С развитием общества и внедрением во все области деятельности компьютерных технологий сформировалась потребность в специалистах нового уровня. Чтобы иметь возможность соответствовать современным тенденциям, будущим учителям технологии необходимо готовить новые поколения школьников к адаптации в цифровом обществе и способствовании развития необходимых для этого навыков. Например, к наиболее перспективной и получившей стремительное развитие в последние годы можно отнести область аддитивных технологий. Которая включает в себя такие ключевые навыки, как изобретательство, развитое пространственное мышление, компьютерное моделирование, прототипирование и конструирование.

Аддитивные технологии активно применяются в различных областях науки и техники. Применение аддитивных технологий позволяет создавать сложные геометрические объекты, сокращать время на производство различных компонентов, уменьшать затраты на производство, автоматизировать процесс и уменьшить негативный человеческий фактор.

Адаптация трехмерного моделирования и прототипирования в медицине является одной из важнейших особенностей использование аддитивных технологий. Благодаря внедрению аддитивных технологий в медицину становится возможным трансплантация новых органов, созданных и распечатанных в лабораторных условиях. У множества людей появилась надежда на социализацию благодаря индивидуальным протезам, разработанным и изготовленным с применением аддитивных технологий [1-3]. Применение прототипирования активно применяется и в строительном деле, с помощью послойного нанесения бетонного раствора 3D-принтерами большого размера по заданной траектории возводятся невероятные архитектурные сооружения, недоступные путем применения традиционных методов [4-5]. Применение аддитивных технологий в промышленности говорит о том, что технология востребована и позволяет наращивать производственные масштабы в различных областях. Например, путем прототипирования создаются различные необходимые запчасти для дорогостоящего оборудования, это позволяет минимизировать простой оборудования в ожидании поставки необходимых компонентов или создании деталей, не уступающих по своими физическим и механическим свойствам штамповки или литью [6-7]. Аддитивные технологии активно применяются в автомобилестроении. Например, в странах южной Европы по дорогам уже передвигаются автомобили корпус и значительная часть деталей, которых созданы с применением аддитивных технологий. Кроме того, прототипирование активно применяется в области ракетостроения. Например, применение сплавов полимерных материалов для понижения коэффициента температурного расширения или создания сложных сборочных единиц. Все это приводит к уменьшению временных, финансовых и массогабаритных параметров [8-9]. Отдельное внимание стоит уделить 3D-принтерам, предназначенные для синтезирования еды [10], примером может служить печать тестом для приготовления пиццы. Аддитивные технологии не обошли стороной и текстильную и обувную промышленность [11]. Таким образом, с помощью прототипирования и моделирования создаются уникальные аксессуары, одежда и обувь. Например, компания Nike использует аддитивные технологии для создания подошвы с уникальным рисунком для обуви.

Учитывая обширность применения прототипирования, в образовательные программы в учебных заведениях разного уровня внедряют новые дисциплины и программы, положительно влияющие на обучающий процесс в рамках современных потребностях общества по подготовке квалифицированных кадров в эпоху высокотехнологичного компьютерного общества.

Задача преподавателя в рамках своей дисциплины мотивировать субъекта на начальном этапе к дальнейшему развитию в этой предметной области. Основываясь на том, что каждый прототип проходит несколько ключевых стадий, особое внимание следуют уделить начальным стадиям, таким как потенциальная возможность создания объекта пригодного для решения задачи определенного субъекта. Примером может служить личная потребность отдельного субъекта в создании новой игрушки или деталей конструктора. Решение прикладных задач позволит раскрыть творческий потенциал и индивидуальные особенности каждого субъекта. С дальнейшим применением навыков в рамках более сложных задач прикладного характера.

На этапе формирования навыков прототипирования, включающих 3D-моделирование и 3D-печать, закладываются теоретические и практические основы, позволяющие развиваться во многих направлениях.

Определившись с идей готового изделия встает необходимость в выборе программного обеспечения для создания трехмерной модели с дальнейшей реализацией на 3D-принтере. Различают программные пакеты, направленные на прикладное моделирование и скульптурирование. На этапе создания трехмерного объекта при решении инженерной задачи целесообразно использование следующих программных пакетов: Компас-3D, AutoCAD, Inventor, SolidWorks, BIM. Эти программы изначально имеют необходимый функционал и различные вспомогательные библиотеки, отсутствующие в других редакторах.

