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

• Покрасочный бокс BD-510
• Верстак Wolfcraft Master Cut 1000
• Рабочие столы Диполь СР-12
• Шкаф для комплектующих Диполь ШКХ-2

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

• Начало (2012, все тогдашние мечты сбылись)
• Победы учеников ФМЛ № 30 и их работы (2012-2014): 1, 2, 3, 4, 5, 6
• Видеорепортаж СПб ТВ (2012)
• 3D-принтер и лазерный гравёр
• Фрезерный станок
• Работы участников проекта «инженеры будущего»
• Видео канала «Россия 2» (2014, фрагмент фильма «Основной элемент. Трехмерное моделирование»)

Визит в СПбГПУ

На летних каникулах для учащихся спецкурса инженерного 3D-моделирования ФМЛ № 30 был организован визит в СПбГПУ. Политех исторически является ведущим вузом города по обучению инженерным специальностям. Школьники познакомились со специалистами трёх кафедр, каждая из которых ждёт абитуриентов, имеющих интерес к моделированию, проектированию, инженерному делу, механике и САПР.


1. Кафедра «транспортные и технологические системы» (Институт металлургии, машиностроения и транспорта).

Сергей Алексеевич Соколов, профессор кафедры, рассказал о работах учащихся и выпускников кафедры и провёл экскурсию по лаборатории опытного производства.

Алексей Грачёв, ассистент кафедры, рассказал о применении метода конечных элементов для расчёта грузонесущих металлоконструкций и провёл небольшую демонстрацию.

2. Кафедра «компьютерные технологии в машиностроении» (Институт металлургии, машиностроения и транспорта ).

Заведующий кафедрой Николай Николаевич Шабров рассказал о цепочке технологий, использующихся для виртуального прототипирования сложных технических изделий, включая моделирование в системах виртуального окружения.

Школьникам была продемонстрирована система CAVE 3D (Computer Aided Virtual Environment): в буквальном смысле слова трёхмерная интерактивная среда с эффектом полного погружения в виртуальный объект. Данная среда, вкупе со специализированным программным обеспечением, служит центром принятия решений по проектам, включая анализ решений экстраординарных задач, которые невозможно обработать в распространённых программных пакетах для инженерных расчётов (ANSYS, Abaqus).

Работоспособность системы в реальном времени обеспечивает вычислительный кластер, занимающий целый шкаф и расположенный в отдельной комнате:

3. Кафедра «Механика и процессы управления» (Институт прикладной математики и механики).

Александр Немов, ассистент кафедры, рассказал о проблемах, стоящих перед современным глобальным рынком инженерных расчётов и показал презентацию, в которой было охвачено многообразие проектов, выполняемых выпускниками и студентами кафедры (начиная с 4-го курса) — в масштабах от нанометров до километров. Среди объектов расчётов: микромеханические системы, атомные станции, международный токамак ITER, радиотелескоп РТ-70 и шпиль Петропавловской крепости.

Анна Давлечина, инженер, выпускница кафедры, рассказала об автомобильном направлении лаборатории «Вычислительная механика» и о краш-тестах автомобилей, расчётом которых лаборатория занимается для российских и зарубежных заказчиков.

Общий итог — выпускники ФМЛ № 30 не будут иметь никаких проблем с трудоустройством, было бы желание учиться.

Первые соревнования Scalextriс4Schools в России

На третьем году существования учебной программы Scalextric4Schools в России впервые состоялись местные соревнования между школами Санкт-Петербурга. Финальный заезд, в котором участвовали семеро учеников, каждый со своей автомоделью, состоялся в Лицее № 244 Кировского района. По случаю такого знакового события была организована пресс-конференция «Современные технологии в образовании: инженерное 3D-моделирование в школах», со следующими участниками:

• Сергей Леонидович Светлицкий, директор лицея № 244;
• Александр Сайгин, финансовый директор компании «ИРИСОФТ», выпускник ФМЛ №30;
• Ольга Шартукова, руководитель академической программы компании «ИРИСОФТ», выпускница ФМЛ №30;
• Иван Галкин, заместитель директора лицея № 244 по ИТ и руководитель лаборатории инженерного 3D моделирования в лицее № 244;
• Наталия Владимировна Губкова, главный специалист отдела развития образования Комитета по образованию Санкт-Петербурга;
• Дмитрий Павлов, выпускник, педагог дополнительного образования и руководитель лаборатории инженерного 3D моделирования в ФМЛ № 30;
• Дмитрий Орлов, руководитель академической программы PTC в России и странах СНГ.

