Моделирование и прототипирование что это такое
3D-прототипирование и его виды
Перед запуском нового изделия в производство большинство компаний сначала проводят его тестирование. Новые технологии помогают значительно снизить расходы и затраты времени на выполнение этой задачи. Зачастую для этого используется 3D-прототипирование.
Прототипирование в 3D-печати
Изготовление рабочей модели является комплексным процессом, во время которого происходит создание образца продукта. Он подходит для оценки функциональности и свойств, а также для демонстрации целевой аудитории. Это делается перед запуском продукта в массовое производство.
Что это такое?
Прототипированием называют создание полной или частичной модели изделия, которое готовится к производству.
Принцип работы
Благодаря технологии 3D-прототипирования можно значительно уменьшить время, затрачиваемое на создание опытных моделей. Это позволило аддитивному производству получить статус «обходной технологии».
Принцип работы технологии заключается в создании физического объекта на основе цифровой 3D-модели. Сначала создается CAD-модель, а затем происходит печать на 3D-принтере.
Прототипирование чаще всего происходит с помощью недорогих принтеров. Но использоваться могут абсолютно разные материалы.
Применение
Прототипирование применяется в следующих областях:
В медицине и стоматологии на принтерах печатают протезы, модели органов, хирургические инструменты, шаблоны.
Виды прототипов
Прототипы подразделяются на следующие виды:
Технологии быстрого прототипирования
Различают такие технологии прототипирования:
Этапы прототипирования 3D-моделей
Процесс прототипирования включает в себя такие шаги:
Моделирование
3D-моделирование происходит на компьютере с использованием специальных программ для инженерной трехмерной графики. Для создания модели используются рисунки, эскизы, графики, чертежи и необходимая техническая документация.
Изготовление мастер-модели
После моделирования печатается мастер-модель. Создается макет продукта, который должен перекрыть все базовые потребности.
Тестирование макета
Мастер-модель тестируется на соответствие предъявляемым требованиям. Это может быть внешний вид, эргономичность, правильность форм и т. д. Все зависит от сферы использования будущего изделия.
Корректировка
Если во время тестирования были выявлены какие-либо неточности или несоответствия предъявляемым требованиям, то их исправляют в компьютерной модели. После этого все предыдущие этапы повторяются.
Создание прототипа
Если мастер-модель прошла все тесты, создается прототип. Это полнофункциональный продукт.
Требования к прототипированию
Качественный прототип должен быть:
Точность в основном зависит от качественного и профессионального 3D-моделирования.
Лучшие программы для прототипирования:
Использование трехмерной печати в прототипировании позволило значительно сократить расходы и временные затраты на работу. Для любой сферы можно подобрать нужный тип технологии, который сделает производственный процесс быстрее, эффективнее и надежнее.
Что входит в услуги 3D моделирования и прототипирования?
Прототипирование и 3D моделирования представляют собой услуги подготовки макета, который будет использоваться для серийного производства. Готовый макет служит для оценки дизайна, эргономика, возможности совместить с другими компонентами устройства или механизма. На основе готового прототипа заказчик сможет оценить качество будущей продукции, внести коррективы. Рассмотрим, когда требуется прототипирование, методы создания прототипа, преимущества и используемые технологии.
Способы и этапы создания прототипа
Перед 3D печатью прототипа требуется его создания в специальной программе на компьютере. Именно использование 3D принтера является наиболее востребованным и доступным по стоимости способом создания прототипов. Этот метод подходит также и для мелкосерийного производства деталей или готовых изделий. Еще одним способом создания прототипа является 3D фрезеровка. В данном случае для работы используется фрезерный станок с ЧПУ. Данный способ также позволяет создать прототип любой сложности, но потребует больше времени, чем при использовании 3D принтера.
К основным этапам создания прототипа относится:
Создание прототипа изделия требуется перед его запуском в серийное производство. Поэтому прототип должен полностью отвечать всем требованиям.
Особенности технологии
Создание прототипа и 3D печати объектов – процедура создания объекта на основе специальных устройств, которыми можно управлять с помощью компьютера. Чаще всего для создания прототипов используется 3D принтер, который позволяет напечатать изделие быстро и недорого. Это объясняется минимальным использованием расходных материалов и невысокой стоимостью используемого сырья.
Печать осуществляется с нижнего слоя, постепенно печатая все слои. В результате получится объемный прототип будущего изделия, на основе которого можно понять основные ошибки и сделать корректировки до того, как изделие будет отправлено в массовое производство.
