eng
Выпуск #2/2019
П. ПЕТРОВ, П. СТРОКОВ
Современный ТРИЗ в системе подготовки специалистов для аддитивного производства
Современный ТРИЗ в системе подготовки специалистов для аддитивного производства
Просмотры: 1596
Рассмотрено внедрение в образовательный процесс образовательной программы «Аддитивные технологии» Московского политехнического университета комплекса дисциплин, основанных на классической и современной ТРИЗ. Показано, что для успешного освоения и овладения навыками применения методов и инструментов классической и современной ТРИЗ студентам бакалавриата необходимы «сквозное» преподавание комплекса дисциплин в течение всего срока обучения (4 года), реальные примеры и практика применения методов и инструментов ТРИЗ, а также участие в действующих проектах университета, включая совместную работу с внешними заказчиками и партнерами вуза.
Теги: additive technologies classical triz innovation methods and algorithms of triz modern triz (triz +) training of specialists аддитивные технологии инноватика классическая триз методы и алгоритмы триз подготовка специалистов современная триз (триз+)
Система высшего образования претерпевает изменения, появляются новые направления подготовки, модернизируются существующие образовательные программы, внедряются новые образовательные технологии и модели. Одной из таких программ является образовательная программа «Аддитивные технологии», ориентированная на подготовку молодых специалистов-бакалавров по направлению подготовки «Инноватика» (27.03.05).
Аддитивные технологии относятся к развивающимся и инновационным: у нас в стране начинает формироваться база стандартов и регламентов (ГОСТ); у предприятий накапливается опыт применения аддитивных технологий в таких отраслях, как общее машиностроение, авиастроение, автомобилестроение, энергомашиностроение, медицина; изменяются подходы к проектированию новых изделий с учетом их последующего изготовления с применением в том числе аддитивных технологий; формируется стратегия развития и практического применения аддитивных технологий на государственном уровне; начинает формироваться система подготовки специалистов на уровне среднего профессионального и высшего образования.
Студент образовательной программы «Аддитивные технологии», обучающийся в Московском политехническом университете, с учетом вышеописанных особенностей аддитивных технологий, должен приобрести ряд важных качеств, в том числе:
На выходе из университета выпускник должен быть не просто дипломированным бакалавром, а молодым человеком с опытом ведения проектной деятельности, понимающим как создать, развить и реализовать проект, доведя его до первого образца. Как привить такие качества современным студентам? Как в вузовской среде вырастить такого выпускника? На эти вопросы постараемся дать частичные ответы в данной статье, основываясь на том опыте, который получен от применения в образовательном процессе классической и современной ТРИЗ (теории решения изобретательских задач). Методология современной ТРИЗ (далее – ТРИЗ+) учитывает требования рынка и позволяет создать конкурентоспособную продукцию.
Прототип нынешней образовательной программы «Аддитивные технологии» ‒ образовательная программа «Компьютерное моделирование и прототипирование» ‒ был запущен в 2014 году в Университете машиностроения (в 2016 году он вошел в состав Московского политехнического университета), что совпало с началом внедрения в университете проектно-ориентированной модели образования, которая предполагает, что образовательный процесс вне зависимости от направления подготовки и профиля обучения, основывается на академических знаниях, которые имеют конкретное применение при разработке и реализации студенческих проектов, реализуемых за несколько семестров и имеющих на входе идею, а на выходе продукт. Применяя только инструментарий дизайн-мышления добиться вышеописанного результата сложно. Методология классической и современной ТРИЗ расширяет возможности для прикладного технического творчества, направленного на реализацию студенческих проектов.
На примере образовательной программы «Аддитивные технологии» направления подготовки бакалавриата «Инноватика» рассмотрим, как инструментарий ТРИЗ+ может быть применен для генерации идеи и реализации проектов. ФГОС ВО 3+ по данному направлению предусматривает подготовку молодых специалистов, ориентированных на экспериментально-исследовательский и проектно-конструкторский виды деятельности, в которых в качестве объекта профессиональной деятельности выбран:
На сегодняшний день последовательность преподавания дисциплин, основанных на методах и алгоритмах ТРИЗ (далее – модуль «ТРИЗ»), в бакалавриате направления «Инноватика» выглядит следующим образом:
Каждая из дисциплин, основанных на методах и алгоритмах ТРИЗ, читается в классическом формате ‒ «лекция» + «практика», «от общего к частному»:
Подчеркнем, что практика применения приемов, методов и алгоритмов современной ТРИЗ осуществляется в рамках практических занятий по дисциплинам модуля «ТРИЗ», дисциплины «Проектная деятельность» и профессиональных дисциплин образовательной программы, связанных с теорией, технологией, оборудованием для аддитивного производства.
