Аддитивные технологии в образовании реферат

Обновлено: 02.07.2024

Аддитивные технологии наращивают темпы внедрения в нашу жизнь. Все чаще можно увидеть предметы, в производстве которых использовались аддитивные технологии. В этой статье Вы узнаете что это, зачем это нужно и где это применяется.

Аддитивные технологии — это технологии наращивания и синтеза объектов. То есть это технологии, помогающие создать любую форму, используя порошок из металла.

Технология была разработана в 1990 году. Начальным развитием технологии является быстрое создание прототипов для оценки эргономических и эстетических особенностей будущей серийной модели. Несмотря на то, что технологии уже 30 лет, популярность она начала набирать в последние 10 лет.

Аддитивные технологии включают в себя множество методов с разными целями применения.

Говоря простым языком, это наращивание одного материала на другой посредством послойного наплавления лазером через сопло подачи порошка в порошковой камере. Говоря еще проще, это 3D-печать металлическим порошком.

Во-первых, это бесконечные возможности. То есть можно нарастить деталь любой формы. Например, создать деталь с огромным количеством конформных или интегрированных каналов для охлаждения в изготовлении пресс-форм или теплоотвода в двигателях внутреннего сгорания. Также напечатанные детали получаются легче на 60%, чем вырезанные классическим способом аналогичные детали. Это особенно важно в аэрокосмической и медицинской отраслях.

Деталь, обработанная классическим способом из цельного куска металла, и деталь, напечатанная на принтере

Во-вторых, это экономия на материалах. Наращивание металлическим порошком намного дешевле, нежели классическая обработка цельного куска металла.

В-третьих, это сокращение времени на разработку, потому что функциональные прототипы могут быть изготовлены буквально за день. Стоит отметить, что материалы можно использовать те же, что и при серийном производстве.

Основной принцип этого метода — послойное нанесение материала на уже существующую базу. Особенностью данного принципа является одновременное наплавление комбинации разных материалов посредством лазера. Говоря проще, лазер плавит металлический порошок образуя дорожки. Множество дорожек образуют сплошной слой.

1. Создание детали с нуля. Последовательное наплавление дорожек друг на друга для создания сплошной структуры.

2. Нанесение материалов на существующие. После изготовления детали необходимо нанести антикоррозийный или износостойкий слой на поверхность детали. При помощи лазерной сварки наплавлением данный слой будет наиболее долговечным, нежели традиционное напыление.

3. Ремонт деталей. Зачастую дорогостоящая деталь ломается по той или иной причине. Разработка и вытачивание детали с нуля долго и дорого, а деталь нужна здесь и сейчас. Благодаря возможности наплавления слоя на уже существующую деталь (в нашем случае на поврежденную), отремонтировать деталь можно быстро и недорого.

4. Создание трубчатых структур. Наплавление производится слоями, тем самым можно нарастить трубчатую изогнутую структуру любой формы. Металлические, легкие и изогнутые трубки пользуются огромным спросом в аэрокосмической отрасли, где все зависит от веса и прочности каждого элемента конструкции.

5. Комбинация материалов и создание градиентных. Исходя из технологии, через 2 сопла подается 2 металлических порошка, которые плавятся под действием лазера. Это редкая возможность комбинировать 2 металла для создания детали, которая будет обладать преимуществами каждой из них.

Разберем пример создания коленного импланта. Для начала фрезеруется деталь-платформа для коленного импланта (она гладкая и глянцевая на детали). Это занимает ровно 12 минут на 1 деталь. После чего на эту платформу наращивается основная часть импланта. За 9 часов можно нарастить 9 имплантов.

Таким образом, за 9 часов и 12 минут будут готовы импланты, которые вернут людям возможность ходить. Кстати, верхний коленный имплант (над красным кругом) также был напечатан на станке, однако фрезерная обработка была совершена после печати, а не до в сравнении с нижним коленным имплантом.

Аддитивное производство активно применяется в авиакосмической отрасли, потому что можно создавать легкие компоненты необычных форм, с возможностью комбинации материалов для улучшений свойств, таких как теплопроводность и прочность деталей. Для получения идеальной детали необходимо применять иную обработку. В галерее Вы можете увидеть поэтапное создание корпуса турбины для авиастроения.

Подытожим. Аддитивное производство развивается стремительными темпами, дополняя традиционное создание деталей, а местами даже заменяя его. Уже в ближайшем будущем найдутся решения, которые обратят недостатки наращивания деталей в преимущество, и тогда уже можно будет говорить о полноценной замене традиционной фрезерной и токарной обработке.

На сегодняшний день мы имеем следующие общие преимущества и недостатки, связанные с аддитивными технологиями.