Сфера использование 3D моделирования и прототипирования
Создание прототипа различных объектов используется в разных сферах деятельности:
3D моделирования и прототипирования – идеальное решение для быстрого и дешевого создания образца продукции перед тем, как запустить ее в массовое производство. Благодаря высокой точности и детализации готовый прототип будет максимально наглядным образцом изделия. А сжатое время печати и доступная стоимость изготовления позволяет использовать 3D печать повсеместно.
Трехмерное моделирование в современном мире
Сегодня я расскажу вам о том, что такое 3D-моделирование, каким оно бывает, где его применяют и с чем его едят. Эта статья в первую очередь ориентирована на тех, кто только краем уха слышал, что такое 3D-моделирование, или только пробует свои силы в этом. Поэтому буду объяснять максимум «на пальцах».
Сам я технический специалист и уже более 10 лет работаю с 3D-моделями, поработал более чем в 10ке различных программ разных классов и назначений, а также в различных отраслях. В связи с этим накопился определенный helicopter view на эту отрасль, с чем и хотел с вами поделиться.
3D-моделирование прочно вошло в нашу жизнь, частично или полностью перестроив некоторые виды бизнеса. В каждой отрасли, в которую 3D-моделирование принесло свои изменения, имеются как свои определенные стандарты, так и негласные правила. Но даже внутри одной отрасли, количество программных пакетов бывает такое множество, что новичку бывает очень трудно разобраться и сориентироваться с чего начинать. Поэтому, для начала давайте разберем какие же бывают виды 3D-моделирования и где они применяются.
Можно выделить 3 крупные отрасли, которые сегодня невозможно представить без применения трехмерных моделей. Это:
Полигонами называются вот эти треугольники и четырехугольники.
Чем больше полигонов на площадь модели, тем точнее модель. Однако, это не значит, что если модель содержит мало полигонов (low poly), то это плохая модель, и у человека руки не оттуда. Тоже самое, нельзя сказать про то, что если в модели Over999999 полигонов (High poly), то это круто. Все зависит от предназначения. Если, к примеру, речь идет о массовых мультиплеерах, то представьте каково будет вашему компьютеру, когда нужно будет обработать 200 персонажей вокруг, если все они high poly?
Полигональное моделирование происходит путем манипуляций с полигонами в пространстве. Вытягивание, вращение, перемещение и.т.д.
Пионером в этой отрасли является компания Autodesk (известная многим по своему продукту AutoCAD, но о нем позже).
Продукты Autodesk 3Ds Max, и Autodesk Maya, де-факто стали стандартом отрасли. И свое знакомство с 3D моделями, будучи 15-летним подростком, я начал именно с 3Ds Max.
Что же мы получаем на выходе сделав такую модель? Мы получаем визуальный ОБРАЗ. Геймеры иногда говорят: «я проваливался под текстуры» в игре. На самом деле вы проваливаетесь сквозь полигоны, на которые наложены эти текстуры. И падение в бесконечность происходит как раз потому, что за образом ничего нет. В основном, полученные образы используются для РЕНДЕРА (финальная визуализация изображения), в игре / в фильме / для картинки на рабочем столе.
Собственно, я в свое время и пытался что-то «слепить», чтобы сделать крутой рендер (тогда это было значительно сложнее).
Кстати о лепке. Есть такое направление как 3D-sсulpting. По сути, тоже самое полигональное моделирование, но направленное на создание в основном сложных биологических организмов. В ней используются другие инструменты манипуляций с полигонами. Сам процесс больше напоминает чеканку, чем 3D моделинг.
Если полигональная модель выполнена в виде замкнутого объема, как например, те же скульптуры, то благодаря современной технологии 3D-печати (которая прожует почти любую форму) они могут быть воплощены в жизнь.
По сути, это единственный путь для полигональных 3D моделей оказаться в реальном мире. Из вышеописанного можно сделать вывод, что полигональное моделирование нужно исключительно для творческих людей (художников, дизайнеров, скульпторов). Но это не однозначно. Так, например, еще одной крупной сферой применения 3D моделей является медицина, а именно- хирургия. Можно вырастить протез кости взамен раздробленной. Например, нижняя челюсть для черепашки.
У меня нет медицинского образования и я никогда ничего не моделил для медицины, но учитывая характер форм модели, уверен, что там применяется именно полигональное моделирование. Медицина сейчас шагнула очень далеко, и как показывает следующее видео, починить себе можно практически все (были бы деньги).
Конечно, используя полигональное моделирование, можно построить все эти восстанавливающие и усиливающие элементы, но невозможно контролировать необходимые зазоры, сечения, учесть физические свойства материала и технологию изготовления (особенно плечевого сустава). Для таких изделий применяются методы промышленного проектирования.
