Проект на тему «3D моделирование прототипирование и макетирование»

Введение

В 1984 году американский инженер Чарльз Халл, которого все зовут просто Чак, работал в компании, делавшей ультрафиолетовые лампы для отверждения пластиковых покрытий. Ему пришла в голову мысль засвечивать жидкую смолу слой за слоем и так получать твёрдую деталь, и через два года он запатентовал стереолитографию. Так появилась 3D-печать, а сорок лет спустя 3D-принтер стоит в кабинете технологии во многих обычных школах.

Принтер, правда, сам ничего не придумает. Ему нужна трёхмерная модель, файл, где описана форма будущей вещи, и сделать такую модель на компьютере как раз и учат на уроках технологии в модуле «3D-моделирование, прототипирование и макетирование». Без моделирования печать превращается в распечатку чужих фигурок из интернета, а смысл модуля в том, чтобы научиться придумывать свои.

Цель проекта в том, чтобы разобраться, как устроено 3D-моделирование, какие для него есть программы и как модель превращается в прототип или макет. В открытой части речь идёт об основных понятиях и принципах, во второй главе о программах, а в третьей о самом процессе создания прототипа и о методах макетирования.

Источниками послужили учебник технологии для 7 класса, книга В. П. Большакова и А. Л. Бочкова об основах 3D-моделирования, руководство Дмитрия Горькова по 3D-печати и книга Хода Липсона и Мелбы Курман «Будущее 3D-печати». Программы сравниваются в таблице, а на рисунке показан простой расчёт того, как высота слоя влияет на время печати.

Глава 1. Основные понятия и принципы 3D-моделирования

1.1 Основные понятия

Самое простое понятие в 3D-графике это вершина, точка в пространстве с тремя координатами X, Y и Z. Две вершины соединяет ребро, а три или четыре ребра, замкнутые в плоский многоугольник, образуют грань, которую обычно называют полигоном. Из тысяч полигонов складывается поверхность любой модели, от кружки до персонажа компьютерной игры.

Если приблизить модель в программе, видна сетка из этих маленьких граней. Чем их больше, тем более гладкой выглядит поверхность: шар из двадцати граней похож на футбольный мяч, а из двух тысяч уже почти на настоящий шар. Сетку из полигонов называют мешем, от английского mesh, и именно в таком виде модель обычно отправляют на печать.

Инженеры на заводах с сетками почти не работают, у них в ходу твердотельные модели. В КОМПАС-3D, например, деталь не лепят, а «строят»: рисуют на плоскости эскиз, выдавливают его на двадцать миллиметров, сверлят отверстие, снимают фаску. Программа помнит всю цепочку этих операций и точные размеры, поэтому из модели тут же получается чертёж, который можно отдать токарю.

Компанию АСКОН, которая делает КОМПАС, основали в Ленинграде в 1989 году, и сейчас это одна из главных российских программ для конструкторов. Для школ и студентов у неё есть бесплатная учебная версия, и многие технологи ведут на ней уроки черчения, потому что ученик сразу видит, как плоский чертёж и объёмная деталь связаны друг с другом.

Прототип и макет на уроках часто путают. Прототип нужен, чтобы проверить, работает ли вещь: выдержит ли напечатанный держатель вес телефона, войдёт ли крышка в коробку, не сломается ли защёлка на третий раз. Макет нужен, чтобы посмотреть и показать, и архитекторы до сих пор клеят макеты домов из картона и пенокартона, хотя модель на экране у них давно есть.

Файл для печати почти всегда сохраняют в формате STL. Придумали его в 1987 году в компании того же Чака Халла, 3D Systems, и с тех пор формат почти не менялся: в нём только треугольники поверхности, без цвета и размеров в миллиметрах. Перед печатью STL загружают в слайсер, например Cura или PrusaSlicer, который режет модель на горизонтальные слои и пишет для принтера тысячи строк команд, куда и с какой скоростью вести сопло.