1. Создание объекта всего за одну процедуру печати.

2. Возможность создания объектов, которые невозможно сделать при традиционной обработке. Например, полые изнутри объекты, часто применяемые в изготовлении протезов.

3. Построение объектов любой сложности, с минимальными временными затратами на приготовление процесса из-за отсутствия необходимости в разработке технологического процесса.

4. Построение объекта, элементы которого сделаны с использованием разных материалов.

1. Из-за особенности наращивания деталей в структуре могут быть мелкие поры, которые недопустимы для хранения некоторых жидкостей, например, гелия.

2. По сравнению с цельным куском металла, который был обработан точением и сверлением, наращенный металлический порошок имеет сравнительно меньшую прочность из-за своей структуры.

3. Дорогостоящие расходные материалы. При наращивания используется большое количество металлического порошка, а также инертных газов.

4. При быстрой печати возможны неточности в производстве, которые в последствии необходимо устранять традиционной обработкой.

5. Деталь имеет множество лишних структур, нужные в качестве поддержки. Решается эта проблема при помощи фрезерного/токарного станка или ручной обработкой. Некоторые станкостроительные компании предлагают гибридные станки, сочетающие в себе аддитивные и фрезерные технологии.

Спасибо специалистам из DMG MORI за консультации по теме аддитивных технологий.

Офигенно, спасибо! Очень интересно.
А можно следующую статью про выращивание монокристаллов? Насколько я понимаю, там как раз получается добиться максимальной жесткости структуры. Смотрел видео про историю металлообработки и там в конце рассказывали как выращивать форсунки авиационных турбореактивных двигателей.
Аддитивные технологии на молекулярном уровне сулят фантастическими прорывами в технологиях.

А как такие изделия в плане сопромата?

Основная задача аддитивных технологий - получить деталь нужной (сложной) формы как можно быстрее с относительной плотностью максимально близкой к 100%. Механические свойства определяются химическим составом материала и его структурой. Хим. состав у нас зависит от порошка - считаем что мы сравниваем один и тот же материал что при аддитивном производстве, что при традиционном. Далее говорим о структуре - тут мы имеем возможность провести термообработку и получить ту структуру которая необходима.
Поэтому:
1. При сравнении с литыми изделиями - механические свойства выше.
2. При сравнении с конструкционными изделиями - механические свойства находятся приблизительно на одном уровне, могут немного отличаться как вниз так и вверх. Однако при аддитивном производстве сейчас идет переработка всех сплавов, и это означает что те материалы, которые было трудно обрабатывать резанием и они не использовались, но имеют отличные механические характеристики, можно использовать для 3D печати. Поэтому аддитивным методом мы имеем возможность получать изделия с более высокими механическими характеристиками.

Актуальными направлениями развития аддитивных технологий в РФ и за рубежом являются [1]:

— разработка новых материалов и совершенствование методов испытаний механических, технологических и структурных свойств изделий, полученных с применением аддитивной технологии;

— разработка новых и совершенствование известных аддитивных технологий;

— разработка и совершенствование программного обеспечения класса CAD, CAM, CAE для обеспечения потребностей аддитивного производствах на всех этапах подготовки производства;

— разработка и развитие системы стандартов для аддитивного производства;

— подготовка кадров для аддитивного производства.

Цель данной статьи — обзор и анализ известных примеров внедрения аддитивных технологий в систему подготовки молодых кадров для аддитивного производства, основанный на мировой практике и практике российских колледжей и вузов.

Построение системы образования, в частности, разработка новых образовательных программ основывается на потребности производства. Потребность производства может быть связана с поддержкой существующего производства; с созданием нового производства, основанного на традиционных технологиях; с созданием и развитием нового производства, основанного на внедрении инновационных технологий. Наиболее важной характеристикой инновационной технологии является повышение эффективности действующего производства. Под эффективностью понимается получение дополнительной ценности (прибыли, опережения, лидерства и т. п.). Аддитивные технологии в полной мере могут быть названы инновационными технологиями, с учетом, что при определенной степени сложности изготавливаемой детали сложность перестает влиять на ее стоимость (рис. 1). Овладев инновационной технологией в совершенстве, становится возможным успешно ее применять и получать при этом дополнительный эффект, например, экономический.

Рис. 1. Рентабельность в аддитивном производстве [4]

Аддитивные технологии являются мультидисциплинарной предметной областью, что приводит к необходимости организации теоретического и практического образования в аддитивном производстве для студентов или специалистов предприятий [5, 6]. По мере того, как увеличиваются объемы рынка аддитивного производства [3], аддитивные технологии проникают в образование; начинают появляться образовательные программы, направленные на подготовку молодых кадров — специалистов среднего звена (техников), бакалавров и магистров.

