Аддитивные технологии в системе среднего профессионального и высшего образования

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]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.

 

Таблица 1
Страна Количество университетов, предлагающих программы подготовки по аддитивному производству
  бакалавриат магистратура
США 216***** 6*
Великобритания 124***** 41**
Германия 7***** 4**
Ирландия 5***** 2**
Италия 1***** 1**
Швеция 2***** 4**
Испания 1***** 1***
Турция 9***** 1**
РФ 10**** 11****
Австралия 17***** 1**
Китай 7***** 2**

Примечание:

* по данным сайта https://www.gousa.study

** по данным сайта https://www.findamasters.com/masters-degrees

*** по данным сайта https://eddm.es/en/master-3d-printing-advanced-manufacturing/

**** по данным сайта https://postupi.online/

***** по данным сайта https://www.bachelorsportal.com/

 

 

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»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.

 

Таблица 2
Дисциплина

Объекты, изготавливаемые 

с применением аддитивных технологий

Анатомия

Модели дыхательных путей, кости, 

сердце, легкие, хирургическая модель гортани и т.п.

Искусство Модели культурного наследия
Биохимия Макромолекулярные структуры
Химия Атомная структура, кристаллы, кристаллическая структура, молекулярные структуры, орбитали, p-орбитальные изоповерхности и т.п.
Стоматология

Модели протезов, хирургические  шаблоны и т.п.

Наука о Земле Цифровые модели местности
Математика Геометрические модели
Палеонтология Элементы анатомии вымерших животных и т.п.
Физика Механизмы, детали приборов и т.п.
Зоология Образцы морской биологии

 

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

 

Теги: 

Аддитивные технологии в системе среднего профессионального и высшего образования, Московский политехнический университет, журнал "РИТМ машиностроения" № 4-2021

Другие материалы:

 

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи или пресс-релизы
со ссылками и изображениями. info@additiv-tech.ru