быть утрачены. Если покупка 3Б-принтера предназначена для работы, или предъявляются требования к внешнему виду и уровню детализацию контуров изделия, то не стоит потерю таких параметров компенсировать низкой ценой. Но и не стоит гнаться за высокой ценой, чтобы быть уверенным в надежности аппарата. Поскольку технологии новые, у некоторых покупателей существует ряд сомнений перед приобретением техники и маркетологи об этом знают. И вот тут можно быть уверенным, что если настольный 3Б-принтер часто рекламируют, пишут о нем во всяких журналах, эксперты ставят положительные оценки - это обязательно отразится на стоимости принтера не в пользу покупателя, а по общей надежности и качеству печати он может уступить аппарату стоимостью дешевле. Ну и немаловажным при определении цены является тот факт, что у учебных заведений не достаточно высок, что не позволяет приобретать дорогостоящие аппараты

Расходные материалы. В 3Б-принтерах экстру-зионного принципа (большинство персональных/ настольных 3Б-принтеров) в качестве расходных материалов используют нить термопластика двух типов: ABS и PLA. Выбор типа пластика зависит от области применения моделей и возможностью 3Б-принтера работать с двумя (и более) типами пластиками, или только с каким-то одним. Конечно же, лучше когда принтер может работать с двумя и более видами пластика. Так принтер будет решать разные задачи в различных сферах.

Количество печатающих головок. Два и более экструдера (печатающие головки) означают, что принтер может печатать двумя и более цветами одновременно. И это конечно здорово. Также дополнительный экструдер можно использовать для материала поддержки. Например, вы печатаете из ABS-пластика, а в качестве материала поддержки используете пластик PLA или водорастворимый PVA. Если в изделиях применяются больше 3-5 цветов - то обычно в таких случаях их просто красят, и кол-во экструдеров уже не играют такой роли. В особых случаях, второй экструдер ценен для использования материала поддержки, если только принтер позволяет работать с более чем одним типом пластика. Стоит учитывать, что настройка двух и более цветной печати требует определенных навыков. И даже опытные пользователи испытывают ряд трудностей с этим.

Толщина слоя. Толщиной слоя определяют качество изделий. Чем тоньше слой (по оси Z) тем более детализировано (идеальнее) выглядит изделие. Толщину слоя принято описывать в микронах, 100 микрон = 0,1 мм. 100 мкм это примерно толщина одного листа бумаги. Если принтер печатает изделия толщиной слоя 250 микрон и более, такой принтер больше подойдет для многих бытовых задач по дому и для

развития ребенка. Но для работы, в которой вам нужно показать хороший результат, для изделий небольших размеров потребуется 100-150 микрон и меньше.

Скорость печати. Многие принтеры имеют функцию регулировки толщины слоя печати, что тесно связано со скоростью печати. Производители, описывая скорость принтера, указывают данные при настройке максимальной толщины. Например, 3Б-прин-тер печатает изделия толщиной 125 / 250 / 500 микрон. Выбрав толщину 500 микрон, скорость построения достигает 54 см3 в час. А при 125 микронах скорость падает до 25 см3 в час. Но большинство производителей в характеристиках будут указывать максимальную скорость. Для использования в образовательном процессе собственно неважно, займет печать изделия 8 часов или 7. Поэтому, скорость печати при выборе принтера стоит учитывать, но она не является определяющей.

Область печати. Для многих пользователей это очень важный критерий, но, к сожалению, не всегда реализуемый, если хочется печатать объекты сразу большого размера, а не собирать его по частям. И пока для большинства пользователей не только настольных, но и многих промышленных 3Б-принтеров -собирать изделия по частям единственная возможность получить необходимый большой размер.

Тонкости и сложности управления 3Б-прин-тером. Чаще всего, сложный принтер - это профессиональный принтер, освоив его, пользователь уже ничего сложного в управлении не видит. И чаще всего, принтер с профессиональными настройками/возможностями стоит немного дороже, чем принтеры с простыми настройками. Тут нужно отталкиваться от того, для чего вам нужен принтер и что вы хотите на нем печатать.