По мнению авторов работы [4], образование в области аддитивного производства должно включать в себя следующие аспекты:

— определение значимых показателей для аддитивного производства с учетом экономических и технических аспектов;

— понимание аддитивных технологий производства;

— применение аддитивных правил проектирования;

— подготовка 3D-модели к аддитивному изготовлению;

— разработка и применение методов постобработки;

— разработка и применение методов обеспечения качества.

Каждый из перечисленных аспектов связан с освоением достаточно большого объема теоретических и практических знаний. В свою очередь, это приводит к появлению моделей внедрения аддитивного производства в сферу образования. Приведем несколько из известных моделей [4, 7, 9, 10, 11]:

— преподавание аддитивного производства как отдельной общеобразовательной дисциплины, включенной в образовательную программу подготовки бакалавров либо магистров;

— преподавание аддитивного производства как отдельного односеместрового модуля, включающего в себя набор дисциплин; модуль включен в образовательную программу подготовки бакалавров;

— преподавание аддитивного производства основано на проблемно-ориентированном подходе [8] либо проектно-ориентированном подходе [9] и совмещено с односеместровым обучением в рамках образовательной программы подготовки бакалавров;

— преподавание аддитивного производства представлено в виде полноценной семи- либо восьмисеместровой образовательной программы подготовки бакалавров [10];

— преподавание аддитивного производства осуществляется в рамках узкоспециализированной одно- либо двухгодичной образовательной программы магистратуры [11–14];

— применение аддитивных технологий для поддержки преподавания одной либо нескольких дисциплин, включенной в образовательную программу бакалавриата [4].

География университетов, предлагающих одну из выше представленных моделей преподавания, представлена в таблице 1.

Анализ представленных в таблице 1 результатов поиска образовательных программ бакалавриата, связанных с аддитивными технологиями, показывает, что аддитивные технологии представлены в трех- либо четырехгодичных программах бакалавриата зарубежных вузов отдельными дисциплинами, модулями либо семестровыми курсами. От образовательной программы к образовательной программе меняется форма преподавания; совмещение с проектными подходами в обучении и направленность программы в целом: включение либо исключение специализации у молодого специалиста — выпускника бакалавриата.

Приведем несколько примеров построения обучения аддитивным технологиям в бакалавриате.

1. Фрайбергский технический университет (Германия) [15].

2. Обернский университет (Auburn university, г. Оберн, Алабама, США) [16].

В Обернском университете студенты традиционной четырехлетней образовательной программы бакалавриата могут дополнить свое образование дополнительным образованием — образованием по аддитивному производству. Дополнительное образование предоставляется структурным подразделением данного университета — Национальным центром передового опыта в области аддитивного производства инженерного колледжа Сэмюэля Джинна. Данный колледж входит в структуру университета. Студенты могут получить сертификат по аддитивному производству, пройдя три связанных курса в качестве технических факультативов.

3. Массачусетский технологический институт (MIT, г. Кембридж, США) [17].

4. Университет прикладных наук г. Цюрих (Швейцария) [4].

5. Московский политехнический университет (РФ) [18].

Отметим еще один очень распространенный аспект внедрения аддитивных технологий в высшем образовании на уровне бакалавриата — применение аддитивных технологий для поддержки преподавания одной либо нескольких дисциплин из одной предметной области.

Дисциплины, в которых применяют аддитивные технологии для обеспечения их преподавания [9] в зарубежных вузах, представлены в таблице 2.

с применением аддитивных технологий

Модели дыхательных путей, кости,

сердце, легкие, хирургическая модель гортани и т.п.

Модели протезов, хирургические шаблоны и т.п.

Переход на следующую ступень высшего образования — магистратуру приводит к тому, что образовательные программы по аддитивному производству преобразуются и становятся узконаправленными; их количество изменяется в сравнении с программами бакалавриата (таблица 1). В РФ за период с 2018 года наметился рост программ магистратуры по аддитивным технологиям. И если в 2018 году вузами РФ предлагались только 3–4 программы в магистратуре, то в 2021 году — 11. По географическому расположения вузов, предлагающих программы магистратуры, лидирует Москва, далее следует Санкт-Петербург, Самара, Новосибирск и др.

Модель построения образовательной программы магистратуры у всех вузов РФ практически одна и та же: выделить предметную область, составить перечень дисциплин, обеспечивающих студента необходимым объемом знаний, навыков и умений, достаточных для написания магистерской диссертационной работы и имеющих практическую ценность и теоретическую значимость для студента. Приведем несколько примеров построения магистратуры по аддитивным технологиям в вузах РФ и за рубежом.

