Статья "3D-моделирование и прототипирование при разработке и изготовлении творческих проектов учащимися".

МУНИЦИПАЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ АДМИНИСТРАЦИИ ГОРОДА ГУБКИНСКОГО»

 Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Лицей г. Губкинский»

Обобщение педагогического опыта работы учителя технологии и дополнительного образования.

Тема: 3D-моделирование и прототипирование при разработке и изготовлении творческих проектов учащимися.

Автор: учитель технологии и дополнительного образования  Бабенко Игорь Николаевич

г. Губкинский, 2022

В нашем «Лицее» на базе «Точки роста» организовано место в учебной мастерской для 3D-моделирования и прототипирования. Приобретено несколько 3D-принтеров, современные компьютеры, а также программное обеспечение для графического трёхмерного проектирования. Занятия проводятся в рамках внеурочной деятельности для учащихся 5-9 классов. Обучение опирается на три этапа.

На первом этапе идёт обучение работе в среде программ трехмерного моделирования.

С 5-го класса школьники моделируют простейшие объекты по приведённым в инструкциях схемам и чертежам, а затем разрабатывают собственные элементарные объекты. Если будет необходимо, то всегда есть возможность отредактировать объект, что-то изменить, или сделать заново.

На мой взгляд начинать изучение программ необходимо с онлайн-программы Tinkercad от компании Autodesk. Это бесплатная онлайн-программа для 3D-моделирования, которая работает в веб-браузере и отличается простым интерфейсом и простотой использования. Будучи онлайн сервисом, Tinkercad также дает вам возможность работать над вашими проектами с любого рабочего места (необходимо получить учетную запись Autodesk). Начинающим доступны онлайн-учебники. В Tinkercad вы можете создавать свои дизайны или редактировать готовые модели, а также импортировать и редактировать модели из любых других программ в формате .stl, .obj, .and, .svg. Самый простой и в то же время интересный объект для создания прототипов школьниками – моделирование эксклюзивного брелока для ключей с нанесённой надписью фамилии и имени владельца. Каждый учитель должен анализировать базы предлагаемых к созданию оригинальных объектов и отбирать в свою копилку наиболее удачные (элементы мозаики Эшера, доказательство теоремы Пифагора и т.д.).

Для проектирования сложных моделей технических деталей в дальнейшем мы пользуемся программой Autodesk Inventor.

В САПР Inventor® представлены профессиональные инструменты для машиностроительного 3D-проектирования, моделирования изделий и выпуска рабочей документации.

На втором этапе происходит знакомство с принципами работы 3D-принтера.

В нашей школьной мастерской  появился 3D принтер PICASO 3D Designer (рис.1).  Это первый отечественный  3D принтер, и именно он являлся одним из лидеров современного рынка  настольных устройств для объёмной печати.

3D принтер создает твердые трехмерные объекты из расплавленной нити пластика. Расплавленная пластиковая нить через печатающую головку подается на платформу, где послойным наплавлением создается тело модели (рис. 2). Такая технология называется «метод послойного наплавления» (FFF - Fused Filament Fabrication).

Принтер имеет следующие параметры:

●       Максимальная площадь рабочего пространства 200×200×210 мм;

●       Минимальная толщина печатного слоя 0,05 мм;

●       Закрытая камера и подогреваемая платформа позволяет работать при температуре окружающей среды от 15 до 32⁰С;

●       Максимальная мощность 400 Вт.

●       Программное обеспечение PICASO 3D Polygon (слайсер).

Рис. 1   3D принтер PICASO 3D Designer                Рис. 2 Технология «метод послойного    

                                                                                                               наплавления»

Изучив основы работы 3D-принтера, учащиеся могут приступить к работе с оборудованием под присмотром учителя.

На третьем этапе происходит свободное инженерное проектирование старшими учащимися и их участие в различных конкурсах проектов, олимпиадах и научно-практической деятельности.

