Что такое 3D-моделирование
Любой предмет, представленный в трехмерном пространстве, состоит из набора координат, соединенных в поверхности и формы. 3D-моделирование использует набор инструментов, правил и математических формул, чтобы создать цифровую копию предмета на основе реального прототипа, чертежа или эскиза.
Типы инструментов 3D-моделирования
В зависимости от требований к точности объекта и скорости проектирования, для производства трехмерных форм используют разное ПО и наборы инструментов.
Полигональное 3D-моделирование
Самый популярный метод — техника создания трехмерной формы с использованием полигонов (чаще всего с тремя или четырьмя углами). Они складывают «мозаику» поверхности, формируя объемный предмет в виртуальном пространстве. Эту технику используют в задачах, которые требуют большей детализации при меньшем числе вершин.
Полигональное 3D-моделирование с малым количеством треугольников используют для создания упрощенных форм. Однако для трехмерной печати важно, чтобы у цифрового прототипа не было разрывов геометрии, а форма оставалась замкнутой. В противном случае производство будут сопровождать ошибки и дефекты.
NURBS
Non-Uniform Rational B-Splines использует кривые и поверхности, описанные при помощи математических формул. Главное преимущество этого метода — повышенная точность. Он подходит для разработки гладких или органических форм, таких как автомобильные кузовы и сложные криволинейные поверхности. Преобразование NURBS-файлов в формат STL требует конвертации в полигоны, но они сохраняют высокую точность и реалистичность.
Скульптурное 3D-моделирование
Эту технику применяют для разработки детализированных форм, например, лиц или тел. В цифровом скульптинге визуализатор «вырезает» предмет с помощью виртуальных инструментов, создает комплексные текстуры и элементы. Такой результат было бы сложно получить полигональным 3D-моделированием.
Цифровую скульптуру используют для создания художественных и органических форм, например, фигурок или анатомических объектов. С помощью ретопологии и оптимизации 3D-модели подготавливают к печати, сохраняя баланс между детализацией и сложностью.
Процедурное 3D-моделирование
Техника основана на компьютерных алгоритмах и предопределенных шаблонах. Процедурную генерацию используют для быстрого создания массива 3D-моделей, которым не нужна точность детализации и уникальность: лесов, городов, ландшафтов.
Кроме того, процедурную генерацию используют для оперативной разработки решетчатых и пористых объектов, которые применяют в биомедицинских протезах, легких и прочных инженерных конструкциях. Этот метод 3D-моделирования помогает получить оптимизированные формы, которые сочетают простоту печати и высокую структурную прочность.
Способы создания 3D-моделей
Трехмерную форму для последующей печати производят в шесть этапов.
Планирование и концептуализация
На данном этапе составляют ТЗ: определяют предназначение, требования к детализации и прочностным характеристикам прототипа. Затем подбирают референсы: это могут быть фотографии реальных объектов, чертежи, эскизы.
Визуализация
Непосредственный процесс 3D-моделирования включает четыре этапа:
- Выбор программного обеспечения. В зависимости от сложности 3D-модели и задач проекта, для создания прототипа используют различные программы.
- Визуализация базовых форм. Сначала художник создает базовые формы (примитивы): кубы, цилиндры, сферы. Затем их модифицируют, формируя низкополигональный объект.
- Проработка. На этом этапе низкополигональному прототипу добавляют мелкие детали: резьбу, выемки или рельеф. Визуализатор должен учитывать ограничения принтера, включая минимальную толщину стенок и размеры мелких элементов.
- Оптимизация геометрии. Чтобы система быстрее обсчитывала объект, из него удаляют избыточные полигоны.
Подготовка к печати
При создании 3D-модели нужно учитывать, чтобы в ней не было разрывов, дыр и наложений. Это важно, чтобы программа для нарезки (слайсер) правильно определила объем объекта. Современные инструменты разработки оснащены встроенным функционалом автоматической проверки манифолдности.
В процессе 3D-моделирования визуализатор определяет, каким частям объекта нужны дополнительные «мостики», чтобы его части не провисали под собственным весом. Программы для создания и нарезки моделей формируют поддержку автоматически, но ручная проработка помогает улучшить качество печати.
Экспорт и нарезка
Проект экспортируют в формате STL или OBJ и обрабатывают в «слайсере». Эта программа «нарезает» модель на слои и генерирует инструкции для принтера в формате G-кода. Затем для объекта подбирают оптимальные параметры печати: высоту слоя, скорость, процент заполнения и тип поддержек. Эти настройки зависят от материала, сложности топологии и желаемого качества печати.
Тестирование и исправление
У визуализатора есть возможность заранее просмотреть, как принтер будет печатать каждый слой. Это помогает выявить потенциальные проблемы, включая пропуски или излишние поддержки.
