1. Цели освоения дисциплины

Целью учебной дисциплины является:

    в области обучения – формирование специальных знаний, умений и навыков  направленных на использование программного обеспечения с открытым исходным кодом для создания и разработки компьютерных 3D моделей. Изучение современных технологий прототипирования для получения осязаемых 3D моделей с использованием технологии «наплавления нити»; в области воспитания – научить эффективно работать индивидуально и в команде, проявлять умения и навыки, необходимые для профессионального, личностного развития; в области развития – подготовка студентов к дальнейшему освоению новых профессиональных знаний и умений, самообучению, непрерывному профессиональному самосовершенствованию.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина «Средства 3D моделирование и прототипирования» относится к вариативной части междисциплинарного профессионального модуля.

Для удачного освоения дисциплины студент должен владеть основами методов математики, информатики, компьютерной грамотности, начертательной геометрии, механики.

Дисциплине «Средства 3D моделирование и прототипирования» предшествует освоение дисциплин (ПРЕРЕКВИЗИТЫ):

    Математическое моделирование биологических процессов и систем Медицинское материаловедение

Содержание разделов дисциплины «Средства 3D моделирование и прототипирования» согласовано с содержанием дисциплин, изучаемых параллельно (КОРЕКВИЗИТЫ):

    Биотехнические системы и технологии Компьютерные технологии в медико-биологических исследованиях

3. Результаты освоения дисциплины

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

В соответствии с требованиями ООП освоение модуля «Средства 3D моделирование и прототипирования» направлено на формирование у студентов следующих компетенций (результатов обучения), в т. ч. в соответствии с ФГОС:

Таблица 1

Составляющие результатов обучения,

которые будут получены при изучении данной дисциплины

Результаты обучения

Составляющие результатов обучения

Код

Знать

Код

Уметь

Код

Владеть

опытом

Р1

(ОК-10, ПК-1, ПК-6 )

З1.1

- применение методов математического моделирования в сфере биотехнических систем и технологий, методы синтеза и исследования моделей;

У1.1

- адекватно ставить задачи исследования и оптимизации сложных объектов на основе методов математического моделирования;

В1.1

- методами расчета параметров основных характеристик моделей любого из рассмотренных классов;

Р4

(ОПК-2, ПК-4, ПК-6)

З4.4

- основные комплекты автоматизированных систем, применяемых при машинном проектировании приборов, аппаратов и систем; тенденции совершенствования процессов автоматизированного проектирования.

У4.2

- разрабатывать проектно-конструкторскую документацию в соответствии с методическими и нормативными требованиями;

В4.2

- методами автоматизированного проектирования биомедицинской техники;

Р6

(ОПК-1, ПК-1, ПК-4)

З6.2

- проблемы обеспечения надежной работы технических средств в условиях медико-биологической организации;

У6.1

- выполнять проекты технического обеспечения биотехнических систем на базе типовых средств;

В6.4

- навыками применения методов оценки надежности, испытания на безопасность обслуживания медицинской техники;

4. Структура и содержание дисциплины

4.1 Содержание разделов дисциплины:

Раздел 1. Основные понятия 3D моделирования и прототипирования.

Компьютерная графика. 3D геометрия. Координатные системы, координаты объекта и оси вращения. Методы 3D моделирования. Математическое представление 3D объектов. Представление кривых и поверхностей с помощью неоднородных рациональных B-сплайнов (NURBS). Обзор программ для 3D моделирования с открытым исходным кодом. Форматы файлов для хранения 3D моделей.

Раздел 2. 3D моделирование с использованием FreeCAD.

        Навигация в 3D пространстве. Работа с параметрическими объектами. Свойства с объектами. Работа с инструментариями. Концепция верстаков. Изучение инструмента Part. Изучение инструмента 2D Drafting. Верстак рисование Sketcher. Верстак PartDesign. Инструмент Drawing. Инструмент Mesh. Сценарии и макросы и скрыпты на Python.

Лабораторная работа № 1.

Основы работы в программе FreeCAD и изучение  инструментария.

Лабораторная работа № 2.

Создание различных 3D деталей и объектов с использованием FreeCAD.

Раздел 3. 3D моделирование с использованием OpenSCAD.

