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.

Отмеченные направления развития аддитивных технологий соотносятся с семью мероприятиями, включенными в «Комплексный план мероприятий по развитию и внедрению аддитивных технологий в Российской Федерации до 2025 года» [2]. По данным аналитического исследования группы «Деловой профиль» [3], доля РФ на мировом рынке производства и внедрения аддитивных технологий (АТ) составляет 2%, что соответствует 11 месту в рейтинге. При этом отмечается, что за период с 2011 по 2019 год рынок 3D-печати в РФ увеличился в 10 раз; доля отечественного оборудования к 2019 году составила 42%. Отмечается [3], что одним из сдерживающих факторов внедрения АТ в производства в РФ является отсутствие кадров.

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].

Университет предлагает 7‑семестровую образовательную программу «Аддитивное производство: технология, материалы, проектирование». В течение первых двух семестров студентам предлагается освоить общеинженерные дисциплины и поддерживающие дисциплины (высшая математика, физика и т. п.), начиная с 3‑го семестра в учебный план включаются специализированные дисциплины в области аддитивных технологий. По мере движения студента от третьего до шестого семестра степень вовлеченности в профессиональную подготовку увеличивается до 100%. Седьмой семестр образо­вательной программы посвящен производственной практике (17 зачетных единиц) и подготовке/защите выпускной квалификационной работы бакалавра (12 зачетных единиц).

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].

MIT предлагает модель начального обучения аддитивным технологиям, сходную с Обернским университетом: платный онлайн 12‑недельный курс «Additive Manufacturing for Innovative Design and Production» об основах, областях применения и бизнес-­моделях аддитивных технологий для проектирования и производства.

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

Преподавание аддитивного производства основано на проблемно-­ориентированном подходе [4] и совмещено с односеместровым обучением в рамках образовательной программы подготовки бакалавров по направлению «Машиностроение». Подготовка молодых специалистов направлена на инновационный и интегрированный процесс разработки продукта. В дополнение к знанию классических методов проектирования и конструирования деталей машин с самого начала у студентов поощряется творческий подход и изобретательство. Отрабатываются навыки владения современными программами CAx, 3D-Experience, а также навыки в области новых производственных технологий, например, 3D-печати. В рамках семестрового командного проекта, оцениваемого в 4 зачетные единицы, делается попытка применения аддитивных технологий для проверки правиль­ности разработки. Составной прототип позволяет дать ответ на вопросы о размере, конструкции, эргономике и допущенных просчетах. Поощряются навыки решения проблем, творческий подход, мотивация и коммуникативные способности студентов. Студенты моделируют работу стартапа, работая над своим проектом. Получив такой опыт, студенты возвращаются к основному процессу обучения и из курса лекций узнают больше об аддитивном производстве, находят ответы на вопросы о своих неудачах при выполнении проекта.

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

Университет предлагает 8-семестровую образовательную программу «Аддитивные технологии», направленную на подготовку молодых специалистов имеющих специ­ализацию в области аддитивных технологий. Выпускники программы владеют инстру­ментами и методами ТРИЗ, что позволяет им находить решения задач, связанных с поиском причин возникновения проблем при реализации технологии, эксплуатации оборудо­вания, изготовлении готового изделия. Программа бакалавриата построена так, что студент с первого курса вовлекается в профессиональную сферу деятельности через дисци­плины, через проектную деятельность и через ежегодную практику (рис. 2).

Рис. 2. Схематичное представление структуры образовательной программы «Аддитивные технологии»

Программа «Аддитивные технологии» направлена на отработку универсальной технологической компетенции в области аддитивного производства, основанной на знаниях и навыках применения цифровых технологий (3D-сканирование, 3D-моделирование, 3D-печать); знаниях и умении проводить углубленный анализ технологии и конструкции оборудования для поиска узких мест и формирования концепций новых решений для их последующей инженерной проработки; знаниях и умениях оценки экономической рентабельности внедрения аддитивных технологий. Первый выпуск программы бакалавриата «Аддитивные технологии» состоялся в 2018 году; в настоящее время студенты учатся на первом–­четвертом курсах и планируется новый набор студентов в 2021 году.

