Международная научно-практическая конференция «Филипповские чтения 2025». Тема: 3D моделирование и 3D печать – как одно из направлений в развитии детского технического творчества
учебно-методический материал

 Работая в кружке технической направленности, перед педагогом и его воспитанниками возникает иногда проблема: имеется техническая модель или механизм (любая модель автомобиля, корабля, самолета или деталь от инструмента),  для которой необходимо создать или воссоздать сломанную, потерянную или новую деталь из пластика, например – тягу, пропеллер, гребной винт, шестеренку и т.д. Традиционными производственными технологиями (субтрактивными и формативными) детали сложной геометрии бывает зачастую сделать сложно, а если можно, то на это может уйти немало времени. Наиболее качественные детали получаются при применении аддитивных технологии, к которым и относится 3D печать.

А как  на данном современном этапе производственных технологий получают различные детали или изделия и что такое аддитивные технологии? Где можно их использовать в детском техническом творчестве?

Современные производственные технологии принято разделять на три группы: субтрактивные, формативные (формообразующие) и аддитивные технологии, т.е. по принципу того, как преобразуется материал в процессе применения каждой из технологий.

Аддитивные технологии (АТ) – процесс объединения материала с целью создания объекта из данных 3D-модели, как правило, слой за слоем, в отличие от «вычитающих» (субтрактивных) производственных технологий.

По-другому, аддитивные технологии можно назвать:

• 3D – печать;
• 3D – принтинг;
• аддитивное производство;
• технологии послойного синтеза;
• прототипирование.

Применение аддитивных технологий:

1. Визуальные макеты.
2. Функциональные прототипы.
3. Оснастка, вставки в формы, мастер-модели для литья.
4. Серийные изделия.

Почему популярны данные технологии?

+ Быстро:

+ уменьшение времени «от идеи до прототипа»,

+ легко изготовить, показать, проверить и установить.

+ Сложная геометрия:

+ оптимизированные детали,

+ можно делать внутренние каналы.

+ Меньше расход материала.

– Иногда ожидания завышены.

Следует учитывать то, что многие ожидания от 3D-печати на данный момент завышены. Сегодня 3D-принтер не является неким таким «чёрным ящиком», который может «напечатать абсолютно всё, что угодно», как часто говорят об этом в СМИ, однако возможности 3D-печати увеличиваются буквально с каждым годом или даже месяцем – появляются новые модели 3D-принтеров (с большим объёмом камеры, более автономные, работающие с новыми материалами) и новые материалы и сплавы для печати, включая жаропрочные сплавы и сплавы титана и алюминия.

Одной из самых распространённых, доступных и недорогих, с финансовой точки зрения, является технология экструзионной 3D-печати (FDM). FDM – Fused Deposition Modeling (дословный перевод с английского – моделирование методом наплавления»). Технология FDM подразумевает создание трёхмерных объектов за счёт нанесения последовательных слоёв материала, повторяющих контуры цифровой модели. Как правило, в качестве материалов для печати выступают термопластики (ABS, PLA, PVA, PETG и другие).

В нашем объединении НТМиК применяется данная технология 3D-печати на основе 3D-принтера Dobot Mooz 2. Работать на нем начали с декабря  прошлого года,  поэтому находимся на начальном этапе освоения 3D моделирования и 3D – печати. Как таковой программы по 3D моделированию, при помощи которого можно было проводить занятия, нет. Самостоятельно учусь при помощи видео-уроков по основам моделирования в бесплатной программе FreeCad. Есть на Рутубе онлайн курсы Димы Гога, 139 уроков для начинающих и продвинутых. Следует учесть, что аналогичные программы, такие как Компас 3D, AutoCAD, NanoCad и т.д – это платные программы, например, в AutoCad среднем около 200 долларов в месяц, или годовая лицензионная подписка около 2000 долларов.

Главными преимуществами FreeCad являются:

• Свободная лицензия и открытый исходный код. Никаких регистраций и активаций, никаких ограниченных домашних, учебных и некоммерческих лицензий, никаких облаков и привязки к интернет;
• Кроссплатформенность, способность полноценно работать на разных платформах и операционных системах;
• Русскоязычная версия.

Вообще тематика инженерного 3D в образовании детей еще очень молода, развивается быстро, к сожалению, программ по ней очень мало, и каждая крупица практического опыта может пригодиться другим педагогам.