По правильному они называются: САПР (Система Автоматизированного ПРоектирования) или по-английский CAD (Computer-Aided Design). Это принципиально другой тип моделирования. Именно на нем я специализируюсь уже 8 лет. И именно про него я буду вам в дальнейшем рассказывать. Чем этот метод отличается от полигонального? Тем, что тут нет никаких полигонов. Все формы являются цельными и строятся по принципу профиль + направление.
Базовым типом является твердотельное моделирование. Из названия можно понять, что, если мы разрежем тело, внутри оно не будет пустым. Твердотельное моделирование есть в любой CAD-системе. Оно отлично подходит для проектирования рам, шестеренок, двигателей, зданий, самолётов, автомобилей, да и всего, что получается путем промышленного производства. Но в нем (в отличии от полигонального моделирования) нельзя сделать модель пакета с продуктами из супермаркета, копию соседской собаки или скомканные вещи на стуле.
Цель этого метода — получить не только визуальный образ, но также измеримую и рабочую информацию о будущем изделии.
CAD – это точный инструмент и при работе с CAD, нужно предварительно в голове представлять топологию модели. Это алгоритм действий, который образует форму модели. Вот, как раз по топологии, можно отличить опытного специалиста от криворукого. Не всегда задуманную топологию и сложность формы можно реализовать в твердотелке, и тогда нам на помощь приходит неотъемлемая часть промышленного проектирования — поверхностное моделирование.
Топология в поверхностях в 10 раз важнее, чем при твердотельном моделирование. Неверная топология – крах модели. (напоминаю, что это статья обзорная и для новичков, я не расписываю тут нюансы). Освоение топологии поверхностей на высоком уровне, закрывает 70% вопросов в промышленном моделировании. Но для этого нужно много и постоянно практиковаться. В конечном итоге, поверхности все равно замыкаются в твердотельную модель.
Со временем приходит понимание наиболее удобного метода при моделировании того или иного изделия. Тут полно лайф-хаков, причем у каждого специалиста есть свои.
ВАЖНО: использование CAD без профильного образования не продуктивно! Я сам много раз наблюдал, как творческие люди, или мастера на все руки пытались проектировать. Да, конечно они что-то моделировали, но все это было «сферическим конем в вакууме».
При моделировании в CAD, помимо топологии, необходимо иметь конструкторские навыки. Знать свойства материалов, и технологию производства. Без этого, все равно, что подушкой гвозди забивать, или гладить пылесосом.
В CAD мы получаем электронно-геометрическую модель изделия.
(Напоминаю, что при полигональном моделировании мы получаем визуальный образ)
Моделирование и прототипирование что это такое
3D моделирование и прототипирование в современном мире
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
С древних времен человек стремился перенести на бумагу свои технические фантазии, а затем и воплотить их в повседневную жизнь. Так же многие сталкиваются с ситуацией, когда ломается деталь или любимая вещь и ими нельзя больше пользоваться. Если раньше, представить то, как будет выглядеть деталь, механизм или строение могли лишь по чертежу или рисунку, а любимую вещь приходилось выбрасывать, так как многие производители уже не выпускают такие детали или они стоят очень дорого, то с появлением трехмерного компьютерного моделирования и прототипирования стало возможным создать объемное изображение и распечатать модель на 3 D принтере.
3 D моделирование – это проектирование трехмерной модели по заранее разработанному чертежу или эскизу. Для построения объемной модели предмета используются специальные программы и принтеры. При моделировании важным этапом является рендеринг – преобразование эскиза модели в приятный для восприятия формат.
3 D модель отличается фотографической точностью и позволяет лучше представить себе, как будет выглядеть проект или деталь и внести необходимые изменения.
3 D модель или прототип всегда производит гораздо большее впечатление, чем все остальные способы презентации будущей модели. Современные технологии позволяют добиваться потрясающих результатов и реалистичности (рис.1).
Всего каких-то пять-десять лет назад 3 D принтеры были устройствами из будущего, какими-то приборами фантастических фильмов, а уже сейчас 3 D печать находит применение во многих сфера деятельности человека, таких как: медицина, машиностроение, архитектура, инженерия, нанотехнологии, и это далеко не полный список.
Научное сообщество считает, что в скором времени произойдет технологический прорыв человечества и многие вещи и предметы люди смогут распечатывать дома на бытовых принтерах.
2. Цель и задачи работы.