На уроках технологии, учащиеся смогут распечатывать недостающие детали к конструируемым изделиям, основа которых изготавливается из традиционных материалов - древесины, металла или искусственных материалов. Учащиеся не просто моделируют объект на компьютере, а сразу увидят результат своего труда, и приходят к выводу о правильности созданного ими изделия, необходимости доработки построенной модели.

Некоторые примеры выполненных проектов, с которыми учащиеся участвовали в НПК и во Всероссийской олимпиаде школьников по технологии:

Сувенирные горшки с поддонами для выращивания комнатных растений (рис.3).

  

Рис.3 Горшки для комнатных растений

 В целях патриотического  воспитания с учащимися изучаем и применяем ямальские орнаменты. Изделия декорированы  ямальскими символами «солнце», «глухарь», «сосновая шишка», «щучьи зубы».

Считается, что к украшенному рисунками  орнамента жилищу не смогут приблизиться злые духи, а добрых покровителей человека будут привлекать.

В далёкие времена на Ямале пушные звери считались предками родов, а священные узоры которыми они обозначались, играли роль оберегов.

«Солнце» – (огонь) по легендам народов ханты и ненцы не дает войти в дом злым духам.

«Глухарь» – (хранит сон) оберегает душу во время сна.

«Сосновая шишка» –  символ плодородия, богатства.

«Щучьи зубы» –  орнамент используется в качестве дополнительной отделки основного узора и считается оберегом от болезни

Тексты, поясняют место изготовления сувениров (рис.4).

Рис.4 Ямальские орнаменты

Технология преобразования плоских монохромных контурных изображений со сложными контурами в объёмные и нанесения на основу предмета проста.  Изображения любого формата сначала необходимо в специальной программе конвертировать в файл с расширением .svg (существуют и онлайн программы в сети интернет), а затем импортировать преобразованный файл в программу 3D-моделирования. Основа детали и изображение группируются одним из способов: объединение двух тел или вычитание отверстия из тела для получения единой модели.

▪         Декоративный светильник, плафон которого напечатан на 3Д-принтере (рис.5 и рис.6).

   

Рис.5 Программа «Poligon» (слайсер).       Рис.6 Декоративный светильник

 

Выявление достоинств и недостатков 3D-печати при изготовлении различных предметов:

a)    Размеры и геометрия изготавливаемых предметов

При должной сноровке действительно можно напечатать многое, но есть свои ограничения:

Невозможно напечатать очень мелкие элементы детали, которые меньше, чем размер сопла. Помимо того, возникает проблема, когда предыдущий слой не успевает остыть и сверху на него кладётся новый. От этого страдает геометрия объекта. Частично эта проблема решается принудительным охлаждением предыдущего слоя потоком воздуха.

Если модель имеет нависающие элементы, то необходимо печатать поддерживающие конструкции. Поддержки достаточно сложно удалить, если они печатаются тем же материалом, что и основная модель. Это портит и так не идеальную поверхность.

Также необходимо чтобы у модели было плоское основание, иначе произойдёт отклеивание от поверхности рабочего стола. Если основание модели неплоское или очень мало в размерах, то модель печатается на специальной подложке – рафт. При удалении рафта также портится поверхность.

При усадке объекта при остывании материала готовая модель может потерять до 0,8% своего объёма. Объекты более 150×150×150 мм сильно деформируются и растрескиваются.

b)    Возможность печати механизмов в сборе

Для FFF технологии — это невозможно. Гайка и болт сплавятся между собой. Гораздо проще печать тот же болт и гайку по отдельности. Хотя, есть модели машинки с крутящимися колёсами и свистка с шариком внутри, который отламывается отвёрткой.

c)     Возможность изготовления полноцветных предметов;

О полноцветной печати дома пока можно забыть. 

d)    Прочность предметов;

Конечно, напечатанная модель будет уступать в прочности точно такой же литой модели.

