Friday, August 29, 2014

Лаборатория инженерного 3D-моделирования

В 2013-2014 учебном году в ФМЛ № 30 была развёрнута лаборатория инженерного 3D-моделирования. Это первая лаборатория в стране, дающая возможность старшеклассникам работать с профессиональным ПО и современным оборудованием. Пользователями лаборатории стали ученики спецкурса по инженерному 3D-моделированию и робототехники. Многочисленные победы учеников на всевозможных конкурсах (1, 2, 3, 4) подтвердили верность выбранной в ФМЛ № 30 стратегии образовательной программы, целью которой является подготовка инженерных кадров нового поколения.

В основе упомянутой стратегии лежат три принципа:
  1. Работа учеников в профессиональной системе автоматизированного проектирования (САПР);
  2. Доступ к станкам с числовым программным управлением (ЧПУ) для производства 3D-моделей, созданных школьниками;
  3. Сотрудничество с вузами и предприятиями города.

САПР

Эскизы, 3D-модели, сборки и чертежи делаются учениками в САПР Creo Parametric (ранее известной как Pro/ENGINEER) производства компании PTC. Используется версия Creo 2.0 Academic Edition, не имеющая видимых отличий от профессиональной Creo, кроме форматов файлов и поддержки некоторых специализированных дополнений. Интерфейс программы достаточно прост в освоении; старшеклассники проходят основы 3D-моделирования по учебникам, составленных для профессиональных инженеров, без скидок на юный возраст.



Creo используют многие из крупнейших инженерных предприятий как в северо-западном регионе, так и в целом в стране и в мире. Нет нужды говорить о том, насколько высоко ценятся на рынке труда молодые специалисты, владеющие современным ПО (а в случае выпускников ФМЛ № 30 — ещё и имеющие солидную математическую подготовку).

Одновременно с приобретением Creo в лаборатории были прочитаны учебные курсы по этой САПР специалистами компании «ИРИСОФТ» (1, 2).

В дополнение к САПР Creo, в лаборатории установлены смежные продукты PTC, а именно:
  • Windchill — система совместной работы в Creo и поддержки жизненного цикла продукта (product lifecycle management, PLM)
  • Mathcad — интерактивная среда для математических расчётов

Станки

Благодаря станкам с ЧПУ, установленным в лаборатории, ученики могут в кратчайшие сроки воплощать свои 3D-модели в твёрдом материале. Станки значительно расширяют горизонты учебной программы, а также дают ученикам представление о технологических процессах вне САПР — от прототипирования до цифрового производства.

1. 3D-принтер Stratasys Dimension Elite

3D-печать осуществляется по технологии наплавления нити (fused deposition modeling, FDM). Размер рабочего поля — 20×20×30 см. Точность печати — 0.174 или 0.254 мм, в зависимости от выбранного режима.

Станок управляется с компьютера программой CatalystEX, в которую загружается файл модели в формате STL, экспортированный из Creo. По геометрии модели составляется управляющая программа (G-код) для печатающей головки 3D-принтера.

Головка имеет две фильеры, одна из которых подаёт материал модели (АБС-пластик цвета слоновой кости), а вторая — растворимый материал поддержки (коричневый).

Печать происходит на сменной платформе в печи при температуре 75°, а температура в фильерах доходит до 250°. После печати материал поддержки вымывается щелочным раствором в специальной ванне.

Благодаря наличию материала поддержки, допустима печать моделей любой формы, практически без ограничений. Благодаря высокой разрешающей способности, 3D-принтер может изготавливать детали толщиной от 1 мм, с детализацией от 0.5 мм.

