Аддитивные технологии как средство повышения эффективности учебного процесса студентов архитектурно-строительных направлений подготовки

Широкое распространение информационных и коммуникационных технологий во всех сферах современной жизни требует внесения соответствующих изменений в процесс подготовки специалистов технических направлений. Постоянно возникают различные технологические новинки и научные инновации, своевременное внедрение которых в учебный процесс позволяет изучить новые способы проектирования и развить инновационное мышление. Развитию навыков профессионального мышления в архитектурно-строительной сфере деятельности способствуют системы компьютерного моделирования и визуализации на основе систем автоматизированного проектирования. Одной из актуальных тенденций проектирования и визуализации объектов материального мира является использование аддитивных технологий (от англ. Additive Technologies). В таблице приведены различные определения понятия «аддитивные технологии».

Таким образом, понятие аддитивные технологии состоит из следующих смысловых единиц: изготовление, класс процессов, создание объекта из данных модели, межотраслевые технологии, послойное нанесение материала, процесс объединения материала, добавление материала, цифровая модель, создание объектов из данных 3D-моделей, CAD-модель, преобразование данных, поступающих из CAD-системы.

Возникновение технологий послойного изготовления на основе трехмерной модели относится к середине 80-х годов прошлого века. Данные методы существенно отличаются от традиционного подхода к изготовлению изделия, основанного на удалении слоя материала заготовки путем механической обработки. Большинство подобных технологий (SLA (Stereo Lithography), SGC (Solid Ground Curing), SLS (Selective Laser Sintering), LOM (Laminated Object Manufacturing), DSPC (Direct Shell Production Casting), MJM (Multi-Jet Modeling) [2]) требуют применения дорогостоящего оборудования и применяются только в промышленности. Сырьем для изготовления могут служить пластик, бумага, керамические или металлические порошки и их связки различными способами (термическим, диффузионным, клеевым).

Лишь относительно недавно аддитивные технологии стали доступны широкой общественности в связи с распространением технологии FDM (англ. Fused Deposition Modeling) – послойной печати расплавленной полимерной нитью, которая может применяться для получения единичных изделий, приближенных по своим функциональным возможностям к серийным. Стоимость устройств FDM-печати, более известных сейчас как 3D-принтеры, снизилась до уровня, приемлемого для широкого использования в учебных заведениях и домашних условиях. Достаточно высокий уровень качества и производительности можно получить в устройствах стоимостью от 15 тыс. руб. С ростом цены устройства возможно увеличение производительности и расширение функциональных возможностей (например, использование двух и более материалов). Расходные материалы для данной технологии (пластики ABS, PLA, PETG, TPU, Nylon и др.) весьма разнообразны по функциональным возможностям и позволяют получить требуемые эксплуатационные характеристики из-

Инженерная геометрия и компьютерная графика

делия. Их стоимость находится в приемлемых рамках и составляет 1–2 тыс. руб. за 1 кг.

В связи с ростом доступности описанной технологии становится актуальным вопрос ее применения в образовательном процессе [6–9]. Рассмотрим основные возможности, предоставляемые аддитивными технологиями при подготовке студентов архитектурно-строительных направлений подготовки по дисциплинам «Начертательная геометрия» и «Инженерная графика» в Ижевском государственном техническом университете имени М.Т. Калашникова.

Одной из основных целей освоения курса «Начертательная геометрия» является формирование у обучающихся образно-пространственного мышления. Способность мыслить пространственными образами, возникшая как необходимость ориентации среди объектов материального мира, служит средством познания разнообразных предметов и явлений, а также является необходимым условием развития творческих способностей. Сформированное пространственное мышление становится базой развития специальных способностей и предпосылкой успешного овладения научно-технической деятельностью в целом и профессиональным мышлением в архитектурной деятельности в частности.

Развитие пространственного мышления у многих современных студентов вызывает комплекс психолого-педагогических проблем, связанных с развитием образной составляющей интеллекта. Наиболее эффективным путем решения описанных проблем является повышение наглядности представляемого материала. Существенным шагом в данном направлении является внедрение в учебный процесс компьютерного пре- зентационного оборудования, позволяющего с высоким качеством демонстрировать аудитории порядок выполнения геометрических построений и их результат.

Для части обучаемых, которым необходимо видеть материальную реализацию рассматриваемых в задачах абстрактных геометрических объектов, оценить их форму и геометрические особенности до начала выполнения собственных графических построений, повышению наглядности представления способствует использование трехмерных моделей исходных условий задач, подлежащих построению на аудиторных занятиях и полученных с применением аддитивных технологий. Совокупность таких моделей образует модельный фонд дисциплины. Для разработки трехмерных моделей применяются системы автоматизированного проектирования (КОМПАС-3D, SolidWorks). Оборудовать аудиторию необходимыми для обучения образцами и макетами, подготовленными путем печати на FDM-принтере, можно за короткий срок при минимальных затратах.