— Доказать, что 3 D моделирование и прототипирование, а так же 3 D принтеры на сегодняшний день являются современными, актуальными, полезными и удобными направлениями в жизни человека.
— Создать в программе Blender 3 D модель и распечатать ее на 3 D принтере.
— Раскрыть термины 3 D моделирование и прототипирование.
— Рассказать о программах создания трехмерного объекта и 3 D принтерах.
3. Гипотеза, объект и предмет исследования.
В ходе работы мною была выдвинута гипотеза: компьютерные программы трехмерного создания объекта и 3 D принтеры позволяют создавать детали, механизмы и предметы.
Предмет исследования: область применения, виды 3 D печати, программы и 3 D принтеры.
4. Теоретическая часть.
Сегодня я расскажу вам о том, что такое прототипирование и 3D-моделирование, каким оно бывает, где его применяют.
Графическое изображение трёхмерных объектов отличается тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера ) с помощью специализированных программ. Однако с созданием и внедрением 3D-дисплеев и 3D-принтеров трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость.
3D-моделирование прочно вошло в нашу жизнь, частично или полностью изменив некоторые виды работ и услуг.
Преимуществ у трехмерного моделирования перед другими способами визуализации довольно много. Трехмерное моделирование дает очень точную модель, максимально приближенную к реальности. Современные программы помогают достичь высокой детализации. При этом значительно увеличивается наглядность проекта. Выразить трехмерный объект на бумаге в двухмерной плоскости не просто, тогда как 3D визуализация дает возможность тщательно проработать и что самое главное, просмотреть все детали.
В трехмерную модель очень легко вносить практически любые изменения. Можно изменять проект, убирать одни детали и добавлять новые, менять цвет и форму. Фантазия практически ни чем не ограничена, и можно быстро выбрать и изменить именно тот вариант, который подойдет заказчику.
Профессиональные программы дают множество преимуществ и изготовителю. Из трехмерной модели легко можно выделить чертеж каких-либо компонентов или конструкции целиком. Несмотря на то, что создание трехмерной модели довольно трудозатратный процесс, работать с ним в дальнейшем гораздо проще и удобнее чем с традиционными чертежами. В результате значительно сокращаются время, затраченное на проектирование.
На сегодняшний день прототипирование и 3D моделирование активно используется в проектировании жилых зданий и промышленных объектов, архитектурных сооружений, в ландшафтном дизайне, дизайне интерьеров, медицине, машиностроении. Так же не стоит забывать о компьютерных играх и программах, где 3D модели тоже используются.
Дизайнеры и архитекторы всего мира используют разнообразные графические программы, такие как 3DS Max, Photoshop, AutoCAD и другие. С помощью них создаются уникальные объекты и показывают на сколько невероятными могут быть идеи и мечты.
Большинство людей перед тем, как что-то построить, нуждаются в визуальном примере, на который можно посмотреть и оценить все положительные и отрицательные стороны, ознакомиться с габаритами и тем, как он будет выглядеть и сочетаться с остальным интерьером.
Для начала разберем какие же бывают виды 3D-моделирования и где они применяются.
На сегодняшний день можно выделить 4 крупные отрасли, которые невозможно представить без применения трехмерных моделей и прототипов.
Промышленность и машиностроение
Строительный и ландшафтный дизайн
С первой мы сталкиваемся почти каждый день. Это фильмы, мультфильмы, анимация и 90% компьютерных игр. На данный момент ни один современный фильм и компьютерная игра не обходятся без трехмерной графики. Профессия 3D-художника востребована как никогда. Создание компьютерной графики в фильмах – колоссальная работа, над которой трудятся сотни профессионалов. От сценаристов и режиссеров до целой армии 3D-художников
Все виртуальные миры и персонажи созданы с помощью одного и того же принципа — полигонального моделирования.
Полигонами называются вот эти треугольники и четырехугольники. (рис.2).
Еще одной крупной сферой применения 3D моделей является медицина.
Благодаря средствам массовой информации и интернету ни для кого не секрет, что клетки, суставы и т.д можно распечатать на 3D-принтере (рис.3). Теперь учёным нет необходимости ставить эксперименты на животных, можно испытать влияние того или иного заболевания на распечатанных аналогах. Сегодня многие доктора посвящают себя поиску вакцины против рака. При помощи устройства трёхмерной печати на 3 D биопринтере они воссоздают раковые клетки, которые выращивают и изучают.
Таким образом, прототипы помогают врачам исследовать опасные болезни.