1. Университет Ноттингем (The University of Nottingham, г. Ноттингем, Великобритания) [19].

— оценки возможности применения технологий аддитивного производства;

— применения технологий при реализации проектов;

— проектирования устройств с применением аддитивного производства;

— выполнения индивидуальных исследовательских проектов;

— рецензирования, анализа и представления научных результатов.

2. Европейская ассоциация ведущих университетов, предприятий и исследовательских центров (EIT Manufacturing (EITM), г. Париж, Франция) [20].

Особенность образовательной программы связана с моделью ее реализации: первый год обучения студенты проводят в одном из университетов — Aalto University (Aalto), Финляндия, University of Applied Sciences and Arts of Southern Switzerland (SUPSI), Швейцария, Politecnico di Milano (POLIMI), Италия; второй год обучения — Aalto University (Aalto), Финляндия, Technische Universität Wien (TU Wien), Австрия, University College Dublin (UCD), Ирландия.

3. Уппсальский университет (Uppsala University, г. Уппсала, Швеция) [21].

Двухгодичная образовательная программа по аддитивному производству данного университета предоставляет возможность получить теоретические знания процессов аддитивного производства и 3D-печати, а также практические навыки их применения для решения реальных проблем.

Процесс обучения включает в себя лекции, практические занятия, семинары и проекты. Большую часть времени студенты затрачивают на самостоятельную работу, направленную на освоение образовательной программы. Самостоятельная работа выполняется студентами либо индивидуально, либо в учебной группе, но за пределами аудиторий. Поэтому важную роль играет самоорганизация своего обучения. Программа реализуется на английском языке.

4. Московский политехнический университет (РФ) [22].

5. Сколковский институт науки и технологий (РФ) [23].

Выводы и прогноз

Выполненный анализ моделей подготовки бакалавров и магистров в системе высшего образования в университетах РФ и за рубежом позволяют сделать выводы и спрогнозировать развитие в данной области.

1. Мировая практика внедрения аддитивного производства в высшем образовании весьма разнообразна. В большей степени в зарубежных вузах реализуются программы магистратуры в области аддитивных технологий.

2. Полноценные программы бакалавриата по аддитивным технологиям в зарубежных вузах встречаются реже в сравнении с программами магистратуры; отдается предпочтение в пользу программ бакалавриата, направленных на подготовку специалистов по производственным технологиям. При этом освоение основ аддитивного производства интегрируется в традиционные программы бакалавриата через дополнительное образование (от 3 до 14-недельных курсов по аддитивным технологиям) либо через проектноориентированную деятельность.

3. В РФ начинает формироваться система подготовки молодых кадров для формирующейся отрасли аддитивного производства, охватывающей к настоящему времени СПО и высшее образование (на уровне бакалавриата и магистратуры). Вузы, в которых не первый год реализуются образовательные программы по аддитивным технологиям в бакалавриате и магистратуре, накопили практический опыт разработки программы и методический опыт преподавания специализированных дисциплин и организации практик.

4. В СПО в подготовку техников вовлечены на сегодняшний день 25 колледжей, работающих по единому ФГОС и реализующих примерно равнозначные образовательные программы.

5. Прогнозируется, что в ближайший год-два в России может появиться федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования — бакалавриат, направленный на подготовку молодых кадров в области аддитивных технологий. Весьма сложно спрогнозировать направление подготовки, к которому будет привязан данный ФГОС из-за высокой степени инновационности аддитивных технологий, их междисциплинарности и универсальности в части практического применения.

П.А. Петров, Б.Ю. Сапрыкин, М.А. Петров, Д.А. Гневашев

Московский политехнический университет,

Литература

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 4-2021

Аддитивные технологии в системе среднего профессионального и высшего образования, Московский политехнический университет, журнал "РИТМ машиностроения" № 4-2021

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

Статья относится к принтерам:

Современные стандарты обучения формируются с учетом тенденций развивающегося мира. Сейчас многие школы активно внедряют в базовую программу дополнительные модули связанные с новыми технологиями. Так, ориентируясь на образовательный стандарт, где прописано, что дети должны ознакомиться со станками цифрового производства, которым является 3D принтер, в школе №151 города Красноярска решили внедрить обучение 3D моделированию и печати на уроках технологии. Расскажем, что из этого вышло.)

В 2017 году в школе №151 города Красноярска был открыт технологический класс, задачей которого было создать условия для обучения детей цифровым технологиям. 3D принтеры были в списке оборудования, которым школа хотела оснастить свой класс.