Прочность напечатанной детали зависит от того, куда приложена сила: вдоль слоёв или поперёк. В целом это напоминает древесину, прочность которой также зависит вдоль или поперек волокон приложена сила. Кроме того, прочность зависит от процента заливки детали.

e)     Качество поверхности предметов;

Поверхность напечатанной модели совсем не идеальна: заусеницы, ребристость, наплывы.

f)      Безотходность технологии;

Безотходность технологии 3D-печати это миф.

Отходы всё равно будут:

●       Процент брака может быть очень высок (особенно в начале пути 3D-печатника):

●       Когда заканчивается катушка пластика, остаётся хвостик, которого не хватит для печати чего-нибудь полезного;

●       Поддержки, подложки, юбки, которые потом срезаются с напечатанной модели;

●       Затраты на приобретение ацетона для промывки сопла, обработки деталей (для придания «глянцевости» поверхностям и уменьшению видимости слоёв материала);

●       Затраты на покупку специального клея для приклеивания деталей к рабочему столику при печати.

g)    Время изготовления предметов;

Сначала нужно потратить время для создания компьютерной модели в программе 3D моделирования. А для того чтобы только распечатать цветочный горшок массой 190 грамм мне понадобилось 17 часов. Возможно это немного для этапа производства, но в домашних условиях проще и быстрее купить аналогичный товар в магазине.

h)    Себестоимость изготовления предметов;

Чтобы подсчитать затраты на изготовление напечатанного предмета, нужно знать стоимость материалов, из которых изготавливается изделие, затраты на электроэнергию, на амортизацию (износ) оборудования.

        Себестоимость изделий рассчитывается по формуле:

С = См + 3 + Сэ + Са, где См —стоимость материала, потери на брак, 3 – заработная плата (до 50% от стоимости материалов), Сэ – затраты на электрознергию, Са – амортизация оборудования и инструментов.

Стоимость работы (З)  не учитываем, т.к. изготавливаем цветочные горшки для себя.

Амортизация оборудования не учитываем, т.к. принтер работает непродолжительное время.

Стоимость одного цветочного горшка складывается из:

Одна катушка содержит 1000 грамм пластика и стоит примерно 1000 рублей. Отсюда стоимость потраченного пластика 190 грамм (См) = 190 руб.

Мощность 3D принтера 400 Вт. Время необходимое для распечатывания около 17 часов. Стоимость 1 кВт·ч. – 3 руб. Отсюда стоимость электричества (Сэ) = 20,4  руб.

С = 190 + 0 + 20,4 + 0 = 210,4 руб.

Стоимость аналогичного товара в магазине около 50 рублей.

Как видно из расчетов, для изготовления цветочных горшков необходимо затратить средств в 4 и более раз, что крайне невыгодно. Однако, если это был прототип и в последствии планируется выпускать изделие серийно, то при наличии готовой формы затраты уменьшаются в десятки раз.

i)       Опасность 3D принтеров для здоровья.

При нагревании ABS пластика образуются  некоторое количество паров акрилонитрила. 3D-принтер в среднем выбрасывает до 200 миллионов нано частиц этого вещества в минуту. При использовании пластика PLA выбрасывается до 20 миллионов частиц в минуту, он более безопасен, но всё же наносит вред здоровью. Оседая в легких, частицы пластика могут привести к самым тяжелым последствиям – раку легких, астме.

Достоинства и недостатки современных 3D-принтеров при изготовлении различных предметов.

•        Модель, превышающую по габаритам максимальные размеры поля печати за один раз не напечатать. Выход из этой ситуации один – нужно разрезать модель, печатать по кускам и напечатанные куски склеить.

•        Для сглаживания поверхности применяют механическую (зашкуривание, срезание заусенец) и/или химическую обработку (ванна с растворителем).

•        Печать двумя (или более) цветами возможна, но нужно либо несколько печатающих головок, либо менять пруток во время печати, либо склеивать прутки между собой, либо красить сам пруток.