Для представителей СМИ Санкт-Петербурга участники пресс-конференции рассказали об истории образовательного проекта, о поддержке дополнительного образования в школах, об особенностях преподавания инженерного 3D-моделирования в младших и старших классах, и о том, каких специалистов ждут инженерные предприятия города.

После докладов и ответов на вопросы состоялась небольшая экскурсия по инженерной лаборатории 244-го лицея. Основные станки в лаборатории — 3D-принтер, фрезерный станок и лазерный гравёр — совпадают с теми, которые есть в ФМЛ № 30, т.к. были поставлены в рамках единой программы.

После экскурсии состоялся финальный заезд, в котором младшие классы соревновались наравне с старшими. Правила были просты: каждый из семи участников, управляя своей собственной автомоделью, должен был проехать 10 кругов трассы за минимальное время.

Жюри состояло из троих преподавателей, включая Владимира Суздальцева, выпускника и преподавателя инженерного моделирования для 9-х классов в ФМЛ № 30.

Призы и официальные грамоты были предоставлены компаниями PTC и «ИРИСОФТ». Медали были изготовлены в лаборатории ФМЛ № 30 на лазерном гравёре:

Результаты:

• 1-е место: Максим Пьянков, 9-2 класс, ФМЛ №30
• 2-е место: Вадим Покатилов, 10-6 класс, ФМЛ №30
• 3-е место + приз за лучший круг: Михаил Сладков, 5-А класс, лицей №244

Автомобили других участников немногим уступали в скорости. Лишь удача помогла старшеклассникам одержать верх, что ещё раз доказывает: САПР и технологии цифрового производства можно успешно осваивать в любом возрасте.

Статья в газете «Санкт-Петербургские ведомости».
Статья в журнале «Эксперт Северо-запад».
Новость на сайте Администрации Санкт-Петербурга.
Фотоотчёт на сайте 244-го лицея.

Фотографии предоставлены фотостудией Trend Foto.

«Будущее сильной России – в высоких технологиях»

Завершилась VIII Открытая юношеская научно-практическая конференция «Будущее сильной России — в высоких технологиях», проходившая на территории Аничкова дворца в Санкт-Петербурге. Конференцию посетили сотни старшеклассников и преподавателей со всей страны. Ученики представили свои работы на восьми секциях, прозвучало более 120 докладов.

12 учеников спецкурса инженерного 3D-моделирования ФМЛ № 30 приняли участие в конференции в секции информационных технологий и 3D-моделирования.

Слушателями секции были сами участники, их преподаватели, а также команда жюри из четырёх человек — представителей вузов и инженерных предприятий.

Некоторые из представляемых учениками работ были продемонстрированы в действии. Цифровые 3D-модели были воплощены в реальность с помощью 3D-принтера, установленного в ФМЛ № 30.

На церемонии закрытия призы победителям секции вручали: Елена Георгиевна Семёнова, директор Института инноватики и базовой магистерской подготовки ГУАП и Юрий Евгеньевич Актерский, начальник учебно-методического центра ОАО НПП «Радар ММС».

ФМЛ № 30 — абсолютный победитель секции:

• 1-е место: Екатерина Зайцева (10-6 класс), работа «Создание модели зажигательного утройства в Creo»
• 2-е место: Николай Эбель (10-5 класс), работа «Модель мотовелосипедного двигателя внутреннего сгорания „Д5“»
• 3-е место: Дмитрий Кутин (11-4 класс) и Александр Нарядчиков (10-1 класс), работа «Создание модели вертолёта»

Поздравляем победителей и желаем успехов всем участникам в следующем году!

Список участников
Видеоприветствие участникам
Видеорепортаж Аничкова дворца
Подведение итогов
Список победителей

Победа на соревнованиях по инженерному 3D-моделированию

В Санкт-Петербургском городском дворце творцества юных состоялось первое в своём роде международное соревнование по инженерному 3D-моделированию. Победители заочного этапа — школьники из России, Англии и Австралии — состязались за звание лучших на очном этапе в течение одного часа.

