Интегрирование технологии IT-макетирования визуализированных объектов в сферу образовательного процесса

Размещено на http://www.allbest.ru/

КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана

Интегрирование технологии IT-макетирования визуализированных объектов в сферу образовательного процесса

А.Ю. Андросов, Н.Н. Кирпичникова

Современные стандарты и степень развитости средств реализации технических проектов обуславливают качество подготовки инженерного состава, а также уровень его обученности в ВУЗе. На сегодняшний день с этой целью весомую меру использования приобрели процессы проецирования объектов на плоскость, фиксируя геометрические параметры на двумерном чертеже с помощью чертёжных навыков курса начертательной геометрии, визуализация форм и размеров трехмерного объекта путем его моделирования, применив современное инженерно-конструкторское компьютерное обеспечение, коим в частности являются имитационно-начертательные программы «КОМПАС-3D», «AutoCAD», «SolidWorks». Данные способы наглядной интерпретации объекта с указанием всех его размеров и свойств для дальнейших шагов конструирования детали хоть и являются достаточными для начального этапа проектирования, но не в полной мере заключают в себе законченный вариант работы предварительного воспроизводства детали, так как отсутствует основополагающий элемент производственный практики - трехмерный материальный прототип визуализированной модели.

Интегрирование технологии быстрого прототипирования функционального макета является инновационной практикой для промышленного использования либо в качестве черновых трехмерных эскизов для их испытания и модернизации, либо уже готовых законченных деталей, задействованных в производстве: технология используется для создания модельных комплектов из «ABS» ил «PLA» пластиков в литейном производстве. Таковой она является и для реализации своего несущего потенциала в образовательной сфере - материализацию разработанного образца детали (агрегата) научно-исследовательской деятельности или спроектированной конструкции в ходе выполнения курсового проекта в готовый законченный продукт учебной практики.

Операциям внедрения приведенной технологии в сферу образовательного процесса в особенности в технических вузах страны способствуют современные требования нормативных документов, приведенных в Федеральных государственных образовательных стандартах, а именно в конкретных компетенциях, которыми должен быть наделен каждый выпускающийся студент-специалист. 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).

На данном этапе функционирования учебно-методических программ дисциплина «Инженерная графика» ориентирует студентов на качественную и стандартизованную визуализацию машиностроительного оборудования, подразумеваемым итогом которой является выполнение основополагающей задачи дальнейшей прототипизации - компьютерное трехмерное моделирование проектируемого объекта (рисунок 1).

прототипирование макет инновационный промышленный

Рис. 1. Визуализированный вариант прототипа разрабатываемой детали путем компьютерного моделирования

Произведя окончательные и проверочные расчеты форм 3D объекта, применяя последние технологические новшества компьютеризации технической области, студенту на данном этапе предоставляется возможность наиточнейшего воспроизведения смоделированного прототипа в физический объект. Особенность предполагаемой операции заключается в изготовлении опытных и функциональных образцов путем послойного наложения применяемого материала в точном соответствии с геометрией алгоритмически выстроенной модели согласно её математическому коду, подаваемого на оборудование в форматированном виде. Программное обеспечение позволяет также синтезировать 3D модели, полученные по результатам компьютерной томографии, обеспечивая тем самым высокую точность сборки. В настоящее время существует несколько видов технологий реализации быстрого прототипирования разработанной модели.

Стереолитография («SLA» - «Stereo Lithography Apparatus») (рисунок 2).

Рис. 2. Принципиальная схема функционирования «SLA» технологии

Основополагающим явлением данного процесса является отвердение жидкого фоточувствительного полимера под действием экспонирования ультрафиолетового излучения («UV»). Технология позволяет варьировать физико-химические, механические свойства во время процесса материализации изделия изменяя концентрацию и химический состав применяемого материала. В основном используется для производства проб-моделей с целью механического испытания конструкции.

Изготовление модели производится на специальной платформе, способной перемещаться в направлении оси построения. Выработка ультрафиолетового излучения производится гелиево-кадмиевым или аргон-ионным неподвижным излучателем и позиционируется на поверхности полимера при помощи подвижного зеркала. Образование объемных пикселей происходит в результате поглощения и рассеивания лазерного пучка непосредственно вблизи поверхности фотополимера. После этого новообразовавшуюся поверхность погружают в ванну на величину отвердевшего слоя, калибруя его форму специальным скребком - ракелем. Максимальный объем реализуемых моделей достигает 500 мм³, а точность позиционирования лазера составляет +/- 0.25 мм.