При работе с моделями сложной формы выполняют прототипирование: печатают уменьшенную копию или отдельную часть объекта, чтобы проверить его структурную и прочностную целостность. Этот шаг помогает выявить проблемы с поддержками, качеством поверхности или детализацией.
Постобработка
После печати с объекта удаляют поддержки, затем поверхность шлифуют, грунтуют и красят. Если фигура состоит из нескольких элементов, их склеивают.
Принципы 3D-моделирования
Создание трехмерных форм для печати предъявляет различные требования к свойствам объекта, его оптимизации и топологии, а также навыкам визуализатора. Модель, предназначенная для 3D-принтеров, должна:
- Включать умеренное количество полигонов. Из-за эффекта отрицательной отдачи избыточное количество полигонов почти не влияет на детализацию, но существенно усложняет топологию формы, что сказывается на процессе разработки и корректировки. Важно находить баланс между детализацией и экономичностью, использовать больше треугольников там, где это необходимо для визуальной точности.
- Исключать ошибки 3D-моделирования. В специальных программах предусмотрены инструменты, которые помогают обнаружить и исправить ошибки геометрии на этапе разработки. К таким ошибкам относят пересечение геометрий, неправильную ориентацию поверхностей.
- Соответствовать минимальной толщине стенок. Для каждой технологии печати существует минимальный габарит перекрытий. Например, для FDM толщина стенок обычно составляет не менее 0,8-1 мм, для SLA и DLP — 0,5 мм.
- Минимизировать нависания. Объект должен содержать минимальное количество компонентов с углом скоса >45°. Чем меньше нависающих элементов, тем проще напечатать предмет, не используя поддержки. Если такие компоненты необходимы, объекты печатают под углом или по частям, добавляют ребра, чтобы придать деталям стабильность и сократить количество поддержек.
Сферы применения 3D-моделей
Сегодня 3D-индустрия решает широкий перечень задач в различных отраслях:
- Строительство. Специализированные 3D-модели используют для создания цифровых и физических макетов зданий, их представления в программах информационного моделирования. Детализированные копии реальных технических объектов используют в ТИМ.
- Технические задачи. Трехмерное сканирование и 3D-моделирование применяют при ремонте техники, снятой с производства. Например, шестерней, тяг и других механических компонентов, которым невозможно подобрать замену.
- Искусство. Технологии трехмерного сканирования и 3D-моделирования помогают создавать скульптуры, а также точные копии существующих объектов в реальном или уменьшенном масштабе. Их используют на выставках и в музеях, в качестве базы для коллекционных фигурок.
3D-проектирование в промышленности
3D-моделирование широко применяют в медицинской и инженерной отраслях. В отличие от бытовой печати, такие объекты требуют повышенной точности, долговечности и прочностных характеристик. При проектировании моделей для промышленных задач следует учитывать:
- Допуски. Чтобы изделие соответствовало отраслевым стандартам, его проектируют с минимально допустимой погрешностью. Например, при производстве медицинского и авиационного оборудования допуски доходят до нескольких микронов.
- САПР. Инженеры используют компьютерные системы автоматизированного проектирования, они позволяют создавать прототипы с точными размерами и контролировать допуски, закладывают особенности материала и принтера на этапе печати, чтобы избежать погрешностей.
- Стандарты качества. Промышленные объекты для трехмерной печати разрабатывают с учетом ISO и ГОСТ. Они определяют допустимые отклонения, материалы, прочность и безопасность изделий.
- Чертежи. Трехмерный объект сопровождает документация, в которой указаны все размеры, допуски, материалы и технические характеристики объекта. Чертежи помогают на каждом этапе производства, от настройки печати до контроля качества.
Почему выбирают 3D-моделирование и печать от 3DPrintum?
Компания печатает трехмерные модели на высокоточном оборудовании промышленного класса. Более 100 заказчиков ежемесячно выбирают 3DPrintum за подход к точности и скорости производства:
- Опыт. Компания выполняет 3D-моделирование и серийную трехмерную печать с 2013 года. Портфолио 3DPrintum включает проекты для таких компаний, как «Альфа Банк», «Яндекс», «Росатом» и других по всей России.
- Сроки. Парк техники 3DPrintum насчитывает 70+ принтеров. Компания оперативно принимает и обрабатывает заказы, а также, несет ответственность за выполнение в срок.
- Условия. 3DPrintum сопровождает изделия на всех этапах производства — от разработки ТЗ и дизайна до постобработки и покраски.
Воспользуйтесь калькулятором на сайте или свяжитесь со специалистами компании через форму обратной связи, чтобы рассчитать стоимость производства и подобрать оптимальную технологию печати под индивидуальные задачи и бюджет проекта.
