Гость блога – Павел Петров, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии» Московского политехнического университета.

Павел Александрович – руководитель образовательной программы «Аддитивные технологии» в своем вузе, и сегодня мы поговорим об опыте внедрения 3D-технологий в учебный процесс, в том числе о формировании образовательной программы по технологиям 3D-печати. Опыт этот тем более ценен, что Московский Политех, как многие отмечают, является флагманом проектного обучения.

В беседе были затронуты следующие темы:

1. профессиональные образовательные стандарты;

2. опыт внедрения 3D-технологий в учебном заведении;

3. создание научной лаборатории в стенах вуза.

Профстандарты и программы обучения 3D-технологиям в России

– Павел Александрович, как давно в Московском Политехе действует образовательная программа по аддитивным технологиям?

– В 2014 году в образовательный процесс было запущено проектное обучение, и тогда же в стенах университета впервые был проведен набор на программу «Компьютерное моделирование и прототипирование». Это была первая версия образовательной программы, связанной с аддитивными технологиями.

Основная ее идея заключалась в том, чтобы за четыре года обучения сформировать у студентов бакалавриата универсальные технологические компетенции в сфере 3D-технологиий: и сканирования, и моделирования, и печати. Конечно же, на уровне инженера, специалиста, который относится не к среднему звену на предприятии. Далее мы посмотрели на процесс формирования образовательной программы, а также изучили, что происходит в мире профессиональных образовательных стандартов.

– Когда в России появился профессиональный стандарт подготовки специалистов по аддитивному производству?

– Первый такой стандарт появился где-то на рубеже 2014-2015 годов. Насколько мне известно, в 2020 году он был переутвержден, в нем появились многие интересные характеристики – например, квалификационные уровни, которые позволяют по данному стандарту принимать работы выпускников вузов с квалификацией бакалавр и магистр.

Отмечу, что в то время, когда мы начинали заниматься разработкой образовательной программы для бакалавриата, этот профстандарт охватывал только выпускников средних профессиональных заведений, колледжей. Собственно, от колледжей в то время был сформирован, образован, утвержден и выпущен первый образовательный стандарт, который регулирует подготовку техников-технологов по направлению 15.02.09 –«Аддитивные технологии».

Первый выпуск молодых специалистов по стандарту СПО был осуществлен в 2020 году, и некоторые из выпускников пришли в Московский Политех поступать на родственную программу «Аддитивные технологии».

Профстандарт №40.083 «Специалист по компьютерному проектированию технологических процессов»
Получаемые знания и навыки:

• знать и уметь пользоваться численными методами, востребованными в АП;

• уметь разрабатывать и совершенствовать технологические процессы АП;

• уметь оптимизировать, в том числе на основе принципов бионического дизайна форму инструмента и изделия;

• уметь подбирать оборудование для реализации технологических процессов и проектировать производственные участки в профессиональной области;

• уметь организовывать НИР и ОКР для развития проекта;

• уметь применять специализированные программные комплексы для технологического моделирования и оптимизации технологии в профессиональной области;

• уметь разрабатывать самому и в составе проектной команды проект от идеи до функционального прототипа в профессиональной области.

– Как реализуются программы подготовки по 3D-технологиям в вузах, в том числе в Вашем?

Если говорить о высших школах, то прямого образовательного стандарта на сегодняшний день нет. Насколько он проработан или прорабатывается, сказать не могу. Хочу отметить, что разные вузы, так или иначе занимающиеся аддитивными технологиями и внедряющие на своих площадках образовательные программы либо отдельные курсы по этой тематике, привязывают их к различным направлениям подготовки (если речь идет о полноценной программе бакалавра или магистра).

Быстрое прототипирование – одна из задач, решаемых в лабораториях Московского Политеха © old.mospolytech.ru

Так, в Московском политехническом университете программа по аддитивным технологиям привязана к направлению «Инноватика». Оно достаточно гибкое и позволяет реализовать универсальную образовательную программу, в которой уживаются технологии 3D-печати, работающие и с термопластичными, и с фотополимерными, и с порошковыми материалами. Здесь нет какого-то ущемления той или иной технологии с учетом того, что каждый из методов аддитивного производства основан на различных физических эффектах.

Некоторые вузы включают учебные программы в направление «Машиностроение» (15.03.01), есть примеры привязки программ магистратуры или бакалавриата к материаловедению и технологии материалов.