Список тем курса «Начертательная геометрия», в которых могут эффективно использоваться макеты, сформированные с помощью технологии 3D-печати, достаточно обширен:

– проецирование точки, прямой, плоскости;

– поверхности;

– нахождение проекций точек и линий на плоскостях и поверхностях;

– позиционные задачи:

построение проекций фигур с вырезами; пересечение прямой с поверхностью; пересечение поверхностей вращения.

К сожалению, есть и такие темы курса, которые ввиду сложности выполняемых построений не

Понятие «аддитивные технологии»

№	Определение	Автор
1	Аддитивные технологии предполагают изготовление (построение) физического объекта (детали) методом послойного нанесения (добавления, англ. – «add») материала, в отличие от традиционных методов формирования детали за счёт удаления (subtraction – вычитание) материала из массива заготовки	М.А. Зленко, М.В. Нагайцев, В.М. Довбыш [4]
2	Аддитивные технологии – класс процессов, которые автоматически создают сложные трехмерные физические объекты без инструментального их изготовления, путем преобразования данных, поступающих из CAD-системы	В.А. Валетов [2]
3	Аддитивные технологии (от английского Additive Fabrication) – обобщенное название технологий, предполагающих изготовление изделия по данным цифровой модели (или CAD-модели) методом послойного добавления (add, англ. – добавлять, отсюда и название) материала	М.А. Зленко, А.А. Попович, И.Н. Мутылина [5]
4	Аддитивные технологии – процесс объединения материала с целью создания объекта из данных модели, как правило, слой за слоем, в отличие от «вычитающих» производственных технологий	ASTM F2792-12a (American Society for Testing and Materials) 2012 [1]
5	Аддитивные технологии – это межотраслевые технологии получения трехмерных материальных объектов из цифровой модели путем послойного нанесения материала	В.А. Дресвянников, Е.П. Страхов [3]
6	Аддитивные технологии – это соединение материалов для создания объектов из данных 3D-моделей слой за слоем. Этим они отличаются от обычных субтрактивных технологий производства, подразумевающих механическую обработку – удаление вещества из заготовки	А.В. Уланов, И.И. Юров [10]

Жуйкова О.В., Ахмедзянов Э.Р.                                     Аддитивные технологии как средство повышения эффективности учебного процесса…

Рис. 1. Примеры макетов для занятий по начертательной геометрии

Рис. 2. Примеры сборных макетов для занятий по начертательной геометрии

подда ю тс я ре ал и зац ии в ви де м оде л и на те к у ще м э та пе ра з в и тия при меня ем ой тех нол ог и и.

М од ел и п ростра нств енн ых те л в бо л ьши нств е случа е в пе чата ются целико м бе з прим ене н ия под де рж и в ающ и х стр у к т ур, чт о с пос обс твует пов ы ш е н ию тех но л ог ичности изготов л е н ия и ка че ств а. П ри форм иров а ни и м оде л е й , с в яз а н ных с проеци р ован ие м точе к, прям ых и пл ос кос тей, а та кж е на пра в л е н ные на де м онстра цию при ме нен ия ме тодов реше ни я ряд а з а да ч, це л е с ообра з но в ыпол нять сб ор н ые м а ке ты из отде л ь ных э л е м е нтов , сое ди н яем ых с пом ощью к ле я или шт ифтов .

Н а ка фе дре «Ин ж ене рна я г ра фика и тех но л о гия ре кл а м ы » И ж е в ского госуда рс тв ен ного те хн и ч е с кого у ни в е рс итета им ени М. Т. К а л а шни ков а р а б оты п о форм иров а ни ю о пис анного м оде л ь ного ф он да в цел ом з а в е рше ны. Типичные размеры мо де л е й , вкл юча ющ и х п л ос к ос ти прое к ци й, – 100 мм , м оде л е й прос тра нс т в енны х те л – 70–80 мм. П ри не об х оди м ост и в х оде подготов к и к пе чати р а з м е р м оде л и м ож е т бы ть л е гко из м е нен в пр о-грамме- с л а йс е ре ( прим е н я л ис ь Cu ra и R e pe t i e r -Host). На рис. 1 и 2 пр ив е де ны прим е ры об раз цов мод ел ьног о фон да д ис ц и п л и ны «На че рта тел ь на я геометрия», в ып олне н ные ка к е д и ное це л ое, и сборные макеты.