К нам за консультацией обратился Никита Данилюк, учитель технологии из этой школы, победитель конкурса "Учитель года грода Красноярск 2019". Основной вопрос был даже не в выборе 3D принтера, а в том, что на нем делают в школе, есть ли опыт работы со школами, разработаны ли какие-то программы обучения в других школах. Стоит отметить, что в Красноярске на тот период было не так много школ, оснащенных 3D принтерами, чтобы обменяться опытом. А наша компания была спонсором проведения WorldSkills в городе Красноярске, помогала в проведении Олимпиады 3D образование в городе Железногорске и плотно сотрудничала со школами, проводя обучение учителей работе на 3D принтерах.

Сейчас 3D принтеры Hercules гармонично вписывается в образовательную программу школы и помогает в реализации многих школьных проектов.

Знакомство с 3D печатью начинается с 5го класса. Под руководством преподавателя каждый ученик 5го класса пробует себя в этом деле: создает модель и распечатывает небольшой объект, например, маленькую букву, это формирует понимание технологии. В 7ом же классе ребята уже выбирают и печатают изделие, которое может быть использовано в жизни. Как правило, это проекты социальной направленности, например предметы для игр и обучения младших классов.

В 8 классе ученики готовят итоговый творческий проект, где одним из критериев является использование 3D принтера хотя бы для небольшой детали. Так как ребята всегда подходят к выполнению творчески, у них обязательно получается что-то интересное - и тут начинается работа по поиску необходимой информации и подбору настроек для получения нужной детали.

Ученики используют аддитивные технологии не только на уроках труда. Благодаря появлению 3D-принтеров, у детей появилась возможность воплощать свои уникальные идеи с помощью 3D-печати. Теперь доклады для конференций и проекты для олимпиад дополняются наглядными моделями, многие ребята становятся призерами и победителями конкурсов. Никита Данилюк поделился с нами успехом своего ученика из 11го класса, который едет на итоговый этап Всероссийской олимпиады школьников с проектом почти полностью выполненном на 3D принтере.

В другие предметы 3D принтеры тоже вносят свой полезный вклад. Современная программа образования развивается достаточно быстро, иногда дополнительных материалов по определенной теме еще нет в школе. Поэтому сами учителя печатают наглядные модели для демонстрации различных процессов и механизмов по темам уроков. Это помогает дополнительно вовлечь учеников в изучаемую тему, ведь в школе ученики постоянно находятся с учителем, особенно если он начинает какую-то деятельность. Таким образом, ученик не просто смотрит на демонстрационную модель, а сам участвует в процессе создания, разбирается в структуре, расположении элементов и принципах работы. Дети и самостоятельно стараются вносить свой вклад, так ученики 5го класса для своего доклада по биологии напечатали слона, доклад был более ярким и дети показывали как у модели шевелятся ноги и уши."

3D принтер вполне можно назвать элементом метопредметного образования в школе, ведь он позволяет не просто изучить какую-то тему, а воплотить проект в реальность и испытать его. А это то, что так важно в образовании - научиться применять в жизни свои знания.

И главное, это очень интересно детям, а там, где интересно там лучше запоминается и проще изучается.

Полное видео про опыт школы №151 на канале Аддитивная кухня:

Много полезного видео для пользователей 3D принтеров Hercules и не только на нашем Youtube канале

Дресвянников Владимир Александрович 1 , Страхов Евгений Петрович 2
1 Пензенский государственный университет, д.э.н., к.т.н., профессор кафедры менеджмента и экономической безопасности
2 Пензенский государственный университет, аспирант

Введение

Одним из значительных достижений 5 технологического уклада и 3 промышленной революции являются аддитивные технологии (АТ). Их практическое применение в настоящее время находится в стадии роста как количественного – увеличение масштабов деятельности, так и качественного – совершенствование оборудования, материалов и способов формообразования, повышение точности, конструктивной сложности изделий, производительности труда, снижение себестоимости продукции.

Однако теоретическое и методологическое обеспечение этой новой технологии изготовления изделий сконцентрировано на технических проблемах, а теория экономики и менеджмента, что характерно для радикальных инноваций, значительно отстает. Внимания ученых в настоящее время требуют следующие аспекты:

– формирование понятийной базы АТ, их классификация;

– анализ направлений использования АТ;

– разработка теоретико-методологических основ формирования экономических отношений участников рынка, управления использованием и развитием АТ в реальном секторе экономики;

– создание теории и методологии управления проектами освоения АТ на предприятиях.

В рамках данной статьи объектом нашего исследования являются АТ как радикальные технологические инновации. Предметом – существенные свойства и анализ развития АТ. При этом используются формально-логические, хронологические и статистические методы исследования.