       Интерфейс пользователя программы OpenSCAD. Введение в язык OpenSCAD. Типы данных, переменные и вектора. Задание 2D примитивов (квадрат, круг, многоугольник) и 3D примитивов (куб, сфера, цилиндр, многогранник). Создание 3D моделей на основе 2D моделей. Основные преобразования фигур. Булевые операции над фигурами. Условные и итеративные функции. Математические операторы и функции. Создание пользовательских функций и модулей. Импортирование и экспортирование объектов в OpenSCAD.

Лабораторная работа №3.

Основы работы со средой OpenSCAD.

Лабораторная работа №4.        

Создание 3D моделей на основе 2D моделей.

Раздел 4. 3D моделирование с использованием Blender.

Обзор интерфейса программы Blender. Установка единиц измерения. Создание 3D объектов с помощью примитивов. Расположение объектов в пространстве и задание их размеров. Основные преобразования над объектами: перемещение, вращение, масштабирование. Модификаторы и их использование: array, boolean, decimate, mirror, screw, solidify, subdivision surface.

Лабораторная работа №5.

Основы работы в Blender.

Лабораторная работа №6.

Создание различных 3D деталей и объектов с использованием Blender.

Раздел 5. Метод конечных элементов для анализа механических свойств 3D моделей.

       Введение в способ анализа методом конечных элементов (MКЭ). FEM модуль программы FreeCAD. Моделирование геометрии. Создание сетки МКЭ из геометрической модели. Условия для расчета включающие нагрузку и фиксаторы расчетной модели. Использование материла в расчетной модели. Решение системы уравнений. Оценка результатов расчета представленных графически.

Лабораторная работа №7.

Исследование механических свойств заданных 3D моделей.

Раздел 6. Прототипирование методом послойного наплавления нитей.

       Подготовка модели к 3D печати. Использование слайсера для генерации g-кода. Изготовление прототипа 3D модели методом послойного наплавления нити. Постобработка прототипа.

Лабораторная работа №8.

Использование метода послойного наплавления нити для прототипирования.

В результате освоения дисциплины (модуля) «Средства 3D моделирование и прототипирования» студентом должны быть достигнуты следующие результаты:

Таблица 2

Планируемые результаты освоения дисциплины (модуля)


№ п/п

Результат

РД1

Знать основные проблемы и задачи, возникающих в ходе 3D моделирования и прототипирования

РД2

Знать методы и средства 3D моделирования и прототипирования с применением современных информационных технологий.

РД3

Уметь выполнять 3D моделирование необходимых конструктивных элементов и частей разрабатываемого оборудования.

РД4

Уметь выбирать оптимальные методы и средства для 3D моделирования и прототипирования.

РД5

Уметь применять методы и средства 3D моделирования и прототипирования для решения практических проблем в различных областях биомедицинских исследований.

РД6

Владеть средствами проведения анализа механических свойств 3D моделей методом конечных элементов.

РД7

Владеть навыками 3D прототипирования с использованием метода послойного наплавления нитей.


6. Организация и учебно-методическое обеспечение

самостоятельной работы студентов

6.1. Виды и формы самостоятельной работы

       Самостоятельная работа студентов включает текущую и творческую проблемно-ориентированную самостоятельную работу (ТСР).

Текущая СРС направлена на углубление и закрепление знаний студента, развитие практических умений и включает:

    работа с лекционным материалом; подготовка к лабораторным занятиям; обзор литературы и электронных источников информации по индивидуально заданной проблеме курса  (рекомендуется в случае недостаточного усвоения материала, а также студентам, пропустившим аудиторные занятия по какой-либо теме); опережающая самостоятельная работа; изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку (используется для тем, не вошедших из-за недостатка времени в лекционный курс, но имеющих непосредственное отношение к данной дисциплине); подготовка к контрольным работам, экзамену.

Творческая самостоятельная работа включает:

    поиск, анализ, структурирование и презентация информации; исследовательская работа и участие в научных студенческих конференциях, семинарах и олимпиадах; анализ научных публикаций по заранее определенной преподавателем теме.

6.3. Контроль самостоятельной работы

Оценка результатов самостоятельной работы организуется следующим образом:

контроль со стороны преподавателя, в частности, предусмотрена процедура презентации индивидуальных заданий и защиты лабораторных работ.

Особенностью современного этапа совершенствования контроля является развитие у студентов навыков самоконтроля за степенью усвоения учебного материала, умение самостоятельно находить допущенные ошибки неточности, а также способы устранения выявленных недостатков.