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.

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].

Университет предлагает одногодичную образовательную программу магистратуры «Additive Manufacturing and 3D Printing», обеспечивающую глубокие знания и понимание технологий аддитивного производства. В результате освоения программы студенты получают навыки, необходимые для:

— 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].

EITM является частью Европейского института инноваций и технологий (EIT). EITM предлагает двухгодичную программу «Аддитивное производство для полной гибкости» (Additive Manufacturing for Full Flexibility), которая является программой двух дипломов.

Образовательная программа «Аддитивное производство для полной гибкости» — это изучение технологий производства, в том числе физики процессов аддитивного производства; техническое проектирование, включая методы проектирования, приме­няемые при разработке индивидуализированных продуктов и услуг; управление произ­водством, включая гибкость, применяемую в производстве малых серий.

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].

Университет предлагает двухлетнюю образовательную программу магистратуры «Аддитивное производство», направленную на подготовку специалистов (магистров) в области быстрого изготовления пресс-форм, штампов, инструмента с применением аддитивных технологий (Rapid tooling). Подготовка магистров основана на получении теоре­тических знаний и практических навыков в области исследования и оптимизации процессов изготовления изделий с применением аддитивных технологий, топологической оптимизации и бионического дизайна и т. п. Большое внимание в образовательной программе отводится изучению современных программных комплексов, применяемых в области аддитивных технологий.

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

Сколтех реализует магистерскую программу «Передовые производственные технологии», направленную на разработку и внедрение новых моделей проектирования и производства, основанных на компьютерном моделировании, применяемом для разработки передовых материалов, конструкций и инженерных систем с увеличенным жизненным циклом, механическими и физическими характеристиками, востребованными в высокотехнологичных отраслях. Программа создана для подготовки нового поколения исследователей, инженеров и практиков, ориентированных на последующую исследова­тельскую и инновационную деятельность в секторе высоких технологий.

Колледжи, относящиеся к системе среднего профессионального образования (СПО), также предлагают образовательные программы, ориентированные на подготовку молодых кадров в области аддитивного производства. Преподавание аддитивного произ­водства представлено в виде полноценной образовательной программы подготовки молодых специалистов среднего звена — техников (среднее профессиональное образование). В 2021 году по данным сайта https://postupi.online/ в разных регионах РФ 25 колледжей планируют принять студентов на образовательную программу «Аддитивные технологии» направления подготовки 15.02.09 «Аддитивные технологии». Такое единодушие колледжей основано на том, что существует принятый федеральный государственный образо­вательный стандарт (ФГОС) по направлению 15.02.09 «Аддитивные технологии», определяющий регламент подготовки техников по аддитивным технологиям в колледжах. Первая версия ФГОС была принята в 2015 году примерно в одно время с выходом профессионального стандарта 40.159 «Специалист по аддитивным технологиям». В Москве первый выпуск техников по направлению 15.02.09 состоялся в 2020 году в колледже предпринимательства № 11. Некоторые из молодых специалистов поступили в московские вузы на родственную образовательную программу, в частности, в Московский политехнический университет. В настоящее время ведутся работы по внесению изменений в ФГОС СПО. В 2020 году на сайте https://profstandart.rosmintrud.ru/ опубликовали обновление профессионального стандарта «Специалист по аддитивному производству», в котором обновлен уровень квали­фикации 5 и появились дополнительные уровни квалификации (6, 7).

В эти уровни квалификации внесено дополнение в требование к образованию и обучению — добавлено высшее образование: бакалавриат и магистратура. Таким образом, выпускники бакалавриата и магистратуры вузов по профильным образовательным программам имеют возмож­ность трудоустроиться в соответствии с профессиональным стандартом 40.159 «Специалист по аддитивному производству».