2. Лазерный гравёр ZEONMARK LWG-5030

Оснащён 40-ваттным CO2-лазером. Размер рабочего поля — 50×30 см. Функции:
  • Резка акрила
  • Гравировка на дереве, пластике, акриле (в т.ч. двуслойном)
  • Гравировка на металле (при использовании термопасты)

G-код для станка генерируется в программе LaserCut 5.3, в которую загружаются двухмерные контуры в формате PLT. В свою очередь, PLT-файлы могут быть получены из DXF-файлов, экспортируемых из Creo, в одной из программ векторной 2D-графики, например Inkscape. Станок имеет два режима работы: режим резки и режим гравировки. Переключение режимов осуществляется в управляющей программе; в ней же пользователь может настроить такие параметры, как мощность лазера и скорость движения по траектории. Параметры индивидуально подбираются в зависимости от материала и толщины.

В одной программе можно сочетать режимы резки и гравировки, и в каждом из режимов комбинировать контуры с различными параметрами лазера, что позволяет резать без дефектов и получать сколь угодно сложный рельеф практически на любом материале.

3. Фрезерный станок Roland MDX-40A

Оснащён шпинделем на 15000 об./мин. Размер рабочего поля — 30×30×10 см. Функции станка:

  • Фрезерование по дереву, воску, пластику
  • Гравировка на пластике и дереве
  • Сверление отверстий
  • Благодаря наличию сенсорной головки ZSC-1: сканирование рельефа поверхностей
  • Благодаря наличию поворотной оси ZCL-40A: фрезерование круглых деталей (т.н. «4D-фрезерование»)

Управляющая программа станка (Roland SRP Player) принимает на вход модель в формате STL.

Пользователем вводятся размеры заготовки, размеры используемых фрез и другие параметры, специфичные для заданной пары «фреза-материал»: подача, скорость вращения шпинделя, точность, шаг по глубине.

В процессе работы можно изменить подачу и число оборотов фрезы с помощью программы VPanel, которая непрерывно контролирует работу станка.

Как правило, фрезерование изделия происходит в два этапа: грубая обработка (фрезой 6 мм с шагом около 1 мм) и точная обработка (фрезой 1-2 мм с шагом 0.1 мм). При переходе от грубой обработке к точной требуется ручная замена фрезы. Однако, результат полностью оправдывает неудобства: поверхность изделия проработана до мельчайших деталей и является абсолютно гладкой на ощупь.

4. Токарный станок Proxxon PD 230/E


Оснащён 150-ваттным приводом и шпинделем на 3000 об./мин. Максимальная длина обрабатываемой детали — 230 мм. Функции станка:
  • Обработка дерева, пластика, стали, латуни, алюминия
  • Сверление отверстий
  • Нарезание резьбы
Из всех станков, установленных в лаборатории, только токарный не имеет ЧПУ и управляется полностью вручную (токарные станки с ЧПУ достаточно сложны в управлении и требуют серьёзной подготовки).

Расходные материалы

Расходные материалы для лазерной резки, фрезеровки и токарной обработки широко доступны и достаточно дёшевы. Проблем с их возобновлением не предвидится.

  • Листы акрила толщиной 2 мм и 3мм
  • Деревянные бруски
  • Пластиковые браски
  • Фанера
  • Латунные и алюминиевые заготовки
Иначе обстоит дело с расходными материалами для 3D-печати: картриджи с материалом модели и материалом поддержки, а также сменные платформы являются товарами, специфичными для данной модели 3D-принтера, и доступны только через официальных поставщиков. В изначальной поставке к 3D-принтеру прилагается комплект из 10 картриджей материала модели, 10 картриджей материала поддержки и 80 платформ. Данного комплекта, при умеренном использовании, хватает на два года.

Резцы для токарного станка и фрезы также являются расходными материалами. Впрочем, эти товары представлены у большого количества производителей и поставщиков. Комплекты резцов и фрез, имеющиеся в лаборатории, рассчитаны на один-два года работы.


