Подготовка студентов-дизайнеров к 3D-моделированию при изучении аддитивных технологий

Аннотация: На современном этапе развития общества наблюдается острая необходимость в специалистах, владеющих компетенциями в области аддитивных технологий. Профессия дизайнера также требует формирования данных компетенций. Статья посвящена проблеме развития у студентов-дизайнеров пространственного геометрического мышления, лежащего  в основе трехмерного моделирования, для дальнейшего овладения аддитивными технологиями.

Современное общество характеризуется появлением высоких технологий и интенсивной компьютеризацией всех отраслей жизни человека. В двадцать первом веке революционный прорыв во многих отраслях современной промышленности совершили аддитивные технологии – «класс перспективных технологий кастомизированного производства деталей сложной формы по трехмерной компьютерной модели путем последовательного нанесения материала (как правило, послойного) – в противоположность так называемому вычитающему производству (например, традиционной механической обработке)» [1]. В связи с этим предъявляются более высокие требования к подготовке специалистов всех направлений общественного производства, а значит, возникает необходимость модернизации образовательной деятельности вуза с учетом современных технологических и методологических подходов к организации образовательного процесса: внедрение курсов 3D моделирования в основные образовательные программы бакалавриата и магистратуры; создание конкурентоспособной научной и образовательной среды, которая будет способствовать стимулированию инновационной активности и росту творческой инициативы студентов и научно-педагогических работников вузов.

Одной из ведущих отраслей, занимающейся аддитивными технологиями, является дизайн. Поэтому многие вузы уже сейчас создают для студентов-дизайнеров образовательную среду, позволяющую подготовить их к использованию современных технологий в профессиональной деятельности. Одним из неотъемлемых компонентов подготовки студентов к владению аддитивными технологиями является обучение их компьютерному трехмерному моделированию для создания 3D объектов. Однако многолетняя практика преподавания компьютерной графики на специальностях творческой направленности показывает, что студенты из-за слабо сформированного объемно-пространственного мышления плохо готовы к созданиям трехмерных виртуальных моделей, так как у них не развиты способности ориентировать и трансформировать воображаемый объект из двухмерного в трехмерное пространство. Одной из причин этой проблемы является отсутствие в школьной программе дисциплины «Черчение». Следовательно, при подготовке студентов к трехмерному моделированию на первых этапах необходимо сформировать у них репродуктивное и продуктивное воображение, активизировать их пространственные мышление и представления.

Одна из сложностей, возникающая в процессе компьютерного проектирования трехмерных моделей – формообразование виртуального объекта и выбор оптимального способа его моделирования. В процессе анализа формы будущей модели  студентам необходимо представить образ сложного трехмерного объекта по чертежу и разбить его на примитивы – более  простые по форме объекты (точки, поверхности или тела), служащие для моделирования «строительным материалом». Для построения примитивов в любом графическом редакторе необходимо ввести для каждого объекта его основные геометрические данные, например, радиус основания и высоту для конуса или цилиндра,  размер ребра для куба и т. д. Только после этого подбирается оптимальный способ построения проектируемой модели. Так, например, в процессе твердотельного моделирования, когда в итоге получается не полая, а заполненная модель, построение проводится по принципу «профиль + направление». В основе лежит метод динамического линейного преобразования в пространстве двумерных геометрических фигур в объемные трехмерные (из квадрата, выступающего в качестве «профиля», образуется куб или прямоугольный параллелепипед, из окружности – цилиндр и т. д.). Наиболее распространенными способами твердотельного моделирования являются «выдавливание» и «вращение».

При использовании способа «выдавливание» необходимо в любой плоскости проекций создать «профиль» – замкнутый 2d объект, который будет основанием проектируемой модели. Затем в плоскости, перпендикулярной заданной (это обязательное условие), вычертить объект, который будет служить  траекторией  выдавливания (отрезок прямой, дугу окружности, полилинию, 3d сплайн). При этом, имея одинаковые «профили», но разные направления выдавливания, можно смоделировать объекты различной сложности, что хорошо видно на примере, где в виде  основания взята окружность и выдавлена по различным вариантам траекторий (табл. 1).

Таблица 1

Построение моделей способом «выдавливания»

При использовании способа «вращение» необходимо построить «профиль» в виде половины контура проектируемой модели, вычертить ось вращения, и, задав необходимый угол вращения, провращать контур вокруг оси. При этом так же, как и в предыдущем способе, при одинаковом контуре можно получить различные модели. Например, вращая прямоугольник  вокруг одной из его сторон или вокруг оси, лежащей вне его контура, под различным углом, можно получить разные объемные тела (табл. 2).

Таблица 2

Построение моделей способом «вращение»

При этом следует обратить особое внимание студентов на то, что эти способы являются основополагающими для моделирования объектов во всех современных системах компьютерного проектирования CAD. Кроме этих способов существуют и другие, например, полигональное моделирование, сплайновое моделирование, NURBS моделирование. Но во всех случаях, прежде всего, необходимо мысленно представить трехмерный образ модели, вычленить в его форме примитивы, их сумму, разность или пересечение, а затем выбрать наиболее подходящий способ моделирования. При этом в объемной модели нужно увидеть двухмерное изображение, относительно которого и будет вестись процесс превращения плоского чертежа в трехмерный объект.

Таким образом, создав базу в виде развитого пространственного мышления студентов, педагог может дальше строить образовательный процесс, включающий в себя изучение различных сред 3D-моделирования и программного обеспечения для использования 3D-принтеров.

Формирование у студентов-дизайнеров компетенций, связанных с аддитивными технологиями, позволит обучающимся познакомиться с процессом разработки прототипов – от компьютерного моделирования 3D-объектов до их печати на 3D-принтере, применять приобретенные навыки работы с технологическим оборудованием в других областях своей деятельности и, следовательно, стать более конкурентоспособными на рынке труда.

Список литературы

1. Бакарджиева С. Аддитивное производство: на пике завышенных ожиданий [Электронный ресурс] // Умное производство, вып. 38 от 06.2017. Режим доступа: http://www.umpro.ru/index.php?page_id=17&art_id_1=610&group_id_4=110 (дата обращения: 10.10.2017).
2. Грибовский А. А. Геометрическое моделирование в аддитивном производстве : учебное пособие. СПб : Университет ИТМО, 2015. 49 с.

 

Материал поступил в редакцию 10.10.2017
© Шестакова Л. С., Фромич Ю. В., 2017