Конструкция 3Б-принтера. Конструкция принтера сильно влияет на качество печати изделий. Среди персональных, настольных, домашних, бытовых 3Б-принтеров можно выделить два принципиально разных типа конструкции. Первый - это когда печатающая головка и платформа перемещаются на круглых осях. Второй - печатающая головка и платформа перемещаются на прямоугольных направляющих. Также очень важно, чтобы в конструкции меньше было двигающих частей (чтобы не трясло), как бы меньше «посредников» было и отсутствие люфтов (зазоров между деталями). Добиться высокой точности и стабильности печати, легче будет с конструкцией второго типа. Там меньше люфтов и меньше лишних деталей. Конструкция более плотная.

Основываясь на выше сказанном, можно рассмотреть, как один из вариантов, следующий аппарат: UP Plus 2 3Б-принтер на сегодняшний день самый простой и доступный для домашнего пользования и, соответственно, для использования в образовательном процессе. Он оснащен полностью автоматизированной системой калибровки платформы, которая способна регулировать наклон и высоту, и даже расстояние между платформой и соплом экструдера. Принтер разработан для быстрой, профессиональной печати и адаптирован для массового использования. Одним из плюсов данного принтера заключается и в том, что

при отключении питания мотор плавно прекращает работу, а воздействие статического электричества значительно уменьшено за счет усовершенствованной системы проводки.

Данный вариант выбора принтера является ориентировочным и не является полностью оптимальным, но основные принципы подбора, описанные выше являются актуальными и не позволят совершить больших ошибок при подборе данного оборудования для использования в образовательном процессе.

Теперь хочется более подробно рассмотреть варианты использования технологии 3Б-печати в образовательном процессе, что само по себе открывает новые возможности как для преподавателей, так и для обучающихся [7]. До сих пор возможности современных технологий позволяли при обучении графическим и техническим дисциплинам смоделировать объект на экране монитора, оценить получившуюся единичную модель или сборку виртуально, что, в принципе, являлось достаточно большим прорывом по сравнению с традиционными «бумажными» технологиями.

Применение 3Б-печати дает возможность пойти еще дальше - создать вещественную копию моделируемого объекта. Это даст возможность не только рассмотреть проектируемую деталь, но и оценить другие её характеристики. Кроме этого, студентам будет продемонстрирован полный цикл создания изделия: от этапа проектирования, до этапа воплощения детали в конечном материале. К примеру, на занятиях по инженерной графике студенты, наиболее правильно смоделировавшие деталь в 3Б, смогут оценить её правильность, воспроизведя изделие в реальном материале. На занятиях по дисциплине «Детали машин» у студентов будет возможность не только рассчитать редуктор математически, смоделировать его на экране монитора, но и собрать его в реальном размере, либо в соответствующем масштабе. А мотивация студентов при работе на занятиях зависит от преподавателя: можно распечатать лучшее проекты, проекты наиболее сложные или наиболее экономичные и т. д.

Кроме этого, применение 3Б-принтеров в инженерном техническом образовании незаменимо в научно-исследовательской работе студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов.

Библиографические ссылки

1. Вольхин К. А., Лейбов А. М. Проблемы формирования графической компетентности в системе высшего профессионального образования // Философия образования. 2012. Т. 43. № 4. С. 16-22.

2. Каменев Р., Лейбов А. Технологии дистанционного обучения при изучении прикладных библиотек Ком-пас-3Б // САПР и графика. 2010. № 12 (170). С. 86-88.

3. Вольхин К., Лейбов А., Астахова Т. Анализ использования Компас-3Б в инженерном графическом образовании по итогам конкурсов в г. Новосибирске // САПР и графика. 2010. № 5 (163). С. 97-100.

4. Крашенинников В. В., Лейбов А. М. Применение в преподавании графических дисциплин технологий быстрого прототипирования // Технолого-экономическое образование в XXI веке. Материалы

II Международной научно-практической конференции. Т. 1. Новокузнецк : Изд-во КузГПА, 2005. С. 58-61.