Рассмотрим ряд определений:

1. Аддитивное производство (АП, также AM – от англ. additive manufacturing) представляет собой класс перспективных технологий кастомизированного производства деталей сложной формы по трехмерной компьютерной модели путем последовательного нанесения материала (как правило, послойного) – в противоположность так называемому вычитающему производству (например, традиционной механической обработке) [2].

4. 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 [5].

6. Аддитивное производство; АП (аддитивный технологический процесс) (additive manufacturing): Процесс изготовления деталей, который основан на создании физического объекта по электронной геометрической модели путем добавления материала, как правило, слой за слоем, в отличие от вычитающего (субтрактивного) производства (механической обработки) и традиционного формообразующего производства (литья, штамповки) [7].

Таким образом, в содержание понятия аддитивные технологии (АТ) входят смысловые единицы:

– деталь сложной формы; физический объект; трехмерный физический объект;

– послойное нанесение материала; последовательное нанесение материала; добавление материала;

– цифровая модель; CAD-модель; преобразование данных; поступающих из CAD-системы;

Исходя из этого, можно дать следующее определение: аддитивные технологии – это межотраслевые технологии получения трехмерных материальных объектов из цифровой модели путем послойного нанесения материала.

Представленное понятие является основой для построения онтологии знаний исследуемого объекта посредством формализованного представления основных понятий, входящих в его содержание, связей и отношений между ними, что позволяет перейти к их классификации и к созданию методологии управления практической деятельностью по изготовлению реальных объектов методами и способами 3D-печати, что является предметом отдельного исследования.

Анализ развития аддитивных технологий

С целью определения потребности в дальнейших теоретических исследованиях АТ интерес представляет оценка стадии их развития.

Исследуем и формализуем жизненный цикл АТ, представляя данные в табличной форме (Таблица 1).

Таблица 1 – Хронологический анализ изобретения и промышленного использования АТ (разработано авторами)

Выход на коммерческий рынок в 1991 г.

Цена снижена по сравнению с предыдущими принтерами.

* Обзор сделан по источникам [3, 8, 9].

Согласно данных таблицы 1 временной лаг аддитивных технологий как инновации от создания первых принтеров-образцов, печатающих прототипы и модели в единичном экземпляре, до промышленных принтеров, которые перешли от прототипирования к изготовлению изделий в серийном производстве составил порядка 20 лет. Для сравнения укажем, что для предшествующей 3D-печати другой инновационной технологии – обработка изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ), это лаг в два раза короче – около 10 лет: Джон Т. Парсонс, профессор Массачусетского технологического института в конце 40-х годов разработал первое оборудование с ЧПУ, а начало массовой эксплуатации станков с ЧПУ относится к концу 50-х годов [10]. С нашей точки зрения, это объясняется тем, что технологии ЧПУ совершенствовали существующие традиционные технологии механообработки, используя те же самые физические принципы, а АТ являются радикальной инновацией, основанной на новых принципах изготовления изделий и представляют собой замещающие технологии.

В настоящее время в развитых странах технологии 3D-печати, как, в частности, свидетельствуют статистический (Рисунок 2), публикационный (Рисунок 3) и хронологический анализ (Таблица 1), пройдя фазу зарождения инновационного цикла, вышли на фазу роста. Происходящие изменения коснулись многих отраслей промышленности и, в недалеком будущем, как утверждают аналитики, в корне изменят существующую экономическую систему.

Так согласно отчета Wohlers Associates, которая отслеживает развитие 3D-печати с 1980 года, в последние годы в мировой экономике наблюдается значительный рост применения аддитивных технологий – с 3,07 млрд долларов США выручки в 2013 г. до 12,8 млрд долларов к 2018 г. и, в прогнозе, более чем 21 млрд долларов к 2020 г. Хотя Wohlers Report в 2013 прогнозировал, что к 2021 году индустрия 3D-печати вырастет до 10,8 млрд долларов [11]. На рисунке 2 желтым цветом представлена диаграмма прогноза 2013 г., синим – фактические данные и текущий прогноз на 2018 – 20120 гг.

Рисунок 2 – Динамика мирового роста 3D-печати

Проведенный нами анализ средствами Google Trends показал значительный рост поисковых запросов в сети Интернет на тему 3D-печати с 2004 по 2018 г. На рисунке 3 представлена кривая запросов, при этом по оси ординат числа обозначают уровень интереса интернет-пользователей к теме, так в январе 2004 г. он был равен 11 ед., а в феврале 2017 г. – 100 ед., что говорит о наивысшем уровне популярности запроса.

Рисунок 3 – Динамика мировой популярности интернет-запросов по теме 3D-печати с 2004 по 2017 гг. (разработано авторами)

Таким образом, несмотря на то, что интерес со стороны потенциальных пользователей 3D-печати является динамичным с повышением и снижением интереса, общий тренд положителен.