Прототипирование расплавленной полимерной нитью («FDM» - «Fused Deposition Modeling»). (рисунок 3)

Рис. 3. Процесс физического формирования прототипа на «FDM» установке: 1 - сопло; 2 - полимерная нить; 3 - управляемая подвижная платформа

«FDM» технология представляет собой послойное наложение расплавленной полимерной нити, физически реализуя запрограммированную форму объекта: матиматизированная функциональная модель транспортируется в формате «STL» в специальное программное обеспечение «Insight», которое оптимально ориентирует её относительно рабочей зоны установки и разбивает на горизонтальные слои, затем формируется анализ надобности применения поддерживающих опор для построения навесных форм модели. Сгенерированные данные передаются на блок управления установкой, запуская тем самым изготовительный процесс. В ходе выполнения операции термопластичный моделирующий материал (2), диаметром 1.78 мм, выдавливается тонкими слоями с высокой степенью точности через сопло экструзионной головки (1) с контролируемой температурой, нагреваясь в ней до полужидкого состояния, на подвижную рабочую управляемую платформу (3). Процесс характеризуется постепенностью повторения наложения и солидифицирования трубчатых слоев до соединения друг с другом, выстраивая нужные изгибы форм. Отличительная черта «FDM» технологии - ненадобность послеизготовительной механической обработки с возможностью быстрого задействования сформированной модели в дальнейшее применение.

Технология склеивания порошков (binding powder by adhesives) (рисунок 4).

Рис. 4. Технологическая схема прототипизации модели послойным склеиванием рабочей порошкообразной смеси

Данный способ изготовления основывается на точечной алгоритмической подаче жидкого клея на водяной основе через машинную струйную головку в рабочую полость элеватора, диффундируя с крахмально-целлюлозным порошком для создания рабочей суспензии, которая в процессе схватывания в местах подачи формирует заданный контур модели. Для уплотнения полученного слоя, модель циклично испытывает обкатку роликовым инструментом. По окончании операции излишки порошка, механически удаляются.

Результатом физической материализации в ходе одной из приведенных технологических схем является создание точной копии смоделированного образца будущей отливки, выполненного из современных композитно-полимерных материалов: «ABS» ил «PLA» пластиков или «PC» поликарбоната (рисунок 5).

Рис. 5. Воспроизведенный готовый продукт инженерно-технического проектирования

«PLA» (полилактид) - биоразлагаемый, термопластичный, алифатический полиэфир, мономером которого является молочная кислота. Сырьем для производства полилактида являются глюкозосодержащие элементы, такие как кукуруза или тростник. «ABS» (АБС-крилонитрилбутадиенстирол) - ударопрочная техническая термопластическая смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом. «TECANAT (РС)» - аморфный прозрачный монолитный поликарбонат на основе бисфенола «А», синтезируемого конденсацией фенола и ацетона. Приведенные материалы, исходя из сравнительного экономического анализа стоимости исходных компонентов используемых материалов, являются относительно недорогим сырьем для задействования их в реализацию объемных макетов проектируемых моделей в образовательном процессе обучения студентов.

Таким образом, подводя итоги, целесообразно отметить прогрессирующее развитие технических средств, овладение которыми позволяет инженерному коллективу реализовывать незаурядные запроектированные идеи, тем самым удовлетворять требованиям современного общества. В данном случае технология быстрой прототипизации деталей и формирование физически воспроизведенных составляющих в конкретные функциональные конструкции внесет существенный вклад в интеллектуально-инженерную базу студентов как будущих специалистов: с помощью эмпирического восприятия итога проведенной работы формируется материально-осязательные навыки, способность анализировать геометрию изделия, а также объективную оценку выявления недостатков собранной конструкции. Таким образом плоды использования макетизации более содержательно способствуют реализации заложенного у обучающегося конструкторского потенциала. В довершение всех явственных и благоприятных влияниях на развитие мыслительных способностей студентов немало важным остается также и аспект сложившегося мнения работодателя о подготовке выпускника, как технически развитого и креативного инженера, так как в конечном итоге реализацию накопленных знаний, умений и навыков находят специалисты, владеющие большинством из современных технологий с возможностью их применения как в образовательной сфере, так и в производственном процессе.

Список литературы

[1]. Бабкин О.Э. 3D макетирование: технологии, оборудование, материалы: Монография. - СПб.: Изд-во СПбГУКиТ, 2013. - 97с. ISBN 978-5-94760-130-5.

[2]. Colin Gouldsen, Paul Blake Investment Casting Using FDM/ABS Rapid Prototype Patterns: scientific documents. - USA, 2000. - 35 p.

[3]. Кирпичникова Н.Н., Андросов А.Ю. Схема - конструкторский документ // Материалы региональной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе». Т.3. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. - с. 225 - 232. ISBN 978-5-7038-3958-4.

[4]. Кирпичникова Н.Н., Андросов А.Ю. Особенности разработки чертежей зубчатых колес // Материалы региональной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе». Т.5. - Калуга: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. - С. 42 - 47. ISBN 978-5-7038-4166-2

[5]. Кирпичникова Н.Н., Андросов А.Ю. Комплексный подход при изучении общепрофессиональных и специальных дисциплин // Материалы всероссийской научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе». Т.5. - Калуга: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. - С. 143 - 147.

Размещено на Allbest.ru