Соревнование проводилось в рамках V Петербургского образовательного форума.

Параллельно с соревнованием шёл семинар, на котором представители средних учебных заведений делились опытом создания лабораторий инженерного моделирования и цифрового производства. Можно уверенно сказать, что в стране за последние годы сделан колоссальный рывок вперёд. Появляется всё больше школ и детских творческих центров, где используют передовое ПО и современные средства прототипирования.

Успехи ФМЛ № 30 в этой области были продемонстрированы публике на небольшой выставке:

На выставке были представлены и творения 5-классников из кружка 3D-моделирования Лицея № 244.

Тем временем, очный этап соревнования проходил в одном из помещений Отдела техники СПбГДТЮ:

Модели выполнялись участниками в САПР Creo Parametric:

Участники из других городов и стран выполняли конкурсное задание удалённо, пользуясь видеосвязью с центром:

Одним из членов жюри был Андрей Александрович Курников, ведущий инженер отдела CAD/CAM/CAE компании «ИРИСОФТ».

В возрастной категории категории для 9-11 классов ученики спецкурса инженерного 3D-моделирования ФМЛ № 30 заняли весь пьедестал!

1-е место — Максим Пьянков, 9-2 класс
2-е место — Михаил Яковлев, 10-6 класс
3-е место — Дмитрий Кутин, 11-4 класс и Николай Эбель, 10-5 класс

Дипломы победителей и призы вручал председатель жюри Владимир Николаевич Крутов, профессор СПбГПУ:

Ещё одно 3-е место занял Robert Brady, ученик OLQP Catholic Engineering College, г. Скелмерсдейл, Англия. Его приз, а также дипломы других 3-х победителей заочного тура из OLQP получил Нил Данбар (Neil Dunbar), приехавший в Россию для участия в Петербургском образовательном форуме впервые в жизни!

В возрастной категории категории для 5-8 классов 1-е и 3-е места заняли ученики 244-го лицея. Победитель — пятиклассник Арсений Борышев, автор модели лего-мэна (см. фото выше). Поздравляем!

Положение о проведении соревнований
Победители заочного этапа
Результаты очного этапа на сайте администрации Санкт-Петербурга
Результаты очного этапа на сайта Аничкова дворца
Репортаж петербургских «Вестей» на канале «Россия-1»

Все фотографии в данном тексте позаимствованы у Игоря Бакустина, фотографа Аничкова дворца.

Неоспоримая победа в конкурсе «3D Booom!»

Стали известны результаты Первого открытого всероссийского конкурса творческих работ школьников «3D Booom!». В конкурсе принимали участие 170 школьников со всей страны. Семь учеников спецкурса инженерного 3D-моделирования ФМЛ № 30 участвовали в трёх номинациях конкурса в возрастной категории 9-11 класс — и одержали победу во всех трёх номинациях, что подтверждает верность выбранного в ФМЛ № 30 курса на подготовку молодых специалистов в области инженерного 3D-моделирования. Ученики, занявшие 2-е место, были превзойдены лишь своими коллегами по команде.

Ученики выполняли свои модели в САПР PTC Creo 2.0 Academic. Работы победителей:

• Никита Желудков, 10-6 класс, «Башня»

(модель в формате Creo, модель на сайте SketchFab)

• Николай Эбель, 10-5 класс, «Тишина»

(модель в формате Creo, модель на сайте SketchFab)

• Арсений Поляков, 9-5 класс, «Требушет»

(модель в формате Creo, модель на сайте SketchFab)

• Иван Фёдоров, 10-5 класс, «Бокал Пифагора»

(модель в формате Creo, модель на сайте SketchFab)

Модель Ивана Фёдорова была особо отмечена партнёрами конкурса — сервисом 3D-печати «Can Touch»:

Эта модель полностью готова к печати и не содержит ни одной ошибки. Важным фактором, повлиявшим на наше решение, было то, что эту модель нельзя изготовить цельной никаким другим образом, кроме как 3D-печатью. Только 3D-печать позволяет изготовить такие сложные конструкции неразборными. Также нам понравилась задумка автора и ее эстетическое исполнение.

Поздравляем участников с заслуженной победой!