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, 

кафедра «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии», petrov_p@mail.ru

Литература

1. Маренкова А. В., Дикарева В. В., Петров П. А., Сапрыкин Б. Ю.  
2. Применение T-FLEX-анализа для определения коэффициента запаса образца ПЛА-пластика на растяжение. // Станкоинструмент. 2020. № 3 (20). С. 62–69.
3. https://conf.viam.ru/conf/337/1275
4. Рынок технологий 3D-печати в России и мире: перспективы внедрения аддитивных технологий в производство. https://delprof.ru/press-­center/open-analytics/rynok-­tekhnologiy‑3d-pechati-v-rossii-i-mire-perspektivy-­vnedreniya-additivnykh-­tekhnologiy-v-proizv/
5. Andreas Kirchheim, Hans-­Jörg Dennig, Livia Zumofen. Why Education and Training in the Field of Additive Manufacturing is a Necessity. In: Meboldt M., Klahn C. (eds) Industrializing Additive Manufacturing — Proceedings of Additive Manufacturing in Products and Applications — AMPA2017. AMPA 2017. Springer, Cham, 2018, pp. 329–336. https://doi.org/10.1007/978–3–319–66866–6_31
6. Huang, Y., Leu, M.: Frontiers of Additive Manufacturing, Research and Education, Report of NSF Additive Manufacturing Workshop, 11–12 July 2013, Published by University of Florida, Gainesville (2014)
7. EFI Expertenkommission Forschung und Innovation (Hrsg.): Gutachten zu Forschung, Inno-vation und technologischer Leistungsfähigkeit Deutschlands Additive Fertigung (3D-Druck) (2015)
8. Simon Forda, Tim Minshall. Invited review article: Where and how 3D printing is used in teaching and education. // Additive Manufacturing 25 (2019) pp. 131–150
9. Müller, C.: Gestaltung von problembasierten Lernumgebungen (Problem-­based Learning). Eine Analyse aus motivations- und kognitionspsychologischer Sicht, Netzwerk, Januar 2008.
10. J. Go, A. J. Hart, A framework for teaching the fundamentals of additive manufacturing and enabling rapid innovation, Addit. Manuf. 10 (2016) 76–87.
11. Петров П. А., Строков П. И. Современный ТРИЗ в системе подготовки специалистов для аддитивного производства. // Станкоинструмент, 2(15), 2019, стр. 104–110
12. PennState, Additive Manufacturing and Design Master's Degree Program, (2018) http://amdprogram.psu.edu.
13. U. of Nottingham, Additive Manufacturing and 3D Printing MSc, (2018) https:// www.nottingham.ac.uk/pgstudy/courses/mechanical-­materials-andmanufacturing-­engineering/additive-­manufacturing-and‑3d-printing-msc.aspx
14. UTEP, Graduate Certificate in 3D Engineering and Additive Manufacturing, (2018) http://catalog.utep.edu/grad/college-of-engineering/mechanical-­engineering/ grcertificate‑3dam/
15. U. of Maryland, Additive Manufacturing, (2018) https://advancedengineering.umd.edu/additive-­manufacturing.
16. https://tu-freiberg.de/fakult4/imkf/bachelor-­studiengang-additive-­fertigung-ab-wintersemester‑201920
17. https://edtechmagazine.com/higher/article/2020/01/colleges-­tailor-additive-­manufacturing-curricula-­demand-careers-­perfcon
18. https://learn-xpro.mit.edu/additive-­manufacturing
19. https://new.mospolytech.ru/postupayushchim/programmy-­obucheniya/bakalavriat/additivnye-­tekhnologii/
20. https://www.nottingham.ac.uk/pgstudy/course/taught/additive-­manufacturing-and‑3d-printing-msc
21. https://apply.eitmanufacturing.eu/courses/course/13‑msc-additive-­manufacturing-full-flexibility?search=669
22. https://www.uu.se/en/admissions/master/selma/program/?pKod=TAT2M&pInr=&lasar=20%2F21
23. https://new.mospolytech.ru/postupayushchim/programmy-­obucheniya/magistratura/additivnoe-­proizvodstvo/
24. https://www.skoltech.ru/en/education/msc-programs/amt/

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 4-2021