Моделирование и 3Д-печать в школе (личный опыт)

В комментариях к одной из моих предыдущих заметок просили рассказать, что именно мы моделируем и печатаем в школе, в рамках занятий по моделированию «Точки роста». Что же, под конец года накопилось некоторое количество материала, завершаются несколько интересных проектов, и теперь действительно есть, что рассказать и показать.

Сразу замечу, что в этом году (и в прошлом тоже) самые интересные проекты формально не имеют отношения к «Точке роста» - их выполняли (в качестве выпускных проектов) девятиклассники, которые в занятиях «ТР» задействованы не были. Т.е. проекты они делали самостоятельно, в основном дома. А результаты их работы я напечатал на школьном принтере (не том, который пришёл по «Точке роста» и стоит в коробке уже почти полтора года, а на слегка модернизированном Ghost 5).

Но начну, пожалуй, с работ учеников помладше, сделанных в рамках «ТР» (как на уроках информатики, так и на «внеурочке»). За два года у меня сложился свой алгоритм обучения основам 3Д-моделирования. Работаем мы во FreeCAD. Эта программа, во-первых, абсолютно бесплатная. Во-вторых, работает оффлайн (с наши небыстрым интернетом, обвешанным контентными фильтрами, это важно). А в-третьих, достаточно нетребовательная к ресурсам компьютеров (у меня в кабинете машинки 10-летней давности: 2 ядра, 4 Гб оперативки и SSD на 120 Гб — даже Компас притормаживает). Blender иногда используем, но он тормозит, да художка — не моё направление, мне ближе техническое моделирование.

Собственно, изучать начинаем с беглого знакомства с интерфейсом FreeCAD, параллельно даю немного теории (принципы FDM-печати, принципы построения моделей). Затем разбираемся, как построить в 3Д разные объекты. Обычно начинаем с моделирования «коробочки» двумя способами — путём сборки из деталей (как в реальном мире), и путём вырезания внутреннего объёма (с 8 класса привязываю к булевой алгебре — они её уже знают; младшим объясняю только на примерах). Первые модели делаем без привязки к размерами — просто на понимание принципов и знакомство с программой.

Затем моделируем по моим чертежам. Самое простое - «кубарик» для бумажек-стикеров. Всем знаком, привязка к реальному применению модели, моделируется легко по 3-4 размерам.

После переходим к «копированию» твёрдых тел. Даю разные образцы. В первый год использовал всё, что под руку попадётся — детскую пирамидку, шкатулку. Потом случайно нашли в старом шкафу в учительской советские конструкторы для обучения черчению. Вот прямо идеально подходит для обучения моделированию. Даю разные детально из конструкторов, делаем 3Д-копии.

Когда дети более или менее научились моделировать по заданию, начинаем творческие проекты. Обычно первым предлагаю придумать «органайзер мечты» для канцелярских принадлежностей. Следующий проект - «машина» (любая, на выбор).

Наконец, мы добрались до самого интересного — проектов девятиклассников. Так уж получилось, что у меня второй год подряд выбирают проекты, связанные с 3Д-моделированием, ученики, которые моделирование изучали в виде краткого курса (в 8 классе на эту тему у меня отведено всего 7 уроков). Поэтому, этим ученикам приходится дополнительно изучать «продвинутые» (пишу в кавычках, т. к. продвинутыми эти функции можно назвать только относительно совсем уж базовых). Возможности FreeCAD (или Blender). Поэтому с точки зрения сложности моделирования эти проекты довольно простые. Но обычно попутно проводится много сопутствующей работы (изучение методов моделирования, измерения и т. п.).

Вот самые интересные проекты прошедших двух лет.

1. Комплект шахмат. Выпускной проект девятиклассника. Моделировал в прошлом году ученик маленькой сельской школы, где я некоторое время работал по совместительству. Полный набор был напечатан и подарен школе. К сожалению, фото результата у меня не сохранилось, а в той школе я больше не работаю и отснять шахматы снова не могу. Но модельки сохранились.

2. Комплект брелоков для школьных кабинетов. Тоже выпускной проект, но уже этого года и в нашей школе. Дизайн простенький, конечно, но зато парень постарался и сделал два десятка брелочков. Печать в разных цветах — для каждого этажа свой цвет. Брелоки уже напечатаны и используются по прямому назначению. Теперь в шкафчике на вахте — красота. В следующем году планируем сделать аналогичный комплект для второго корпуса (начальной школы) — с более весёлым дизайном, а ещё сделать спец-брелоки для всяких спец-дверей (типа выхода на чердак, электрощитовой и т. п.).

3. Таблички для школьных кабинетов. Сейчас у нас с табличками — беда. Где-то не осталось совсем, где-то сохранились советских времён таблички, нарисованные на стеклянных ромбиках (частью уже разбитые). И ещё один девятиклассник это дело решил исправить. В итоге были смоделированы аккуратные таблички с простеньким, но приятным дизайном. Опять-таки смоделирован полный комплект, для всех школьных кабинетов. Сейчас как раз допечатываю последние экземпляры. Устанавливать сам автор планирует в каникулы, в рамках работы в летнем трудовом лагере.

4. Макет здания школы (одного из двух, если точнее). Снова выпускной проект. Честно говоря, ученик немного переоценил свои силы. Хотя с виду модель простая (технически так оно и есть). Но работа осложнялась тем, что макет выполнен с соблюдением точного масштаба (1:72). Размеры брали с официальных планов БТИ на здание. Правда, в ходе работы оказалось, что в этих планах есть ошибки. Например, в паре кабинетов количество окон расходится с реальностью. И, по всей видимости, есть погрешности в размерах, т. к. у нас в итоге не сошлось положение окон на разных этажах. Переделка отняла очень много сил и времени. На печать всего макета ушло больше 2 кг пластика. И это только «чистовая» версия. Ещё килограмм ушёл на «черновики» во время подгонки этажей и просто брак (те же кабинеты с неправильным количеством окон).

За полгода работы над этим макетом принтер несколько раз ломался, ремонтировался, и профили печати приходилось отстраивать снова. Из-за этого отдельные части выглядят не очень хорошо (особенно, если знать, куда смотреть). Плюс, местами вылезали неприятные нюансы при печати. Дело в том, что макет большой (больше метра в длину), и печатался по частям (всего 18 частей, 5 из которых мне пришлось печатать дома, на Reborn'е, т.к. не придумали, как удобно разрезать большие помещения типа спортзала). Нарезка на части шла прямо в модели — по кабинетам. На границе частей делали тонкие стенки (0,8 мм), при склейке которых получалась стена нужной толщины (толщина стен у нас тоже соответствует выбранному масштабу; ну, более или менее :) ).

В целом, 3Д-моделью я лично доволен. Хотя автор под конец сильно устал и последние исправления делал «на отвяжись». Для себя я сделал вывод — такие масштабные проекты отдавать одному ученику не стоит.

А вот результатом с точки зрения печати я не горжусь. Качество некоторых частей хромает, а на повторную печать просто не хватало пластика. Из-за этого же макет собран из частей разного цвета. Изначально был синий пластик в нужном количестве, но повторная печать из-за разных ошибок попортила планы.

5. Сова — приз на школьное ЧГК. Да-да, сова знакомая многим. Но «исправленная» в Blender. Это тоже проект толкового, но слегка ленивого девятиклассника (да-да, Лёня, надо работать над собой!). За основу была взята всем известная модель, кусок бревна в её основании был «разглажен» и превращён в сундук. Сверху добавлена академическая шапочка, а снизу — подставка.

Это единственная модель из всех, которую печатали не из PLA, а из прозрачного SBS (Glass от FDPlast). Выглядит довольно эффектно. Теперь у нас есть своя «хрустальная сова», которую можно вручать школьникам-знатокам. Правда, печатать такое можно только в пустом кабинете — всё-таки SBS при печати изрядно пахнет, принтер открытый. Не хочется дышать этим делом. Так что в каникулы, в закрытом кабинете, при открытых окнах. Благо, сквозняков SBS особо не боится.

Пока это всё. Нет, на самом деле есть ещё много всяких мелочей, но они вряд ли кому-то сильно интересны. В планах на следующий год — распространить красивые брелоки и таблички на второе здание школы, сделать органайзеры для некоторого оборудования в кабинетах химии и физики, (возможно) макет здания начальной школы (благо, оно меньше и проще в архитектурном плане).

Ещё есть идея совместить 3Д-печать с электроникой и сделать для школы электронные часы с синхронизацией времени и автоматом подачи звонков. А то у нас до сих пор бабушки-вахтёры звонок подают, сверяясь с китайскими кварцевыми часами на стене. Погрешность от 1 минуты (если часы отстают) до 10 минут, если бабушка заболталась с кем-нибудь :) Но этот проект пока под вопросом — нужно команду девятиклассников уговорить.

UPDATE: Пособие для моделирования деталей и узлов машин найти можно здесь - https://3dtoday.ru/blogs/nik-vr/posobie-dlya-modelirovaniya-detalei-i-uzlov-masin