Реализация сложных проектов, проведение исследований – как прикладных, так и фундаментальных – и синтез этих знаний используются при реализации отдельно взятых дисциплин в образовательной программе

Конечно же, у каждого направления есть свои достоинства и недостатки. Но было бы очень кстати наличие специализированного образовательного стандарта, который бы целиком и полностью был посвящен аддитивным технологиям и подготовке соответствующего специалиста на ступени бакалавриата. Поскольку, с одной стороны, есть профстандарт «Специалист по аддитивным технологиям», который учитывает, что молодые профессионалы могут готовиться как в колледжах, так и в вузах на ступенях бакалавриата и магистратуры. И, с другой стороны, можно уверенно говорить, что уже идет подготовка молодых специалистов по стандарту «Техник-технолог» в колледжах.

Когда начинается специальность?

– Расскажите, пожалуйста, об образовательной программе бакалавриата «Аддитивные технологии» Вашего университета.

– Эта программа действует в Московском Политехе уже без малого шесть лет. Первый выпуск состоялся в 2018 году, в 2021-м мы выпускаем уже четвертый набор и готовимся к новой приемной кампании. Сейчас у нас студенты учатся на 4, 3, 2, и 1 курсе.

Бакалавриат по аддитивным технологиям рассчитан на 4 года обучения (8 семестров), специализация начинается с первого курса.

Рис. 1. Образовательная программа бакалавриата «Аддитивные технологии»: в каком процентном соотношении специализация распределена по учебным семестрам

В середине обучения, где-то к 6-му семестру, студенты на 100% погружены в специализированные дисциплины. Начиная с 5-6 семестров предполагается, что студенты уже начинают прорабатывать материал для своей основной работы, которая так или иначе связана с аддитивными технологиями, с их практическим применением, с разработками каких-то новых концепций и интересных решений для усовершенствования существующих технологий или повышения их эффективности. Либо предлагают что-то новое и свежее.

– Какая концепция лежит в основе обучения будущих бакалавров?

– Основные смысловые блоки программы (см. рис. 2) связаны с изучением материалов, проектов, проектного управления и интеллектуальной собственности, обратным инжинирингом, аддитивными технологиями и инструментами, которые позволяют выйти на разработку новых концепций для существующих решений.

Рис. 2. Основные смысловые блоки программы бакалавриата «Аддитивные технологии»

Здесь речь идет о методах и инструментах теории решения изобретательских задач, которой уделяется достаточно много внимания, поскольку в этом инструментарии видится достаточно много полезного в части анализа текущего состояния рынка (в частности, рынка патента) и уровня развития технологий.

Соответственно анализ, переходящий в синтез, позволяет привить студентам определенные навыки. А они, в свою очередь, дают возможность не только применять технологии для получения каких-то изделий, но также и размышлять о том, каким образом можно повысить эффективность существующих технологий.

На втором уровне можно выделить с большей детализацией те группы дисциплин, которые вложены в образовательную программу. Как видите, здесь появляются и базовые инженерные дисциплины, и экономические, и общекультурные, повышающие уровень коммуникабельности студентов.  

Безусловно, только лишь реализацией образовательной программы мы не ограничиваемся. Все, что сейчас есть в дисциплинах программы «Аддитивные технологии», так или иначе связано с научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими проектами, которые в разное время реализовывались в стенах Московского Политеха. Получается некий симбиоз. Реализация сложных проектов, проведение исследований – как прикладных, так и фундаментальных – и синтез этих знаний используются при реализации отдельно взятых дисциплин в образовательной программе.

В лаборатории инжиниринга и прототипирования Московского политехнического университета © old.mospolytech.ru

Научная лаборатория в стенах вуза: с чего начать?

– Во многих российских вузах есть лаборатории аддитивных технологий. Московский Политех – не исключение...

– Да, у нас есть подразделения лабораторий, работающие с аддитивными технологиями. Одна из них специализируется на отработке и реализации студенческих проектов, а вторая занимается выполнением научно-исследовательских проектов. Соответственно, первая лаборатория укомплектована персональным, настольным оборудованием, вторая – оборудованием профессиональным и промышленным. 

– Приступая к созданию лаборатории, что нужно учесть?

– Прежде всего следует задать себе три вопроса:

1. С какими материалами планируется работать?

2. Какая тематика НИР- и ОКР-проектов?

3. Есть ли в соседних лабораториях вспомогательное оборудование?

– Павел Александрович, интересно услышать рассказ о проектах Ваших студентов.

– Сейчас у нас выполняются несколько проектов, и я сделал попытку их классифицировать по смысловым блокам образовательной программы.