При необходимости разработать объект со сложной геометрией или любую модель, не относящуюся к инженерному проектированию, следует использовать программы, предназначенные для свободного трансформирования объекта. К ним относятся: Blender, 3ds MAX, Maya, ZBrush.

Применение программного пакета типа КОМПАС-3D является отечественной разработкой и в данный момент предоставляет возможность ознакомления с функциями в режиме учебной версии. Однако, некоторые функциональные возможности этого пакета могут быть ограничены и доступны только в платной версии. Другие инженерные программы, представленные ранее, либо не имеют учебной или пробной версии, либо полностью платные, либо не поддерживаются в данный момент по всему миру.

Применение программного пакета типа Blender является развивающейся программой с открытым кодом, позволяющей любому программисту в любой точке мира совершенствовать ее функциональные возможности. Данное программное обеспечение является полностью бесплатным и не требует лицензионного соглашения, как другие программные пакеты, это может быть удобно для образовательных организаций с ограниченным бюджетом, ввиду отсутствия необходимости приобретения лицензионного соглашения. Функциональные возможности данного программного обеспечения не уступают своим аналогам, а в некоторых аспектах превосходят их. Интерфейс программы интуитивно понятен и любой в короткие сроки может адаптироваться для работы в этой программе. Структура программного пакета позволяет выбор наиболее комфортного языка для освоения возможностей и дальнейшей эксплуатации, кроме того, имеется возможностью подключения автоматического перевода всплывающими подсказками с одного языка на другой. Например, рекомендуется работать в программе с английским интерфейсом, это связано с тем, что такой специалист будет универсальным и способным работать в любой стране, однако, для начала можно подключить функцию автоматического перевода с помощью всплывающих подсказок на русском языке, для упрощения процесса взаимодействия до тех пор, пока не сформируется навык распознавания функциональных команд. Кроме того, данное программное обеспечение не только стремительно развивается, но и благодаря легкости в освоении имеет обширное количество разнообразных обучающих видео материалов, большая часть из которых реализуется не только на английском языке, но и с английским интерфейсом. Следовательно, освоение программы следует вести с английским интерфейсом на случай необходимости освоения дополнительной информации вне курса с применением обучающих видео материалов заграничных экспертов.

Немаловажным этапом прототипирования является выбор 3D-принтера, основанного на различных методах создания трехмерных объектов. Можно выделить семь различных принципов создания объектов: плавка порошков, плавка материала лазером или электронно-лучевая плавка, ламинирование, нанесение связывающего вещества, струйное моделирование, экструзия материалов, фотополимеризация в емкости с раствором [12-13].

Каждый из этих методов имеет свои уникальные особенности и принципы создания объектов. Разные методы пригодны для использования разных материалов и предназначены для разного уровня масштаба производства объектов. Однако, в рамках образовательных практик и применения в общеобразовательных учреждениях стоит остановиться на наиболее безопасных, имеющих минимальные размеры и стоимость 3D-принтеров.

Из всего многообразия методов аддитивных технологий можно выделить две наиболее подходящие для внедрения в обучающий процесс школьного или дополнительного образования. Лучше всего подходят SLA и FDM технологии. Это связано с простотой конструкции принтеров, их защитными характеристиками, которые позволяют уберечь аппарат и пользователя от нежелательных повреждений, особенно в местах массового скопления людей. Не маловажной составляющей в пользу внедрения именно этих технологий является отношение размеров и стоимости приборов. Благодаря компактности и как следствие не высокой стоимости даже организации с минимальным бюджетом могут позволить внедрение таких 3D-принтеров в образовательный процесс в рамках технологического образования.