Подход, основанный на использовании модельного фонда, созданного с помощью технологии 3D-печати, применим и на начальном этапе изучения «Инженерной графики». Цельные и разборные макеты деталей и сборочных единиц улучшают понимание следующих тем:

– построение изображений: виды, разрезы, сечения;

– виды соединений;

– чертеж детали;

– сборочный чертеж;

– элементы строительных конструкций.

Примеры образцов макетов по дисциплине «Инженерная графика» приведены на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Пример макета детали с иллюстрацией сложного ступенчатого разреза

Инженерная геометрия и компьютерная графика

Рис. 4. Макеты по теме «Виды соединений»

В на с тояще е в ре м я процес с форм иров а ния профес с иона л ь ны х ком петенц ий с т у дента м и ча с то за ка нч ив а е тся посл е ос в ое н ия те оре тиче с кого к урса и ре ше ни я ба з ов ы х з а дач прое ктирования, без пра кти чес кого прим е нени я полу че н ны х з нани й. П ри и зуче н ии и нж ене рной гра фик и в с е в бол ьшем о б ъ е ме при меняе тся ком пь юте рна я гра фи ка , позв ол яющая а втом а тизиров а т ь в ыпо л нение и повыси ть ка че с тв о че ртеж ей, а т а кж е ра з ра бота ть трехмерную модель прое кт ир у е м ого объ е кта . Больш и нств о в уз о в ис по л ьзу ют програ м м ные продукты оте че с т в е н ной и з а р уб е ж ной ра з ра ботк и, напра в л е н ные н а ре шение о пи санн ых з а да ч, та к ие как КОМПАС- 3 D, Au t oCA D, A rch i CAD, Sol i dW ork s и др. Получе н н ая в ре з у л ьтате в ыпо лнения задания трех ме рна я м оде л ь з на чител ьно пов ышае т на г л яд нос ть итог ов ого пос трое ния. Одна ко с оз дани е протот и па п рое ктир уе м ого объ екта является задачей, недос ту п н ой для бол ь ши нс т в а обучающихся. Применение 3D-пе чат и н а ос нов е FDM- т ехн ол оги и поз в оляет в о м ногом ре шить эт у пр об л е м у. К с ож а л ен ию, относ ител ьно ни з ка я скорос ть пе ча ти и м а л а я ра с прос тра не н нос ть да нной те хни к и в с ов ок у п нос т и с не которым и им еющ и м ис я техн и чес к им и огра ничени ям и п ока н е п озв ол яю т в н е д рить те хнол ог ии прототи пиров ания в у чеб н ы й п роце сс на ча л ь н ых к урс ов обучения в пол ном объ е м е, ког да ка ж д ый с т у дент б у д е т и м еть в озм ож н ость ра з ра бота ть и ре а л из ов а ть ра з ра батываемый объект «в материале».

В оз м ож нос ть с оз да ни я м акета ре а л ь ного объекта в большей степени важна при к урсов ом пр оект иров а ни и , ког да н е обх од и м о ре а л из ов ать т в орч е с ки й под х од , н ач и на я от пе рв она ча л ь ной и де и, ч е ре з на х ожде н ие ре шени я, к ре а лиз а ц ии готов ого прод у кта . Н а тек у ще м этапе тех н иче с кого ос нащ е н ия б о л ее ра ц иона льно й я в л яетс я сл е д у ющая схема: в ка ч е с тв е поощре н ия ст у де н та м , пе рв ым в ы п олни в ш им за д ан ие в п ол ном объ е м е, предостав ляе тс я в оз м ож нос т ь ре ал из ов ать с в о й прое кт путем 3D-печати на FDM-при нте ре в ка че ств е руков оди те ля. О с та л ь ные с т уде нты гр у п пы им е ю т в озм ож н ость при нят ь у ча с т ие в е го из готов л ении пу т ем форм иров а ни я м оде ле й и из готов л ен ия отде л ьн ы х э л е м е нтов конс тр у к ци и. Пос трое н ный в р е з у л ьтате прое кт иров а н ия объ е кт м ож е т в дальне йше м испол ьз ов атьс я в у че бном проце с с е в качестве образца (рис. 5).

Рис. 5. Составной макет здания

Аддитивные технологии в виде FDM-печати могут быть легко освоены студентами, имеющими навыки 3D-моделирования в системах автоматизированного проектирования. Для этого не требуется специальная подготовка, они достаточно безопасны, имеется широкий выбор соответствующего программного обеспечения, большая часть которого является бесплатным и легка в освоении. В результате университет, взявший на вооружение данные технологии, сможет готовить специалистов, способных выполнять реальные задачи, и тем самым повысить свой престиж. Также это сможет повысить творческие способности обучаемых и научить внедрять их проекты в реальную жизнь.