Для лучшего понимания формата обучения комплексу дисциплин, включенных в модуль «ТРИЗ», рассмотрим примеры учебных задач, разбираемых преподавателями со студентами либо решаемых студентами самостоятельно в некоторых из дисциплин модуля «ТРИЗ». Не все задачи напрямую связаны с развитием и совершенствованием аддитивных технологий, но результат их решения требует применения технологии 3D-моделирования и/или аддитивной технологии. Общая цель преподавания дисциплин модуля «ТРИЗ» ‒ сформировать у студента образовательной программы «Аддитивные технологии» комплекс знаний, умений и навыков, позволяющих им работать над созданием новых решений в области аддитивных технологий, а также в области разработки новых инновационных продуктов и проектов. Структура описания примеров задач и решений представлена по схеме: учебный курс, наименование дисциплины модуля «ТРИЗ», описание задачи и результата.
Первый курс. дисциплина «История инноваций и изобретательства»
Одноразовый стакан для кофе позволяет сохранить напиток горячим в течение короткого времени [5]. Как повысить эффективность стакана, сохранив кофе горячим на протяжении более длительного периода времени (рис. 1)?
Учебная задача сводится к следующему: основываясь на физическом эффекте – теплопередаче – разработать новую форму (геометрию) боковой поверхности стакана, обеспечивающую сохранение температуры напитка, налитого в стакан, на протяжении как можно более длительного времени и при этом предотвращающую ожог пальцев от горячего кофе в стакане.
Ниже приведены некоторые возможные справочные решения, уже существующие на рынке, с которыми можно сравнивать разработанные студентами решения.
Одноразовый стакан для кофе, имеющий гладкую стенку, но с бумажным браслетом-«предохранителем»; браслет-«предохранитель» имеет ограниченную высоту.
Материал браслета-«предохранителя» – картон, дерево, пластик. Какой из материалов будет эффективнее работать и при этом не приведет к существенному повышению себестоимости изготовления стакана? Какой высоты может быть либо должен быть браслет для обеспечения максимальной эффективности стакана – длительного сохранения тепла и предохранения от обжигания пальцев в любой точке боковой поверхности?
Одноразовый стакан для кофе, имеющий «шероховатую» боковую поверхность стенки. Какого размера должна быть шероховатость на боковой поверхности для обеспечения максимальной эффективности стакана – длительного сохранения тепла и предохранения от обжигания пальцев в любой точке боковой поверхности? Возможна ли замена «шероховатости» на перфорирование (рифление) боковой поверхности стакана для решения этой же задачи?
Контроль температуры жидкости внутри стакана может быть произведен с помощью датчика температуры либо градусника. Точный расчет процесса осуществляется в рамках дисциплины «Физика», раздел «Термодинамика и статистическая физика». С другой стороны, в рамках дисциплины «Проектная деятельность» в первом семестре студенты участвуют в проекте «Инженерный старт» ‒ изготавливают изделия, выполняющие определенные функции (яхта преодолевает заданное расстояние по воде, транспортное устройство преодолевает трассу, устройство поднимает груз определенной массы и т.д.).
При решении проектных задач требуются знания по физике, теоретической механике, инженерной графике, а также ТРИЗ, в том числе физические эффекты.
Второй курс. дисциплина «Алгоритмы решений нестандартных задач»
В основе приемов классической ТРИЗ, применяемых для устранения противоречий, лежат эффекты – физические, химические, геометрические, биологические и т.д. Пример геометрического эффекта (рычаг) [4], применяемый в конструкции малогабаритного тренажера, представлен на рис. 2. В узле создается равномерная нагрузка при использовании пружины.
При переводе рычага в нижнее положение малая пружина сжимается под действием нарастающей силы основной пружины и плечо рычага становится больше.
Второй и третий курс. дисциплина «Методы и инструменты ТРИЗ»
При реализации студенческого проекта «Тренажер» [5], нацеленного на разработку инновационного продукта, выполнено разрешение технического противоречия с применением приема «в пространстве» (рис. 3).