5. Обзор технологий 3Б-печати [Электронный ресурс]. URL: http://www.orgprint.com/ru/wiki/obzor-tehnologij-3D-pechati (дата обращения: 07.09.2014).

6. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки 050100 Педагогическое образование (квалификация (степень) «бакалавр») [Электронный ресурс]. URL: http:// fgosvo.ru/ uploadfiles/fgos/5/20111207163943.pdf (дата обращения: 07.09.2014).

7. Касатиков А. Д., Лейбов А. М., Осокина О. М. Современные информационные технологии в педагогическом процессе технологических факультетов педагогических вузов//Современное машиностроение. Наука и образование. СПб. : Изд-во Политехнич. унта, 2014. С. 60-67.

References

1. Vol'hin K. A., Lei'bov A. M. Problemy' formirovaniia graficheskoi' kompetentnosti v sisteme vy'sshego professional'nogo obrazovaniia // Filosofiia obrazovaniia. 2012. T. 43. № 4. S. 16-22.

2. Kamenev R., Lei'bov A. Tekhnologii distan-tcionnogo obucheniia pri izuchenii pricladny'kh bibliotek Kompas-3D // SAPR i grafika. 2010. № 12 (170). S. 86-88.

3. Vol'hin K., Lei'bov A., Astahova T. Analiz ispol'zovaniia Kompas-3D v inzhenernom graficheskom

obrazovanii po itogam konkursov v g. Novosibirske // SAPR i grafika. 2010. № 5 (163). S. 97-100.

4. Krasheninnikov V. V., Lei'bov A. M. Primenenie v prepodavanii graficheskikh distciplin tekhnologii' by'strogo prototipirovaniia // Tekhnologo-e'konomi-cheskoe obrazovanie v XXI veke. Materialy' II Mezh-dunarodnoi' nauchno-prakticheskoi' konferentcii. T. 1. Novokuznetck : Izd-vo KuzGPA, 2005. S. 58-61.

5. Obzor tekhnologii' 3D-pechati [E'lektronny'i' resurs]. Rezhim dostupa: http://www.orgprint.com/ ru/wiki/obzor-tehnologij-3D-pechati (data obrashcheniia: 07.09.2014).

6. Federal'ny'i' gosudarstvenny'i' obrazovatel'ny'i' standart vy'sshego professional'nogo obrazovaniia po napravleniiu podgotovki 050100 Pedagogicheskoe obrazovanie (kvalifikatciia (stepen') "bakalavr") [E'lektronny'i' resurs]. Rezhim dostupa: http://fgosvo.ru/ uploadfiles/fgos/5/20111207163943 .pdf (data obrashcheniia: 07.09.2014).

7. Kasatikov A. D., Lei'bov A. M., Osokina O. M. Sovremenny'e informatcionny'e tekhnologii v pedagogicheskom protcesse tekhnologicheskikh fakul'tetov pedagogicheskikh vuzov//Sovremennoe mashinostroenie. Nauka i obrazovanie. SPb. : Izd-vo Politekhnicheskogo universiteta, 2014. S. 60-67.

© Каменев Р. В., Лейбов А. М., Осокина О. М., 2014

УДК 378.147.88

ОБ ОРГАНИЗАЦИИ ЛАБОРАТОРНОЙ СРЕДЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРОГРАММНЫХ СИСТЕМ

Ю. Б. Козлова

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: yulya_sib_gau@mail.ru

Рассматриваются проблемы организации лабораторной среды для проведения учебных занятий, связанных с изучением программного обеспечения. Представлен опыт проектирования лабораторной среды для изучения серверных операционных систем и результаты проектирования виртуального рабочего пространства для студентов вуза.

Ключевые слова: лабораторная среда, виртуализация, программное обеспечение.

ON ORGANIZATION OF THE LABORATORY MEDIUM FOR THE STUDY OF SOFTWARE SYSTEMS

Y. B. Kozlova

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail: yulya_sib_gau@mail.ru

Problems of the organization of the laboratory medium for studies related to the study of software are considered. Experience in designing a laboratory medium to explore server operating systems and the results of the design of the virtual workspace for the students of the university are presented.

Keywords: laboratory medium, virtualization, software.