•        Место проведения работ на 3D-принтере должно хорошо вентилироваться. Во время работы устройства лучше выйти из комнаты. Если это по какой-то причине невозможно, желательно воспользоваться респиратором с угольным фильтром. 3D-принтер, — это своеобразная мини фабрика в коробке и я бы никогда не поставил завод в у себя в доме.

•        Чтобы процесс печати изделий был более выгоден: необходимо выбирать модели не большой массы, или если необходимо восстановить одну деталь большого и дорогостоящего набора или механизма (шахматная фигура, деталь конструктора, зубчатое колесо от кухонного комбайна и т.д.).

•      Перечень пластиковых бытовых предметов, которые возможно изготовить способом 3D –печати.

1. Разнообразная посуда и контейнеры для хранения  мелких предметов (коробки, банки, бидоны, корзины, ведра, канистры, бутылки, упаковки для подарков, ёмкости для специй, цветочные горшки, мыльницы);

2. Домашняя утварь (насадки для кондитерских шприцов для крема, разделочные доски, подставки, формочки, крышки, дуршлаги, швабры, щетки, совки для мусора);

3. Аксессуары для волос (украшения для волос, заколки, шпильки, расчески, зажимы);

4. Освещение (плафоны и абажуры для светильников);

5. Товары и аксессуары для занятий спортом и активного отдыха (ракетки, обручи, и т.д.);

6. Детские товары (игрушки, кубики, модели, конструкторы и прочее);

7. Канцелярские товары (линейки, лекала, трафареты, пеналы, счетные палочки; геометрические и молекулярные модели, алфавитные буквы, и даже глобус);

8. Декоративные «авторские»  предметы для интерьера и ландшафта (статуэтки, сувениры, прочие);

9. Сменные корпуса, футляры и детали для мобильных устройств: телефонов, ПК, бытовых приборов;

10. Фурнитура (дверные ручки, розетки, патроны для светильников, этажерки, крючки, вешалки, пуговицы, кнопки, замки);

11. Сборная, складная и садовая мебель (скамейки, стулья, подставки);

12. Сантехника, трубы, решетки, пробки, соединения;

13. Дренажные трубы и очистные сооружения;

14. Вентиляционные решетки и системы кондиционирования;

15. Болты, шурупы, дюбеля, шпонки, прокладки, шайбы, катушки;

16. Товары для животных (кормушки, поилки, игрушки, приспособления);

17. Садовый инвентарь;

18. Для автомобилистов  (пластиковые запчасти и аксессуары для автомобилей, мотоциклов, велосипедов и т.д.).

Литература.

1.     Безопасность при печати на 3D принтере https://prn3d.ru/stati/pechat-na-3d-printere/sovet-3d-printer.html

2.     Инструкция пользователя к 3D принтеру PICASO 3D Designer.

3.     Пояснения к ямальским орнаментам http://remeslo89.ru/sobytiya/item/98-poyasneniya-k-ornamentam-izobrazhyonnyim-na-suvenirah-i-izdeliyah-narodnyih-hudozhestvennyih-promyislov.html

4.     Применение 3D-принтера в быту  https://3dprinter.ua/primenenie-3d-printera-v-byitu/

5.     10 мифов о домашней 3D-печати https://geektimes.ru/post/190444/

6.     Фаритов А.Т. — 3D-моделирование и прототипирование во внеурочной деятельности учащихся в школе // Педагогика и просвещение. – 2019. – № 4. – С. 155 - 167. DOI: 10.7256/2454-0676.2019.4.31700 URL: https://nbpublish.com/library_read_article.php?id=31700

Краткое описание документа:

Обобщение опыта работы по теме самообразования. В нашем «Лицее» на базе «Точки роста» организовано место в учебной мастерской для 3D-моделирования и прототипирования. Приобретено несколько 3D-принтеров, современные компьютеры, а также программное обеспечение для графического трёхмерного проектирования. Занятия проводятся в рамках дополнительного образования для учащихся 5-9 классов.