Следует сказать, что термин 3D-моделирование охватывает моделирование как художественное, при помощи которого моделируются произвольные объекты и персонажи со сложными нерегулярными формами,  включая анимацию и всевозможные визуальные эффекты - это фильмы, мультфильмы, разработка игр, включая игровое программирование,  так и инженерное 3D, создание  трехмерной компьютерной модели технического объекта, в какой либо САПР-системе, обычно с целью последующего изготовления или документирования. В инженерном моделировании упор делается на правильность геометрических построений, точность размеров, воспроизводимость форм, технологичность изготовления полученных моделей. Сюда примыкает физика, механика, электротехника и электроника, программирование микроконтроллеров, робототехника.

Опыт показывает, что обучающиеся, начиная с 6-7 класса, достаточно легко и охотно усваивают соответствующие навыки, а затем с энтузиазмом используют их, чтобы моделировать всякие штуковины, найденные в Интернете (на этом этапе у детей уже установилось понимание правила, что взять из Интернета готовую идею для воспроизведения разрешается, но при этом моделирование должно быть выполнено самостоятельно). При этом, к сожалению,  даже у неплохо овладевших техническими приемами моделирования, любая простейшая «конструкторская» задача (например, придумать деталь, соединяющую несколько других деталей с известной геометрией) вызывает затруднения, переходящие в ступор. Это объясняется тем, что выполнение упражнений по подробным видео-урокам показала свою эффективность, однако не включает общую творчески-конструкторскую подготовку. Поэтому считаю, что на основе этих видео-уроков, надо разработать учебную программу по основам конструирования.

Только наличие подробных пошаговых инструкций по выполнению учебных заданий, выдаваемых каждому из обучающихся, позволит эффективно «загрузить» каждого ребенка в соответствии с его способностями и скоростью усвоения материала, избавив педагога от безумных попыток одновременно вести индивидуальные занятия с каждым из детей.

Важнейший вопрос, это оборудование «цифровой мастерской». Естественно, оснащение каждой конкретной цифровой мастерской зависит от доступных средств, в нашем случае – это минимум оборудования,  четыре ноутбука, мультимедийный экран и один 3D-принтер. Хотелось бы конечно, 3D-принтеры, желательно несколько и под различные задачи, «большой» фрезерный станок с ЧПУ, с 3-мя или более осями, лазерный станок с ЧПУ для резки листовых материалов, вспомогательный ручной инструмент.

3D-принтеры. Это основная «рабочая лошадка» 3D-моделиста. Технология 3D- печати позволяет изготовить (с учетом различных ограничений) почти любые геометрические формы. 3D-принтер компактен (сравнительно с другими станками), может быть установлен прямо в классе, прост и безопасен в использовании.

         Основным недостатком 3D-принтера является крайняя медлительность, свойственная этой технологии. Время изготовления детали пропорционально ее объему, и кубически зависит от линейных размеров (т.е. при увеличении размеров вдвое, время печати возрастает в 8 раз). В таких условиях (когда время ограничено, а все дети одновременно хотят «распечатать детальку»), это приводит к вынужденной миниатюризации изделий, а следовательно, к существенной потере их привлекательности и полезности. Существенными недостатками являются также характерная слоистость изделий, малая точность и небольшой выбор материалов (пластиков).

В качестве примеров можно привести 3D-печать из термопластика PLA гребных винтов для судомоделей, вертолётной тяги, тяги к модели внедорожника, шестеренки и колеса для моделей различного диаметра, коробочка для мелких гвоздей, барашек на гайку М6 для ручного лобзика.

3D-печать – это сравнительно молодая технология. На данный момент, пожалуй, та область, где многое ещё не изобретено и не придумано. Предсказать, как она будет развиваться в ближайшее время практически невозможно. 3D-принтеры скорее будут интересны тем детям, которым это нужно будет  в будущей профессиональной деятельности. Касаемо же детского технического творчества, 3D-моделирование и 3D-печать способствуют общему и техническому развитию обучающихся, активизации их интереса к технике.

И в заключении отмечу следующее: 3D-моделирование и 3D-печать не должны заменять или подменять техническое творчество, а обязаны дополнять и расширять его горизонты, делая привлекательным для подрастающего поколения!