Заключение

Согласно проведенного анализа, АТ в настоящее время находятся на стадии роста инновационного цикла, что обеспечивается экономической целесообразностью их применения по критериям производительности, точности, качества изготавливаемых изделий. При этом интерес к АТ с положительной динамикой роста проявляют как производители, так и потенциальные потребители 3D-продукции.

Таким образом, можно сделать вывод об актуальности разработки специализированной теории и методологии аддитивных технологий с учетом особенностей российской экономики, что, в частности может явиться темой диссертационного исследования. Отсутствие такой теории приводит к невозможности подготовки высококвалифицированных технических и управленческих АТ-специалистов, а также сложности создания и реализации инновационных проектов освоения АТ, что обуславливает технологическое отставание России от передовых стран [12, 13].

1. Трудоустройство подготовленных специалистов АТ.

2. Трансфер созданных знаний.

3. Продажа объектов интеллектуальной собственности: дизайн изделий, конструкторско-технологическое решение, программное обеспечение для изготовления изделий АТ.

При этом необходимо учитывать региональные особенности экономики: ее структуру, характеристики предпринимательства, потребительских рынков, меры государственной поддержки.

[1] Применяются также и другие термины: Additive Fabrication (AF), Additive Processes, Additive Techniques, Additive Layer Manufacturing, Layer Manufacturing и Freeform Fabrication

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

В беседе были затронуты следующие темы:

профессиональные образовательные стандарты;

создание научной лаборатории в стенах вуза.

Хотите изучить тему глубже? Скачайте видеозапись онлайн-конференции iQB Technologies 3D-технологии в образовании и НИОКР: опыт и прогнозы экспертов – 2022

Профстандарты и программы обучения 3D-технологиям в России

– Павел Александрович, как давно в Московском Политехе действует образовательная программа по аддитивным технологиям?

Основная ее идея заключалась в том, чтобы за четыре года обучения сформировать у студентов бакалавриата универсальные технологические компетенции в сфере 3D-технологиий: и сканирования, и моделирования, и печати. Конечно же, на уровне инженера, специалиста, который относится не к среднему звену на предприятии. Далее мы посмотрели на процесс формирования образовательной программы, а также изучили, что происходит в мире профессиональных образовательных стандартов.

– Когда в России появился профессиональный стандарт подготовки специалистов по аддитивному производству?

– Первый такой стандарт появился где-то на рубеже 2014-2015 годов. Насколько мне известно, в 2020 году он был переутвержден, в нем появились многие интересные характеристики – например, квалификационные уровни, которые позволяют по данному стандарту принимать работы выпускников вузов с квалификацией бакалавр и магистр.

знать и уметь пользоваться численными методами, востребованными в АП;
уметь разрабатывать и совершенствовать технологические процессы АП;
уметь оптимизировать, в том числе на основе принципов бионического дизайна форму инструмента и изделия;
уметь подбирать оборудование для реализации технологических процессов и проектировать производственные участки в профессиональной области;
уметь организовывать НИР и ОКР для развития проекта;
уметь применять специализированные программные комплексы для технологического моделирования и оптимизации технологии в профессиональной области;
уметь разрабатывать самому и в составе проектной команды проект от идеи до функционального прототипа в профессиональной области.

– Как реализуются программы подготовки по 3D-технологиям в вузах, в том числе в Вашем?

Если говорить о высших школах, то прямого образовательного стандарта на сегодняшний день нет. Насколько он проработан или прорабатывается, сказать не могу. Хочу отметить, что разные вузы, так или иначе занимающиеся аддитивными технологиями и внедряющие на своих площадках образовательные программы либо отдельные курсы по этой тематике, привязывают их к различным направлениям подготовки (если речь идет о полноценной программе бакалавра или магистра).

Реализация сложных проектов, проведение исследований – как прикладных, так и фундаментальных – и синтез этих знаний используются при реализации отдельно взятых дисциплин в образовательной программе

Когда начинается специальность?

– Эта программа действует в Московском Политехе уже без малого шесть лет. Первый выпуск состоялся в 2018 году, в 2021-м мы выпускаем уже четвертый набор и готовимся к новой приемной кампании. Сейчас у нас студенты учатся на 4, 3, 2, и 1 курсе.

Бакалавриат по аддитивным технологиям рассчитан на 4 года обучения (8 семестров), специализация начинается с первого курса.

В середине обучения, где-то к 6-му семестру, студенты на 100% погружены в специализированные дисциплины. Начиная с 5-6 семестров предполагается, что студенты уже начинают прорабатывать материал для своей основной работы, которая так или иначе связана с аддитивными технологиями, с их практическим применением, с разработками каких-то новых концепций и интересных решений для усовершенствования существующих технологий или повышения их эффективности. Либо предлагают что-то новое и свежее.