Пример построения компонентной модели сложной технической системы – лазерного принтера, представлен на рис. 4.
Стоит отметить, что в некоторых известных аддитивных технологиях заложены те же принципы работы, что и в офисных (лазерных, струйных) принтерах. В чем-то можно провести аналогию между компонентной моделью лазерного принтера и оборудованием для реализации технологии категории «Струйное нанесение связующего» либо «Струйное нанесение материала» [10].
Анализ аддитивной технологии (цифровая светодиодная проекция) позволяет выявить физические и технические противоречия. В качестве ключевого параметра можем принять мощность излучения либо длину волны излучения. Тогда одна из возможных задач для разработки формулируется так: увеличивать скорость печати и совместимость с полимерами, уменьшить стоимость принтера с минимальными потерями в качестве печати. На рис. 5 представлено техническое противоречие.
Техническое противоречие: при увеличении яркости DLP-проектора улучшается экономичность использования материала, ухудшается ресурс принтера.
Между тем так возможно сформулировать и физическое противоречие: яркость DLP-принтера должна быть высокой, чтобы уменьшить расход материала для печати, и она должна быть низкой, чтобы повысить ресурс принтера.
Возможное решение технического противоречия: использовать принцип объединения и переход к надсистеме ‒ ванне с фотополимером, имеющей дополнительную подсветку.
Третий и четвертый курс. дисциплина «Аналитические инструменты ТРИЗ+»
Одним из методов, изучаемых в рамках данной дисциплины, является функционально-стоимостный анализ (ФСА) в ТРИЗ.
Функционально-стоимостный анализ в ТРИЗ является синтезом классического ФСА, созданного на базе Value analysis Л.Д. Майлсом, и поэлементного экономического анализа (ПЭА), разработанного Ю.М. Соболевым [6–8]. ФСА в ТРИЗ включает в себя структурный и функциональный анализ. При этом второй невозможен без первого.
Учебная задача: в качестве примера приведем результат решения задачи о разработке концепции обучающей игрушки для детей (рис. 6).
На рис. 7 представлена функциональная модель проектируемой игрушки: выделенные красным цветом функции элементов технической системы «Обучающая игрушка» являются вредными функциями системы.
Известная, ставшая классической, технология лазерной стереолитографии (SLA) на рынке современных аддитивных технологий имеет конкурентов: технологии SGC, DLP, LCD.
Анализ ключевых потребительских ценностей (MPV-анализ) [9] позволяет выявить предпочтительные для конечного потребителя параметры установок для реализации той либо иной из вышеперечисленных аддитивных технологий. MPV-анализ позволяет ответить на вопросы: «Какой из выпускаемых продуктов (реализуемых технологий) выбрать для дальнейшего улучшения?» и «По каким параметрам следует его улучшать»? Фрагмент MPV-анализа представлен на рис. 8 и иллюстрирует оценку зоны предпочтений потребителя, выбирающего технологию, относящуюся к категории «Фотополимеризация в ванне» [10].
Четвертый курс. дисциплина «Законы развития технических систем»
Один из законов развития технических систем – закон перехода в надсистему, включающий методику переноса свойств объекта, ‒ может быть проиллюстрирован на примере решения задачи о совершенствовании печатающей головки персонального 3D-принтера с целью возможности 3D-печати вязких и мало текучих функциональных полимерных материалов с нетиповыми эксплуатационными свойствами. Частное решение задачи представлено студентом бакалавриата М.Н. Прокопенко в его выпускной квалификационной работе, успешно защищенной в 2018 году. На рис. 9 представлено частное решение реализации закона перехода в надсистему для печатающей головки с экструдером для реализации технологии, относящейся к категории «Экструзия материала» [10].
Добавление шнекового механизма дает возможность дополнить конструкцию экструдера бункером для загрузки гранул, позволит производить 3D-печать и изготовление деталей без остановки 3D-принтера, так как в бункере будет постоянно находиться модельный материал.
Немаловажным инструментом в освоении дисциплин модуля «ТРИЗ» является, в перспективе, современная технология 3D-моделирования для визуализации объектов, являющихся предметом разработки объектов интеллектуальной собственности (ОИС). Современная технология 3D-моделирования изделий позволяет создать цифровую 3D-модель объекта разработки на этапах формирования идеального конечного результата (ИКР – инструмент ТРИЗ), устранения противоречия и подготовки заявки на ОИС.
Заключение
В настоящее время на 1‒4 курсах образовательной программы «Аддитивные технологии» (направление подготовки 27.03.05 «Инноватика») реализуется сквозное преподавание современных технологий 3D-моделирования для поддержки дисциплин модуля «ТРИЗ», в том числе геометрическое моделирование с применением CAD-систем, имитационное моделирование с применением CAE-систем, а также структурное моделирование с применением специализированных компьютерных систем для анализа и синтеза механизмов.
Если проводить анализ уровня погружения студентов в изучение дисциплин модуля «ТРИЗ» и включение ими в их деятельность (проектную или научную) методик и алгоритмов современной ТРИЗ, то можно обнаружить следующую закономерность: студенты-бакалавры 2–3 курса обучения, имеющие начальную подготовку по изучению методологии ТРИЗ, системному мышлению и научной деятельности, легче осваивают специфику работы по классической и/или современной теории решения изобретательских задач.
В завершение данной статьи можно отметить: полученный опыт работы с бакалаврами образовательной программы «Аддитивные технологии» показал, что преподавание методологии классической ТРИЗ и современной ТРИЗ в течение одного-двух семестров является недостаточным в случае, когда в результате освоения дисциплины ожидается, что студенты будут активно использовать изученные теоретические методы для решения прикладных инженерных задач либо задач, направленных на разработку инновационных решений. За один-два семестра студенты только знакомятся с основными моментами методологии ТРИЗ и преодолевают психологическую инерцию, затрудняющую развитие творческого и инженерного мышления. Полученная студентами информация усваивается только на уровне узнавания и знаний; многие из студентов-бакалавров достаточно просто осваивают применение накатанных схем, например, метода мозгового штурма, но применять их на практике для нетиповых случаев они еще не в состоянии.
Литература
1. Альтшуллер Г. С. Найти идею: Введение в теорию решения изобретательских задач. – Петрозаводск: Скандинавия, 2003.
2. Гин А. А., Кудрявцев А. В., Бубенцов В. Ю. и др. Теория решения изобретательских задач. Учебное пособие I уровня. – Издательство Модерн, 2017.
3. Петров П. А., Кудрявцев А. В., Минакер В. Е., Токарев А. С. «ТРИЗ+» в системе подготовки инновационных специалистов (бакалавров и магистров) в вузе. Сб. труд. VII межд. конф. «ТРИЗ. Практика применения и проблемы развития», Москва 20-21 ноября 2015 г. – М.: ООО «Аналитик», 2015.
4. Петров П. А., Минакер В. Е., Токарев А. С. «ТРИЗ+» в системе подготовки молодых специалистов в вузе: год спустя. Сб. труд. VIII межд. конф. «ТРИЗ. Практика применения и проблемы развития», Москва 11-12 ноября 2016 г. – М.: ООО «Аналитик», 2016.
5. Петров П. А., Строков П. И., Типалин С. А. ТРИЗ+ в системе подготовки молодых специалистов в вузе: итоги // История и педагогика естествознания. 2017. № 4. С. 16–21.
6. Информационно-справочный интернет-портал «Metodolog». – [Электронный ресурс]: https://www.metodolog.ru/00940/00940.html (Дата обращения: 28.01.2019).
7. Применение методов технического творчества при проведении функционально-стоимостного анализа. Методические рекомендации. – М., Информэпектро, 1990.
8. Герасимов В. М., Литвин С. С. Основные положения методики проведения ФСА. Свертывание и сверхэффект // ТРИЗ. Т. 3. № 2/92. С. 7–45.
9. Информационно-справочный интернет-портал «Metodolog». – [Электронный ресурс]: https://www.metodolog.ru/01472/01472.html#_edn1 (Дата обращения: 28.01.2019).
10. ГОСТ Р 57589-2017. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы – Часть 2. Материалы для аддитивных технологических процессов. Общие требования. – М.: Стандартинформ, 2017.
ПЕТРОВ Павел Александрович – кандидат технических наук, заведующий кафедрой «ОМДиАТ» Московского политехнического университета
СТРОКОВ Павел Игоревич – старший преподаватель Московского политехнического университета
Аддитивные технологии относятся к развивающимся и инновационным: у нас в стране начинает формироваться база стандартов и регламентов (ГОСТ); у предприятий накапливается опыт применения аддитивных технологий в таких отраслях, как общее машиностроение, авиастроение, автомобилестроение, энергомашиностроение, медицина; изменяются подходы к проектированию новых изделий с учетом их последующего изготовления с применением в том числе аддитивных технологий; формируется стратегия развития и практического применения аддитивных технологий на государственном уровне; начинает формироваться система подготовки специалистов на уровне среднего профессионального и высшего образования.
Студент образовательной программы «Аддитивные технологии», обучающийся в Московском политехническом университете, с учетом вышеописанных особенностей аддитивных технологий, должен приобрести ряд важных качеств, в том числе:
- склонность к техническому творчеству и реализации инженерных проектов;
- увлеченность воплощением своих идей;
- мотивированность на реализацию своих проектов;
- коммуникабельность и умение работать в проектной команде.
На выходе из университета выпускник должен быть не просто дипломированным бакалавром, а молодым человеком с опытом ведения проектной деятельности, понимающим как создать, развить и реализовать проект, доведя его до первого образца. Как привить такие качества современным студентам? Как в вузовской среде вырастить такого выпускника? На эти вопросы постараемся дать частичные ответы в данной статье, основываясь на том опыте, который получен от применения в образовательном процессе классической и современной ТРИЗ (теории решения изобретательских задач). Методология современной ТРИЗ (далее – ТРИЗ+) учитывает требования рынка и позволяет создать конкурентоспособную продукцию.
Прототип нынешней образовательной программы «Аддитивные технологии» ‒ образовательная программа «Компьютерное моделирование и прототипирование» ‒ был запущен в 2014 году в Университете машиностроения (в 2016 году он вошел в состав Московского политехнического университета), что совпало с началом внедрения в университете проектно-ориентированной модели образования, которая предполагает, что образовательный процесс вне зависимости от направления подготовки и профиля обучения, основывается на академических знаниях, которые имеют конкретное применение при разработке и реализации студенческих проектов, реализуемых за несколько семестров и имеющих на входе идею, а на выходе продукт. Применяя только инструментарий дизайн-мышления добиться вышеописанного результата сложно. Методология классической и современной ТРИЗ расширяет возможности для прикладного технического творчества, направленного на реализацию студенческих проектов.
На примере образовательной программы «Аддитивные технологии» направления подготовки бакалавриата «Инноватика» рассмотрим, как инструментарий ТРИЗ+ может быть применен для генерации идеи и реализации проектов. ФГОС ВО 3+ по данному направлению предусматривает подготовку молодых специалистов, ориентированных на экспериментально-исследовательский и проектно-конструкторский виды деятельности, в которых в качестве объекта профессиональной деятельности выбран:
- инновационный проект создания конкурентоспособных производств товаров и услуг;
- проекты и процессы освоения и использования новых продуктов и новых услуг, новых технологий;
- проекты коммерциализации новаций.
На сегодняшний день последовательность преподавания дисциплин, основанных на методах и алгоритмах ТРИЗ (далее – модуль «ТРИЗ»), в бакалавриате направления «Инноватика» выглядит следующим образом:
- в течение восьми семестров студенты осваивают методы и приемы, направленные на развитие технического творчества при разработке инженерных проектов, а также методы и алгоритмы ТРИЗ, ФСА (функционально-стоимостной анализ), законы развития технических систем, основы прогнозирования и экспертизы инновационных проектов, формы охраны авторских прав и интеллектуальной собственности (общий объем аудиторных часов – 405, без учета часов на самостоятельную работу студентов);
- в течение восьми семестров реализуются двухсеместровые тематические проекты в рамках дисциплины «Проектная деятельность», при разработке и реализации которых студенты имеют дополнительную возможность отработки практических навыков применения инструментов ТРИЗ.
Каждая из дисциплин, основанных на методах и алгоритмах ТРИЗ, читается в классическом формате ‒ «лекция» + «практика», «от общего к частному»:
- на первом курсе студенты знакомятся с историей инноваций и изобретательства, физическими, химическими, геометрическими эффектами, ИКР, противоречиями, принципами и приемами их разрешения, некоторыми из простейших методов решения задач (метод фокусирования на объекте, метод отрицания и конструирования и т.п.);
- на втором курсе – знакомятся с вепольными моделями, функциональным и параметрическим анализом;
- на третьем и четвертом курсах – с алгоритмом решения изобретательских задач (АРИЗ), потоковым анализом, триммингом, переносом свойств, функционально-ориентированным анализом и поиском, законами развития технических систем, анализом пределов развития и особенностями применения инструментов классической и современной ТРИЗ.
Подчеркнем, что практика применения приемов, методов и алгоритмов современной ТРИЗ осуществляется в рамках практических занятий по дисциплинам модуля «ТРИЗ», дисциплины «Проектная деятельность» и профессиональных дисциплин образовательной программы, связанных с теорией, технологией, оборудованием для аддитивного производства.
Для лучшего понимания формата обучения комплексу дисциплин, включенных в модуль «ТРИЗ», рассмотрим примеры учебных задач, разбираемых преподавателями со студентами либо решаемых студентами самостоятельно в некоторых из дисциплин модуля «ТРИЗ». Не все задачи напрямую связаны с развитием и совершенствованием аддитивных технологий, но результат их решения требует применения технологии 3D-моделирования и/или аддитивной технологии. Общая цель преподавания дисциплин модуля «ТРИЗ» ‒ сформировать у студента образовательной программы «Аддитивные технологии» комплекс знаний, умений и навыков, позволяющих им работать над созданием новых решений в области аддитивных технологий, а также в области разработки новых инновационных продуктов и проектов. Структура описания примеров задач и решений представлена по схеме: учебный курс, наименование дисциплины модуля «ТРИЗ», описание задачи и результата.
Первый курс. дисциплина «История инноваций и изобретательства»
Одноразовый стакан для кофе позволяет сохранить напиток горячим в течение короткого времени [5]. Как повысить эффективность стакана, сохранив кофе горячим на протяжении более длительного периода времени (рис. 1)?
Учебная задача сводится к следующему: основываясь на физическом эффекте – теплопередаче – разработать новую форму (геометрию) боковой поверхности стакана, обеспечивающую сохранение температуры напитка, налитого в стакан, на протяжении как можно более длительного времени и при этом предотвращающую ожог пальцев от горячего кофе в стакане.
Ниже приведены некоторые возможные справочные решения, уже существующие на рынке, с которыми можно сравнивать разработанные студентами решения.
Одноразовый стакан для кофе, имеющий гладкую стенку, но с бумажным браслетом-«предохранителем»; браслет-«предохранитель» имеет ограниченную высоту.
Материал браслета-«предохранителя» – картон, дерево, пластик. Какой из материалов будет эффективнее работать и при этом не приведет к существенному повышению себестоимости изготовления стакана? Какой высоты может быть либо должен быть браслет для обеспечения максимальной эффективности стакана – длительного сохранения тепла и предохранения от обжигания пальцев в любой точке боковой поверхности?
Одноразовый стакан для кофе, имеющий «шероховатую» боковую поверхность стенки. Какого размера должна быть шероховатость на боковой поверхности для обеспечения максимальной эффективности стакана – длительного сохранения тепла и предохранения от обжигания пальцев в любой точке боковой поверхности? Возможна ли замена «шероховатости» на перфорирование (рифление) боковой поверхности стакана для решения этой же задачи?
Контроль температуры жидкости внутри стакана может быть произведен с помощью датчика температуры либо градусника. Точный расчет процесса осуществляется в рамках дисциплины «Физика», раздел «Термодинамика и статистическая физика». С другой стороны, в рамках дисциплины «Проектная деятельность» в первом семестре студенты участвуют в проекте «Инженерный старт» ‒ изготавливают изделия, выполняющие определенные функции (яхта преодолевает заданное расстояние по воде, транспортное устройство преодолевает трассу, устройство поднимает груз определенной массы и т.д.).
При решении проектных задач требуются знания по физике, теоретической механике, инженерной графике, а также ТРИЗ, в том числе физические эффекты.
Второй курс. дисциплина «Алгоритмы решений нестандартных задач»
В основе приемов классической ТРИЗ, применяемых для устранения противоречий, лежат эффекты – физические, химические, геометрические, биологические и т.д. Пример геометрического эффекта (рычаг) [4], применяемый в конструкции малогабаритного тренажера, представлен на рис. 2. В узле создается равномерная нагрузка при использовании пружины.
При переводе рычага в нижнее положение малая пружина сжимается под действием нарастающей силы основной пружины и плечо рычага становится больше.
Второй и третий курс. дисциплина «Методы и инструменты ТРИЗ»
При реализации студенческого проекта «Тренажер» [5], нацеленного на разработку инновационного продукта, выполнено разрешение технического противоречия с применением приема «в пространстве» (рис. 3).
Пример построения компонентной модели сложной технической системы – лазерного принтера, представлен на рис. 4.
Стоит отметить, что в некоторых известных аддитивных технологиях заложены те же принципы работы, что и в офисных (лазерных, струйных) принтерах. В чем-то можно провести аналогию между компонентной моделью лазерного принтера и оборудованием для реализации технологии категории «Струйное нанесение связующего» либо «Струйное нанесение материала» [10].
Анализ аддитивной технологии (цифровая светодиодная проекция) позволяет выявить физические и технические противоречия. В качестве ключевого параметра можем принять мощность излучения либо длину волны излучения. Тогда одна из возможных задач для разработки формулируется так: увеличивать скорость печати и совместимость с полимерами, уменьшить стоимость принтера с минимальными потерями в качестве печати. На рис. 5 представлено техническое противоречие.
Техническое противоречие: при увеличении яркости DLP-проектора улучшается экономичность использования материала, ухудшается ресурс принтера.
Между тем так возможно сформулировать и физическое противоречие: яркость DLP-принтера должна быть высокой, чтобы уменьшить расход материала для печати, и она должна быть низкой, чтобы повысить ресурс принтера.
Возможное решение технического противоречия: использовать принцип объединения и переход к надсистеме ‒ ванне с фотополимером, имеющей дополнительную подсветку.
Третий и четвертый курс. дисциплина «Аналитические инструменты ТРИЗ+»
Одним из методов, изучаемых в рамках данной дисциплины, является функционально-стоимостный анализ (ФСА) в ТРИЗ.
Функционально-стоимостный анализ в ТРИЗ является синтезом классического ФСА, созданного на базе Value analysis Л.Д. Майлсом, и поэлементного экономического анализа (ПЭА), разработанного Ю.М. Соболевым [6–8]. ФСА в ТРИЗ включает в себя структурный и функциональный анализ. При этом второй невозможен без первого.
Учебная задача: в качестве примера приведем результат решения задачи о разработке концепции обучающей игрушки для детей (рис. 6).
На рис. 7 представлена функциональная модель проектируемой игрушки: выделенные красным цветом функции элементов технической системы «Обучающая игрушка» являются вредными функциями системы.
Известная, ставшая классической, технология лазерной стереолитографии (SLA) на рынке современных аддитивных технологий имеет конкурентов: технологии SGC, DLP, LCD.
Анализ ключевых потребительских ценностей (MPV-анализ) [9] позволяет выявить предпочтительные для конечного потребителя параметры установок для реализации той либо иной из вышеперечисленных аддитивных технологий. MPV-анализ позволяет ответить на вопросы: «Какой из выпускаемых продуктов (реализуемых технологий) выбрать для дальнейшего улучшения?» и «По каким параметрам следует его улучшать»? Фрагмент MPV-анализа представлен на рис. 8 и иллюстрирует оценку зоны предпочтений потребителя, выбирающего технологию, относящуюся к категории «Фотополимеризация в ванне» [10].
Четвертый курс. дисциплина «Законы развития технических систем»
Один из законов развития технических систем – закон перехода в надсистему, включающий методику переноса свойств объекта, ‒ может быть проиллюстрирован на примере решения задачи о совершенствовании печатающей головки персонального 3D-принтера с целью возможности 3D-печати вязких и мало текучих функциональных полимерных материалов с нетиповыми эксплуатационными свойствами. Частное решение задачи представлено студентом бакалавриата М.Н. Прокопенко в его выпускной квалификационной работе, успешно защищенной в 2018 году. На рис. 9 представлено частное решение реализации закона перехода в надсистему для печатающей головки с экструдером для реализации технологии, относящейся к категории «Экструзия материала» [10].
Добавление шнекового механизма дает возможность дополнить конструкцию экструдера бункером для загрузки гранул, позволит производить 3D-печать и изготовление деталей без остановки 3D-принтера, так как в бункере будет постоянно находиться модельный материал.
Немаловажным инструментом в освоении дисциплин модуля «ТРИЗ» является, в перспективе, современная технология 3D-моделирования для визуализации объектов, являющихся предметом разработки объектов интеллектуальной собственности (ОИС). Современная технология 3D-моделирования изделий позволяет создать цифровую 3D-модель объекта разработки на этапах формирования идеального конечного результата (ИКР – инструмент ТРИЗ), устранения противоречия и подготовки заявки на ОИС.