В школьной программе этот модуль появился не так давно. В обновлённых программах по технологии он стоит рядом с робототехникой и компьютерной графикой, и рассчитан на то, что к девятому классу ученик сможет сам придумать простую деталь, построить её модель, напечатать и проверить. Если 3D-принтера в школе нет, модуль всё равно проходят, только прототипы и макеты делают из картона, пенопласта и дерева.

1.2 Принципы 3D-моделирования

Главный принцип, с которого начинают на уроках, можно назвать «от простого к сложному». Почти любой предмет можно собрать из простых тел: цилиндров, кубов, конусов и шаров. Кружка это цилиндр, из которого вычли цилиндр поменьше, и к нему добавили изогнутую ручку, а фигурка снеговика состоит из трёх шаров, конуса-носа и цилиндров-пуговиц.

Объединение, вычитание и пересечение тел называют булевыми операциями, по имени английского математика XIX века Джорджа Буля. В Tinkercad, где учатся многие школьники, вычитание делают очень наглядно: тело, которое нужно вырезать, просто отмечают как «отверстие», и программа сама проделает его в другом теле.

У Blender необычная история: его написал голландец Тон Розендал для своей анимационной студии, а когда в 2002 году студия обанкротилась, пользователи за несколько недель собрали сто тысяч евро, чтобы выкупить программу и сделать её бесплатной и открытой. Tinkercad, наоборот, сделали в 2011 году бывший инженер Google Кай Бакман и его финский коллега Микко Мононен, специально для новичков, и через пару лет его купила Autodesk.

Программ для 3D-моделирования много, и у каждой своя ниша. Основные, которые встречаются в школах и кружках, сравниваются в таблице 1.

Таблица 1 — Программы для 3D-моделирования в школе

В КОМПАС-3D и FreeCAD размеры детали задаются параметрами, то есть числами, которые можно поменять в любой момент. Напечатали держатель, а отверстие под болт оказалось тесным, исправили 5 на 5,4 миллиметра, и вся модель перестроилась сама, вместе со скруглениями и фасками. Для прототипа, который редко получается с первого раза, это огромная экономия времени.

Модель стоит рисовать, сразу думая о принтере. Школьные принтеры почти все работают по технологии FDM: катушка пластиковой нити, обычно PLA из кукурузного крахмала, подаётся в горячее сопло диаметром 0,4 миллиметра и выдавливается тонкой ниткой, слой за слоем. Выступ, нависающий над пустотой под углом больше сорока пяти градусов, такой принтер без подпорок не вытянет, и пластик просто повиснет соплями.

От высоты слоя зависят и гладкость, и время. Кубик высотой двадцать миллиметров при слое 0,1 миллиметра печатается в двести слоёв, при слое 0,2 в сто, при 0,3 примерно в шестьдесят семь, как показано на рисунке 1.

По рисунку видно, что переход от слоя 0,2 к слою 0,1 миллиметра удваивает число слоёв, а значит, примерно удваивает и время печати. Для школьного прототипа, где важно быстро проверить идею, обычно берут 0,2 миллиметра, а тонкий слой оставляют для красивых фигурок, которые будут стоять на полке.

Интересно, что сама технология FDM появилась почти одновременно со стереолитографией. В 1989 году американец Скотт Крамп запатентовал её, по легенде придумав способ, когда делал игрушечную лягушку для дочери с помощью клеевого пистолета. Дешёвыми такие принтеры стали только после 2009 года, когда закончился срок патента, а ещё раньше, в 2005 году, британский инженер Адриан Боуер начал проект RepRap, принтера, способного напечатать детали для самого себя.

Стоит сказать и о безопасности при печати. Сопло нагревается примерно до двухсот градусов, стол принтера до шестидесяти, и хвататься за свежую деталь рукой нельзя, а печатать лучше в проветриваемом кабинете. PLA пахнет при печати почти незаметно, а вот ABS, из которого делают, например, детали конструктора, даёт резкий запах, поэтому в школах его стараются не использовать.

Во второй главе программы из таблицы 1 сравниваются на практике, на примере одной и той же простой детали, а в третьей описан путь от идеи до готового прототипа и способы сделать макет без принтера.