– Какая концепция лежит в основе обучения будущих бакалавров?

– Основные смысловые блоки программы (см. рис. 2) связаны с изучением материалов, проектов, проектного управления и интеллектуальной собственности, обратным инжинирингом, аддитивными технологиями и инструментами, которые позволяют выйти на разработку новых концепций для существующих решений.

Здесь речь идет о методах и инструментах теории решения изобретательских задач, которой уделяется достаточно много внимания, поскольку в этом инструментарии видится достаточно много полезного в части анализа текущего состояния рынка (в частности, рынка патента) и уровня развития технологий.

Соответственно анализ, переходящий в синтез, позволяет привить студентам определенные навыки. А они, в свою очередь, дают возможность не только применять технологии для получения каких-то изделий, но также и размышлять о том, каким образом можно повысить эффективность существующих технологий.

На втором уровне можно выделить с большей детализацией те группы дисциплин, которые вложены в образовательную программу. Как видите, здесь появляются и базовые инженерные дисциплины, и экономические, и общекультурные, повышающие уровень коммуникабельности студентов.

Научная лаборатория в стенах вуза: с чего начать?

– Во многих российских вузах есть лаборатории аддитивных технологий. Московский Политех – не исключение.

– Да, у нас есть подразделения лабораторий, работающие с аддитивными технологиями. Одна из них специализируется на отработке и реализации студенческих проектов, а вторая занимается выполнением научно-исследовательских проектов. Соответственно, первая лаборатория укомплектована персональным, настольным оборудованием, вторая – оборудованием профессиональным и промышленным.

– Приступая к созданию лаборатории, что нужно учесть?

– Прежде всего следует задать себе три вопроса:

С какими материалами планируется работать?

Какая тематика НИР- и ОКР-проектов?

Есть ли в соседних лабораториях вспомогательное оборудование?

– Павел Александрович, интересно услышать рассказ о проектах Ваших студентов.

– Сейчас у нас выполняются несколько проектов, и я сделал попытку их классифицировать по смысловым блокам образовательной программы.

1. Устройство для определения свойств материала образцов, полученных с применением аддитивных технологий. Это в чистом виде изучение технологических свойств материалов.

2. 3D-печать низкотемпературным пластиком. Кейс связан с разработкой и коммерциализацией решений на основе FDM-подобной технологии. Проект исследует обработку низкотемпературного пластика, в частности, воскоподобного термопластика, позволяющего изготавливать восковки для последующего применения в технологиях литья по выплавляемым моделям. При этом технологический цикл литья по выплавляемым моделям не изменяется, и изделие, полученное на 3D-принтере, на 100% заменяет восковку, которая могла бы быть создана по классической технологии.

4. Микрошнек для 3D-печати термопластичным материалом. Здесь упор делается на обработку высокотемпературного пластика. Данный кейс в большей степени направлен на разработку конструкции микрошнековой 3D-печатающей головки, которая позволяет работать не с филаментом, а с гранульным материалом.

Также я хотел бы представить фрагменты выпускных квалификационных работ, которые представлялись на защиту начиная с 2018 года.

На правой нижней фотографии (рис. 4) вы видите две группы образцов, напечатанных на FDM-принтере. В середине фото – образцы, которые прошли постобработку, и их прозрачность доведена до уровня 60-65%. Если говорить в принципе об оптически прозрачном пластике, который, например, используется при термоформовке, то его оптическая прозрачность достигает около 90%. Таким образом, можно сопоставить, до какого уровня сегодня научились устанавливать прозрачность студенты работающих проектов.

И в завершение – практико-ориентированный проект, связанный с изготовлением функционального инструмента по технологии FDM-печати для последующего применения в составе устройства, реализующего пространственную гибку металлических труб малого диаметра. На рис. 5 видны два инструмента (белый и красный), оба они изготовлены из функционального пластика и обеспечивают выполнение рабочего цикла при выполнении операции гибки трубы малого диаметра. Срок изготовления изделий – до 24 часов.

Статья опубликована 17.06.2021 , обновлена 08.02.2022

Об авторе

Семен Попадюк Главный редактор блога iQB Technologies, копирайтер и переводчик. Интересуется новыми технологиями и всем, что с ними связано. В блоге знакомит профессионалов рынка с актуальной информацией о – новостями, технологиями, продуктами, трендами, экспертными мнениями и историями внедрения. В свободное время изучает иностранные языки, путешествует, смотрит старое кино, любит играть в скрэббл и на гитаре.

Читайте также: