Лекция на тему:"Аддитивные технологии. Области применения трехмерного сканирования".

Тема: Аддитивные технологии. Области применения трехмерного сканирования

I. Аддитивные технологии (3D-печать): Общие сведения

·         Определение: Аддитивные технологии (АТ) – это процесс создания трехмерных объектов путем последовательного добавления материала слой за слоем, в отличие от традиционных методов производства, где материал удаляется (например, фрезеровка, токарная обработка). Другое название - 3D-печать.

·         Принцип работы:

1.    Создание 3D-модели объекта в специальном программном обеспечении (САПР).

2.    Разбиение 3D-модели на множество тонких слоев (слайсинг).

3.    Последовательное нанесение слоев материала в соответствии с данными слайсинга.

4.    Соединение слоев для формирования цельного объекта.

·         Материалы: Пластики (PLA, ABS, PETG и др.), металлы (титан, алюминий, сталь и др.), керамика, композиты, фотополимеры, биологические материалы.

·         Основные технологии 3D-печати:

o    FDM (Fused Deposition Modeling) – послойное наплавление расплавленного материала.

o    SLA (Stereolithography) – отверждение жидкого фотополимера лазером.

o    SLS (Selective Laser Sintering) – спекание порошкового материала лазером.

o    DLP (Digital Light Processing) – отверждение фотополимера с помощью проектора.

o    Binder Jetting – склеивание порошкового материала связующим веществом.

II. Преимущества и недостатки аддитивных технологий

·         Преимущества:

o    Возможность создания сложных геометрических форм.

o    Быстрое прототипирование и мелкосерийное производство.

o    Персонализация и кастомизация продукции.

o    Сокращение отходов материала.

o    Производство изделий "по требованию".

·         Недостатки:

o    Ограничения по размерам изделий.

o    Относительно низкая скорость производства для крупных партий.

o    Стоимость некоторых материалов и оборудования.

o    Необходимость постобработки изделий.

o    Ограничения по прочности для некоторых материалов.

III. Области применения аддитивных технологий

·         Прототипирование: Создание макетов и прототипов для проверки концепций и дизайна.

·         Производство:

o    Аэрокосмическая промышленность (детали двигателей, элементы интерьера).

o    Медицина (имплантаты, протезы, хирургические инструменты, модели органов).

o    Автомобилестроение (детали кузова, элементы салона).

o    Строительство (декоративные элементы, прототипы зданий).

o    Производство потребительских товаров (игрушки, сувениры, элементы одежды и обуви).

·         Образование и наука:

o    Создание моделей для обучения и демонстрации.

o    Исследования в области материаловедения и инженерии.

·         Искусство и дизайн:

o    Создание скульптур, ювелирных изделий, предметов интерьера.

·         Стоматология:

o    Создание моделей челюстей, хирургических шаблонов, коронок и мостов.

IV. Трехмерное сканирование: Общие сведения

·         Определение: Трехмерное сканирование – это технология получения трехмерной модели физического объекта путем анализа его формы и размеров.

·         Принцип работы:

o    Сканер проецирует на объект свет (лазер, структурированный свет) или использует другие методы (фотограмметрия, контактные датчики).

o    Датчики регистрируют отраженный свет или другие данные, позволяющие определить координаты точек на поверхности объекта.

o    Специальное программное обеспечение обрабатывает полученные данные и создает 3D-модель.

·         Типы 3D-сканеров:

o    Лазерные сканеры (используют лазерный луч для сканирования).

o    Сканеры структурированного света (проецируют на объект сетку или полосы света).

o    Фотограмметрические сканеры (создают 3D-модель на основе серии фотографий).

o    Контактные сканеры (используют физический контакт с объектом для измерения координат).

V. Области применения трехмерного сканирования

·         Промышленность:

o    Контроль качества (сравнение сканированной модели с CAD-моделью).

o    Обратный инжиниринг (создание 3D-модели существующего объекта для его воспроизводства или модификации).

o    Автоматизация производственных процессов (роботизированная сборка, контроль положения деталей).

·         Медицина:

o    Создание протезов и ортезов.

o    Планирование хирургических операций.

o    Изготовление индивидуальных медицинских изделий.

·         Культура и искусство:

o    Создание цифровых копий исторических артефактов.

o    Реставрация и консервация объектов культурного наследия.

o    Создание виртуальных музеев.

·         Криминалистика:

o    Фиксация места происшествия.

o    Анализ повреждений и травм.

o    Создание 3D-моделей улик.

·         Архитектура и строительство:

o    Обмер зданий и сооружений.

o    Мониторинг деформаций.

o    Создание 3D-моделей местности.

·         Анимация и компьютерные игры:

o    Создание реалистичных 3D-моделей персонажей и объектов.

o    Захват движения (motion capture).

VI. Связь 3D-сканирования и аддитивных технологий

·         3D-сканирование часто используется в сочетании с 3D-печатью для создания точных копий существующих объектов, их модификации или восстановления поврежденных деталей.

·         Процесс: Сканирование -> Обработка данных -> 3D-печать.

VII. Заключение

Аддитивные технологии и трехмерное сканирование – это перспективные направления, которые открывают новые возможности в различных областях деятельности. Их развитие и внедрение продолжают менять способы проектирования, производства и взаимодействия с окружающим миром.

Технология

Тема урока: Аддитивные технологии. Области применения трехмерного сканирования

Класс: 9

Цели урока:

·         Образовательные:

o    Познакомить учащихся с понятием аддитивных технологий (3D-печати) и трехмерного сканирования.

o    Изучить основные принципы работы и типы оборудования для 3D-печати и 3D-сканирования.

o    Рассмотреть области применения аддитивных технологий и трехмерного сканирования в различных сферах деятельности.

o    Ознакомить с преимуществами и недостатками аддитивных технологий.

·         Развивающие:

o    Развивать познавательный интерес к современным технологиям.

o    Развивать навыки анализа, сравнения и обобщения информации.

o    Развивать умение применять полученные знания на практике.

o    Развивать креативное мышление и навыки решения проблем.

·         Воспитательные:

o    Воспитывать интерес к техническим профессиям.

o    Воспитывать чувство ответственности и аккуратности при работе с техническим оборудованием.

o    Формировать понимание важности инноваций и технологического прогресса для общества

Тип урока: Комбинированный (изучение нового материала, практическая работа, обсуждение)

Оборудование и материалы:

·         Компьютер, проектор

·         Презентация по теме урока

·         Видеоматериалы о 3D-печати и 3D-сканировании

·         Образцы изделий, созданных с помощью 3D-печати (если есть возможность)

·         Раздаточный материал (карточки с заданиями, таблицы для заполнения)

·         Программное обеспечение для просмотра 3D-моделей (пример: MeshLab, онлайн-вьюверы)

·         (По возможности) простейший 3D-сканер или возможность демонстрации его работы

Ход урока:

I. Организационный момент (2 минуты)

·         Приветствие учащихся.

·         Проверка готовности к уроку.

II. Актуализация знаний (5 минут)

·         Вопросы для повторения пройденного материала (если тема связана с предшествующими уроками):

o    Какие технологии обработки материалов вам известны?

o    Какие методы используются для создания объемных изделий?

III. Мотивация учебной деятельности (3 минуты)

·         Показ короткого видеоролика о применении 3D-печати в медицине (например, создание протезов) или в аэрокосмической промышленности.

·         Подводка к теме урока: "Сегодня мы познакомимся с технологиями, которые позволяют создавать объекты любой сложности, используя 3D-печать и 3D-сканирование."

IV. Изучение нового материала (25 минут)

1.    Аддитивные технологии (3D-печать): Общие сведения (7 минут)

o    Определение аддитивных технологий.

o    Принцип работы (объяснение процесса создания 3D-объекта по слоям).

o    Основные материалы для 3D-печати (пластики, металлы, керамика и др.).

o    Основные технологии 3D-печати (FDM, SLA, SLS – краткое описание каждой).

o    Демонстрация: Показ образцов изделий, созданных с помощью 3D-печати (если есть).

o    Вопросы к учащимся:

§  В чем отличие аддитивных технологий от традиционных методов производства?

§  Какие материалы можно использовать для 3D-печати?

2.    Преимущества и недостатки аддитивных технологий (5 минут)

o    Список преимуществ (создание сложных форм, быстрое прототипирование, персонализация и др.).

o    Список недостатков (ограничения по размерам, скорость производства, стоимость и др.).

o    Обсуждение: Предложите учащимся привести примеры, когда преимущества 3D-печати наиболее важны.

3.    Области применения аддитивных технологий (7 минут)

o    Прототипирование.

o    Производство (аэрокосмическая промышленность, медицина, автомобилестроение, строительство, производство потребительских товаров).

o    Образование и наука.

o    Искусство и дизайн.

o    Примеры: Показ фотографий или коротких видеороликов с примерами применения 3D-печати в разных областях.

o    Вопросы к учащимся: В каких еще областях можно использовать 3D-печать?

4.    Трехмерное сканирование: Общие сведения (3 минуты)

o    Определение трехмерного сканирования.

o    Принцип работы 3D-сканера.

o    Типы 3D-сканеров (лазерные, структурированного света, фотограмметрические, контактные).

§  Демонстрация (если возможно): Показ работы 3D-сканера (даже самого простого).

5.    Области применения трехмерного сканирования (3 минуты)

o    Промышленность (контроль качества, обратный инжиниринг, автоматизация).

o    Медицина (протезирование, планирование операций).

o    Культура и искусство (создание цифровых копий артефактов).

o    Криминалистика, архитектура и строительство, анимация и игры.

o    Примеры: Показ фотографий или коротких видеороликов с примерами применения 3D-сканирования в разных областях.

V. Первичная проверка понимания (5 минут)

·         Фронтальный опрос:

o    Что такое аддитивные технологии?

o    Назовите основные области применения 3D-печати.

o    Что такое трехмерное сканирование?

o    В чем связь между 3D-сканированием и 3D-печатью?

o    Назовите типы 3D-сканеров.

·         Небольшая викторина (устно или письменно) с вопросами по теме урока. Карточки с вариантами ответа, выбор правильного.

VI. Практическая работа (10 минут)

·         Задание 1 (индивидуально или в группах):

o    Разделить учащихся на группы.

o    Каждой группе выдать карточку с описанием проблемы (например, "Необходимо создать прототип детали для автомобиля" или "Нужно оцифровать старинную вазу для музея").

o    Задача: Определить, какие технологии (3D-печать, 3D-сканирование или их комбинация) целесообразно использовать для решения проблемы. Описать этапы работы.

·         Задание 2:

o    Просмотр готовой 3D-модели (например, на компьютере с установленным соответствующим ПО или онлайн).

o    Задача: Описать, какие детали можно улучшить, используя аддитивные технологии.

VII. Подведение итогов урока (3 минуты)

·         Обсуждение результатов практической работы.

·         Обобщение основных понятий урока.

·         Выставление оценок (при необходимости).

·         Рефлексия: Что нового вы узнали на уроке? Что было наиболее интересным?

VIII. Домашнее задание (2 минуты)

·         Найти примеры использования аддитивных технологий и трехмерного сканирования в конкретной отрасли (по выбору).

·         Подготовить небольшое сообщение (презентацию) об одном из примеров.

Дополнительные советы:

·         Используйте наглядные материалы: презентации, видео, образцы изделий.

·         Вовлекайте учащихся в активную работу: задавайте вопросы, организуйте дискуссии.

·         Предусмотрите разные формы работы: индивидуальную, групповую, фронтальную.

·         Адаптируйте конспект урока к возможностям вашего класса и доступному оборудованию. Если есть доступ к 3D-принтеру или сканеру, обязательно включите демонстрацию их работы.