Заключение
В настоящее время на 1‒4 курсах образовательной программы «Аддитивные технологии» (направление подготовки 27.03.05 «Инноватика») реализуется сквозное преподавание современных технологий 3D-моделирования для поддержки дисциплин модуля «ТРИЗ», в том числе геометрическое моделирование с применением CAD-систем, имитационное моделирование с применением CAE-систем, а также структурное моделирование с применением специализированных компьютерных систем для анализа и синтеза механизмов.
Если проводить анализ уровня погружения студентов в изучение дисциплин модуля «ТРИЗ» и включение ими в их деятельность (проектную или научную) методик и алгоритмов современной ТРИЗ, то можно обнаружить следующую закономерность: студенты-бакалавры 2–3 курса обучения, имеющие начальную подготовку по изучению методологии ТРИЗ, системному мышлению и научной деятельности, легче осваивают специфику работы по классической и/или современной теории решения изобретательских задач.
В завершение данной статьи можно отметить: полученный опыт работы с бакалаврами образовательной программы «Аддитивные технологии» показал, что преподавание методологии классической ТРИЗ и современной ТРИЗ в течение одного-двух семестров является недостаточным в случае, когда в результате освоения дисциплины ожидается, что студенты будут активно использовать изученные теоретические методы для решения прикладных инженерных задач либо задач, направленных на разработку инновационных решений. За один-два семестра студенты только знакомятся с основными моментами методологии ТРИЗ и преодолевают психологическую инерцию, затрудняющую развитие творческого и инженерного мышления. Полученная студентами информация усваивается только на уровне узнавания и знаний; многие из студентов-бакалавров достаточно просто осваивают применение накатанных схем, например, метода мозгового штурма, но применять их на практике для нетиповых случаев они еще не в состоянии.
Литература
1. Альтшуллер Г. С. Найти идею: Введение в теорию решения изобретательских задач. – Петрозаводск: Скандинавия, 2003.
2. Гин А. А., Кудрявцев А. В., Бубенцов В. Ю. и др. Теория решения изобретательских задач. Учебное пособие I уровня. – Издательство Модерн, 2017.
3. Петров П. А., Кудрявцев А. В., Минакер В. Е., Токарев А. С. «ТРИЗ+» в системе подготовки инновационных специалистов (бакалавров и магистров) в вузе. Сб. труд. VII межд. конф. «ТРИЗ. Практика применения и проблемы развития», Москва 20-21 ноября 2015 г. – М.: ООО «Аналитик», 2015.
4. Петров П. А., Минакер В. Е., Токарев А. С. «ТРИЗ+» в системе подготовки молодых специалистов в вузе: год спустя. Сб. труд. VIII межд. конф. «ТРИЗ. Практика применения и проблемы развития», Москва 11-12 ноября 2016 г. – М.: ООО «Аналитик», 2016.
5. Петров П. А., Строков П. И., Типалин С. А. ТРИЗ+ в системе подготовки молодых специалистов в вузе: итоги // История и педагогика естествознания. 2017. № 4. С. 16–21.
6. Информационно-справочный интернет-портал «Metodolog». – [Электронный ресурс]: https://www.metodolog.ru/00940/00940.html (Дата обращения: 28.01.2019).
7. Применение методов технического творчества при проведении функционально-стоимостного анализа. Методические рекомендации. – М., Информэпектро, 1990.
8. Герасимов В. М., Литвин С. С. Основные положения методики проведения ФСА. Свертывание и сверхэффект // ТРИЗ. Т. 3. № 2/92. С. 7–45.
9. Информационно-справочный интернет-портал «Metodolog». – [Электронный ресурс]: https://www.metodolog.ru/01472/01472.html#_edn1 (Дата обращения: 28.01.2019).
10. ГОСТ Р 57589-2017. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы – Часть 2. Материалы для аддитивных технологических процессов. Общие требования. – М.: Стандартинформ, 2017.
ПЕТРОВ Павел Александрович – кандидат технических наук, заведующий кафедрой «ОМДиАТ» Московского политехнического университета
СТРОКОВ Павел Игоревич – старший преподаватель Московского политехнического университета
Отзывы читателей