Компьютеры

Creo, управляющие программы для станков и другое ПО установлено на профессиональные рабочие станции DELL следующей конфигурации:

  • Процессор Intel Core i7
  • 8 ГБ ОЗУ
  • Профессиональная видеокарта nVidia Quadro 2000
  • HDD 500 ГБ
  • ОС Windows 7 Professional 64-битная
  • Монитор Dell UltraSharp 24″ (на компьютерах для управления станками 21.5″)


Прочее оснащение

Безопасность

Одно из условий функционирования лаборатории в стенах школы — соблюдение повышенных требований к безопасности и эргономики.

  • Всё оборудование работает от евро-розеток 220 В с заземлением;
  • все силовые и слаботочные кабели спрятаны в кабель-каналы;
  • лазерный гравёр и фрезерный станок снабжены защитными кожухами; 3D-принтер имеет автоматически запирающуюся дверцу; токарный станок установлен на специальном поддоне;
  • в помещении сделана надёжная гидроизоляция;
  • при отделке помещения использовались непожароопасные материалы;
  • в помещении работает приточная вентиляция;
  • вытяжки лазерного станка и покрасочного бокса подсоединены к специальной системе вентиляции, которая отводит воздух с вредными веществами на уровень крыши здания;
  • ученики не допускаются к самостоятельной работе на станках.

Фотохроника

Помещение после ремонта:

Привезённые компьютеры и станки:

Ученики занимаются обустройством компьютерного класса:

Ученики занимаются сборкой мебели:

Комната со станками:

Сборочные и покрасочные работы:

Занятие в компьютерном классе:

Визит гостей с кафедры «компьютерные технологии в машиностроении»:


Благодарности

Создание лаборатории не стало бы возможным без помощи наших партнёров и спонсоров:

  • Parametric Technology Corporation и лично Дмитрий Орлов: спасибо за колоссальную организационную работу и помощь по установке Creo в школе.
  • ООО «ИРИСОФТ» и лично Ольга Михайловна Шартукова: спасибо за финансовую и организационную поддержку («ИРИСОФТ» также являлся головным поставщиком большей части оборудования лаборатории).
  • Комитет по образованию Санкт-Петербурга и лично Наталья Владимировна Губкова: спасибо за активное участие в популяризации и развитии инновационной учебной программы. (Средства на закупку компьютеров, ПО и станков были выделены из федеральной субсидии на реализацию мероприятий по модернизации системы общего образования Санкт-Петербурга.)
  • Группа компаний «Транзас» и лично Николай Васильевич Мужиков: спасибо за выделение спонсорской помощи на ремонт помещения для лаборатории.
  • Компания «СтарЛайн» и лично Темур Асрорович Аминджанов: спасибо за постоянную спонсорскую поддержку инженерного направления ФМЛ № 30.
  • Спасибо администрации и преподавательскому составу ФМЛ № 30, которые поддержали создание передовой лаборатории не только словом, но и упорным трудом.
  • Спасибо многочисленным выпускникам ФМЛ № 30 за спонсорскую и иную поддержку на протяжении многих лет.
Кроме спонсоров и партнёров ФМЛ № 30, благодарности достойны компании, которые просто хорошо сделали свою работу:
  • «СОЛВЕР», поставщик 3D-принтера
  • «Зенон», поставщик лазерного гравёра
  • «ЛРТ», поставщик фрезерного станка
  • «Диполь», поставщик рабочей мебели
  • «Стройпроект» и лично Важенин Владимир Петрович, подрядчик по ремонту помещений

Аналоги

Лаборатория в ФМЛ № 30 — первая, но, к счастью, уже не единственная в своём роде в России, и даже в Петербурге. Аналогичные лаборатории созданы в Лицее № 244 и Аничковом лицее. Также следует отметить набравшее силу движение «Фаблаб» и его петербургского представителя «Фаблаб-Политех» — в большей степени это место предназначено для студентов, но открыты двери и для школьников.

Ссылки

Posted by at No comments:
Location: 7-ya liniya, 52, Saint Petersburg, Russia, 199178
Subscribe to: Posts (Atom)