Различные варианты аддитивного производства и вариации создания объектов формируются сейчас и продолжат развиваться в будущем, однако свое начало аддитивные технологии берут от стереолитогрифии (SLA). Стереолитография является технологией, при которой на емкость с фотополимерной смолой воздействует лазерное излучение определенного оптического диапазона, как правило, для лазерного спекания используются ультрафиолетовый оптический диапазон. Готовые объекты, получаемые стереолитографическим методом выращиваются сверху вниз, поскольку из емкости с раствором платформа с затвердевшими слоями поднимается вверх на расстояние равное новому слою и в образовавшуюся область затекает новое количество фотополимерного материала. Процесс повторяется до тех пор, пока не затвердеет финальный слой объекта. Следуя данным контура объекта происходит облучение определенных участков фотополимерной массы. Это приводит к послойной полимеризации материала в точках соприкосновения с лазерным излучением. Готовая модель подвергается последующему промыванию на предмет удаления излишков смолы и удалению поддерживающих конструкций. Для увеличения прочности изделия проводят дополнительное ультрафиолетовое облучение вне принтера. Толщина одного слоя составляет от 5 до 15 мкм, что позволяет создавать весьма точные модели.

К аддитивной технологии экструзии материала относится метод послойного наплавления (FDM). Данный метод основывается на плавлении соплом принтера термопластичного материала и укладывании его слой за слоем на разогретую рабочую область. Сопло принтера перемещается по трем осям координат, что позволяет выращивать объекты снизу-вверх слой за слоем.

Литература:

1. Котельников Г. П. и др. Применение 3D-моделирования и аддитивных технологий в персонифицированной медицин //Саркомы костей, мягких тканей и опухоли кожи. – 2022. – №. 1. – С. 20-26.

2. Безлепкина А. И., Молчанов А. А., Фешина Е. В. 3D моделирование и 3D принтеры в медицине //Информационное общество: современное состояние и перспективы развития. – 2019. – С. 134-137.

3. Николаенко А. Н. Применение 3D-моделирования и трехмерной печати в хирургии (обзор литературы) //Medline. ru. Российский биомедицинский журнал. – 2018. – Т. 19. – №. 1. – С. 20-44.

4. Мустафин Н. Ш., Барышников А. А. Новейшие технологии в строительстве. 3D принтер //Региональное развитие: электронный научно-практический журнал. – 2015. – №. 8 (12).

5. Альшакова Е. Л. Применение 3D моделирования на стадии эскизного проектирования объектов строительства и архитектуры //Информационные технологии в образовании XXI века. – 2015. – С. 157-162.

6. Плеханова Е. А. 3D-моделирование в горнодобывающей промышленности // Постулат. – 2022. – №. 9 сентябрь.

7. Ларских Е. Л., Обозная Д. Р. ПРИМЕНЕНИЕ 3D МОДЕЛИРОВАНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОЙ ОТРАСЛИ // НАУЧНАЯ СТАТЬЯ ГОДА 2022. – 2022. – С. 15-18.

8. Изварин А. П. ПРИМЕНЕНИЕ 3D-МОДЕЛИРОВАНИЯ В АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ // Печатается по решению Редакционно-издательского совета ФГБОУ ВО «Хакасский государственный университет им. НФ Катанова». – 2021. – С. 154.

9. Кухарев А. С., Доржиева С. Б. Проектирование космических аппаратов с использованием 3D моделирования //Космическое приборостроение: сборник научных трудов III Всероссийского форума школьников, студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, г. Томск, 8-10 апреля 2015 г. – 2015. – С. 205-207.

10.  Рыбин М. А. Пищевой ЗD-принтер // Научные исследования и разработки студентов. – 2019. – С. 67-69.

11. Гусева М. А. и др. Технологии 3D-печати в производстве персонифицированных швейных изделий //Территория новых возможностей. Вестник Владивостокского государственного университета экономики и сервиса. – 2020. – Т. 12. – №. 3. – С. 132-142.

12. Ляпков А. А. Полимерные аддитивные технологии: учебное пособие // Томск: Изд-во Томского политехнического университета. – 2016 – 114с.

13. Новиков С. В., Рамазанов К. Н. Аддитивные технологии: состояние и перспективы: учебное пособие [Электронный ресурс] / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – Уфа : УГФТУ, 2022 – URL: https://ugatu.su/media/uploads/MainSite/Ob%20universitete/Izdateli/El_izd/2022%E2%80%9041.pdf (дата обращения: 25.01.2023).