1) 3 D печать прототипов и готовых имплантов с использованием различных технологий и расходных материалов;
2) Изготовление прототипов протезов (бионическая рука, сердце, стоматологических и не только);
3) Разработка и печать ортопедических корсетов и вспомогательных приспособлений для лечения заболеваний опорно-двигательного аппарата;
4) Совместное с медицинскими работниками проектирование индивидуальных врачебных приспособлений.
3D-моделирование и прототипировнаие изделий машиностроения (рис.4) позволяет спроектировать деталь или узел изделия в виде конечного готового состоянии, соблюдая все конструктивные особенности. При наличии дополнительных знаний и навыков любую модель можно рассчитать на прочность. В ходе выполнения 3D-модели следуют по следующему плану:
1) Моделирование (создание математической базы);
2) Текстурирование (введение свойств объектов);
3) Рендеринг (проекционное построение);
4)Компоновка (завершающий этап, на котором полученная модель корректируется).
Какие программы осуществляют 3D-моделирование?
Наибольшей популярностью в этой области являются коммерческие продукты: Autodesk 3ds Max, Blender и многие другие.
Научившись работать в AutoCAD, пользователь сможет проектировать сложные поверхности, конструкции и прочие изделия материального мира и оформлять к ним рабочие чертежи. Плюсом этой программы является русскоязычное меню, справка и система подсказок по всем операциям.
Blender – это бесплатная программа Blender является очень мощным и ногофункциональным инструментом для работы с трехмерной графикой. Количеством своих функций он практически не уступает большим и дорогим 3ds Max и Cinema 4D. Эта система вполне подойдет как для создания 3 D моделей, так и для разработки видеороликов и мультфильмов. Несмотря на некоторую нестабильность работы и отсутствие поддержки большого числа форматов 3 D моделей, Blender может похвастать перед тем же 3ds Max более продвинутым инструментарием создания анимаций.
Планируя ремонт или желая обновить интерьер квартиры, нужно визуально представить, как это будет выглядеть после ремонта (рис.5,6). Бывает действительно сложно продумать все мелочи и детали. Именно поэтому и созданы программы для моделирования интерьера, которые помогут даже начинающим пользователям легко обустроить свой дом. Огромные галереи декора и текстур вместе с безграничным количеством вариантов планировки помещения смогут идеально визуализировать любое пространство.
3 D дизайн идеально подходит для так называемых «чистых» участков, на которых еще нет построек и насаждений, так как основное достоинство трехмерного моделирования заключается в том, что его приемы позволяют реализовывать в объеме любые выдуманные объекты и досконально прорабатывать каждую отдельную деталь.
Не менее популярный вид проектирования — ландшафтный дизайн, визуализация которого проходит в двухмерной плоскости. Как правило, этот метод применяют для участков с уже существующими в реальности постройками (домами, гаражами, павильонами, беседками). Отображение видовых ракурсов в этом случае происходит на основании готовых и отредактированных фотоснимков.
Работа по созданию такого проекта обходится несколько дешевле, чем 3 D моделирование ландшафтного дизайна (рис.7). Рис.7
И в конце расскажу немного о 3 D принтерах.
Первые разработки в области 3D печати велись в далёкие 90-е годы. Первый действующий прототип появился в Массачусетском технологическом институте спустя пять лет. В 1995 году это устройство было достаточно неуклюжим и мало функциональным по сравнению с современными домашними 3D принтерами, которые не так давно начали завоёвывать рынок. Подобные устройства оказались востребованными во многих отраслях. Это институты, рекламные агентства, различные научно-исследовательские сферы, ювелирная промышленность, зубные техники.
С помощью принтера можно печатать огромное количество вещей и плюс АБС пластик очень прочный, он используется в машиностроении, соответственно здесь можно в частном производстве распечатать очень сложную деталь, и сделать ее штучной.
Способствует широкому применению и в домашних условиях 3D печати расходные материалы, а точнее их простота в применении, экологичность, прочность и доступная цена.
Определённо, технологии 3D печати в будущем будут играть важнейшую роль в нашей жизни, несомненно, помогут решить многие проблемы человечества и воплотить практически любые мечты в реальность.
5. Практическая часть.
В практической части я расскажу о своих работах.
Было очень интересно попробовать свои силы, мне нравится это направление и в дальнейшем я планирую выбрать себе профессию связанную с моделированием и прототипированием.
При подготовке исследовательской работы, под руководством моего научного руководителя Евгения Юрьевича, я создал и напечатал модель сердца человека.
Вывод: в ходе моей работы я доказал, что гипотезу, что в настоящее время с помощью программ 3D моделирования, прототипирования и 3D принтеров во многих областях жизни человека возможно создание уникальных предметов и деталей.