7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины

Оценка качества освоения дисциплины производится по результатам следующих контролирующих мероприятий:

Контролирующие мероприятия

Результаты обучения по дисциплине

Защита лабораторной работы №1

РД1, РД2, РД3

Защита лабораторной работы №2

РД1, РД2, РД3

Защита лабораторной работы №3

РД1, РД2, РД3

Защита лабораторной работы №4

РД7, РД4, РД5

Защита лабораторной работы №5

РД7, РД4, РД5

Защита лабораторной работы №6

РД7, РД4, РД5

Защита лабораторной работы №7

РД7, РД4, РД5

Защита лабораторной работы №8

РД1,РД2

Презентация по тематике НИР во время конференц-недели

РД2

Экзамен

РД1, РД2, РД6

8. Рейтинг качества освоения дисциплины (модуля)

Оценка качества освоения дисциплины в ходе текущей и промежуточной аттестации обучающихся осуществляется  в соответствии с «Положением о проведении текущего оценивания и промежуточной аттестации в ТПУ», утвержденным приказом ректора в действующей редакции.

В соответствии с «Календарным планом изучения дисциплины»:

    текущая аттестация (оценка качества усвоения теоретического материала (ответы на вопросы и др.) и результаты практической деятельности (решение задач, выполнение заданий, решение проблем и др.) производится в течение семестра (оценивается в баллах (максимально 60 баллов), к моменту завершения семестра студент должен набрать не менее 33 баллов); промежуточная аттестация (экзамен) производится в конце семестра (оценивается в баллах (максимально 40 баллов), на экзамене студент должен набрать не менее 22 баллов).

Итоговый рейтинг по дисциплине определяется суммированием баллов, полученных  в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.

9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

9.1. Методическое обеспечение самостоятельной работы

Основная литература

Моделирование и виртуальное прототипирование: Учебное пособие / , , - М.:Альфа-М, ИНФРА-М Издательский Дом, 2016. - 176 с. Прототипирование. Практическое руководство. Тодд Заки Варфел. Изд.: Манн, Иванов и Фербер, 2013. 240с. , Самоучитель Blender 2.7. БХВ-Петербург, 2016. 400с. , Blender: 3D-моделирование и анимация. Руководство для начинающих. БХВ-Петербург, 2009. 266с. Электронный ресурс. URL: http:///bookread2.php? book=489364

Дополнительная литература

«Доступная 3D печать для науки, образования и устойчивого развития» под ред. Э. Канесса, К. Фонда, М. Зеннаро перевод. Электронная версия URL: https://drive. /file/d/0BwYwpIUU6gSuUW5uWldaYWswNkE/edit Шумков технологии быстрого прототипирования в изготовлении медицинских имплантатов // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-2. URL: http://www. science-education. ru/ru/article/view? id=22876 Документация по программе FreeCAD расположенная на сайте разработчиков. URL: http://www. freecadweb. org/wiki/index. php? title=Online_Help_Toc/ru Документация по программе OpenSCAD расположенная на сайте разработчиков. URL: http://www. openscad. org/documentation. html

10. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Лекции проводятся в аудитории, оснащенной персональным компьютером и проектором. Лабораторные работы выполняются в специализированной лаборатории 327, 16в корп., кафедры промышленной и медицинской электроники.


№

п/п

Наименование (компьютерные классы, учебные лаборатории, оборудование)

Корпус, ауд., количество установок

1

Лекционная аудитория

1. Персональный компьютер с проекционным экраном - 1 шт.

Корпус 16 в, ауд. 318, 24 места

2.

Компьютерный класс: 12 учебных компьютеров, 1 экран, компьютер преподавателя

Программное обеспечение:

FreeCAD (Лицензия LGPLv2+)

OpenSCAD (Лицензия GNU General Public License)

Blender (Лицензия GNU General Public License v2)

ауд. 327, корпус 16в, ТПУ. Собственность ТПУ, ИНК, кафедра ПМЭ.

Программа составлена на основе СУОС ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению подготовки 12.04.04 «Биотехнические системы и технологии», профили «Биомедицинская инженерия», «Медико-биологические аппараты, системы и комплексы».

Программа одобрена на заседании кафедры промышленной и медицинской электроники Института неразрушающего контроля

(протокол № 10.16 от «26» августа 2016 г.)

Автор:

ассистент кафедры ПМЭ ИНК ТПУ,                                

Рецензент:

доцент кафедры МБК МБФ СГМУ, канд. мед. наук