1. Устройство для определения свойств материала образцов, полученных с применением аддитивных технологий. Это в чистом виде изучение технологических свойств материалов.

2. 3D-печать низкотемпературным пластиком. Кейс связан с разработкой и коммерциализацией решений на основе FDM-подобной технологии. Проект исследует обработку низкотемпературного пластика, в частности, воскоподобного термопластика, позволяющего изготавливать восковки для последующего применения в технологиях литья по выплавляемым моделям. При этом технологический цикл литья по выплавляемым моделям не изменяется, и изделие, полученное на 3D-принтере, на 100% заменяет восковку, которая могла бы быть создана по классической технологии.

Рис. 3. Примеры студенческих проектов

 3. Постобработка поверхности изделия из пластика. С одной стороны, здесь акцент делан на технологии FDM. С другой, были выбраны материалы, которые могут быть напечатаны на FDM-принтере, но из них можно создавать изделия не только общего назначения, но и в первую очередь имеющие определенную функциональность. В чем «изюминка» этого проекта? Ребята работают над изучением свойств материала, изменения его свойств при воздействии разными реагентами, и конечная цель – научиться управлять свойствами термопластика, который уже прошел обработку по FDM-технологии.

4. Микрошнек для 3D-печати термопластичным материалом. Здесь упор делается на обработку высокотемпературного пластика. Данный кейс в большей степени направлен на разработку конструкции микрошнековой 3D-печатающей головки, которая позволяет работать не с филаментом, а с гранульным материалом.

Рис. 4. НИР-проект «Оптические свойства прозрачных пластиков»

Также я хотел бы представить фрагменты выпускных квалификационных работ, которые представлялись на защиту начиная с 2018 года.

Например, это проект «Оптические свойства прозрачных пластиков», который продолжает тему вышеупомянутого кейса №3. Студенты изучают не только механические свойства в рамках проекта постобработки поверхности пластика, прошедшего FDM-печать, но также и оптические свойства. Соответственно, одна из задач – научиться управлять оптическими свойствами, которые при определенных условиях или некотором стечении обстоятельств после 3D-печати на первоначально прозрачных пластиках могут ухудшаться.

На правой нижней фотографии (рис. 4) вы видите две группы образцов, напечатанных на FDM-принтере. В середине фото – образцы, которые прошли постобработку, и их прозрачность доведена до уровня 60-65%. Если говорить в принципе об оптически прозрачном пластике, который, например, используется при термоформовке, то его оптическая прозрачность достигает около 90%. Таким образом, можно сопоставить, до какого уровня сегодня научились устанавливать прозрачность студенты работающих проектов.

Рис. 5. НИР-проект «Создание инструмента из пластика»

И в завершение – практико-ориентированный проект, связанный с изготовлением функционального инструмента по технологии FDM-печати для последующего применения в составе устройства, реализующего пространственную гибку металлических труб малого диаметра. На рис. 5 видны два инструмента (белый и красный), оба они изготовлены из функционального пластика и обеспечивают выполнение рабочего цикла при выполнении операции гибки трубы малого диаметра. Срок изготовления изделий – до 24 часов. 

Реализация сложных проектов, проведение исследований – как прикладных, так и фундаментальных – и синтез этих знаний используются при реализации отдельно взятых дисциплин в образовательной программе

Конечно же, у каждого направления есть свои достоинства и недостатки. Но было бы очень кстати наличие специализированного образовательного стандарта, который бы целиком и полностью был посвящен аддитивным технологиям и подготовке соответствующего специалиста на ступени бакалавриата. Поскольку, с одной стороны, есть профстандарт «Специалист по аддитивным технологиям», который учитывает, что молодые профессионалы могут готовиться как в колледжах, так и в вузах на ступенях бакалавриата и магистратуры. И, с другой стороны, можно уверенно говорить, что уже идет подготовка молодых специалистов по стандарту «Техник-технолог» в колледжах.

Когда начинается специальность?

– Расскажите, пожалуйста, об образовательной программе бакалавриата «Аддитивные технологии» Вашего университета.

– Эта программа действует в Московском Политехе уже без малого шесть лет. Первый выпуск состоялся в 2018 году, в 2021-м мы выпускаем уже четвертый набор и готовимся к новой приемной кампании. Сейчас у нас студенты учатся на 4, 3, 2, и 1 курсе.

Бакалавриат по аддитивным технологиям рассчитан на 4 года обучения (8 семестров), специализация начинается с первого курса.

Источник