Моделирование и прототипирование что это
Моделирование и прототипирование что это
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.
3D-прототипирование
Создание прототипа — важный этап изготовления деталей и конструкций. Метод позволяет оценить как достоинства, так и недостатки изделия перед началом серийного производства. Трехмерное прототипирование существенно снижает риск изготовления дефектной партии.
Применение
3D-прототипирование используется практически повсеместно. Современные аддитивные технологии позволяют с небольшими затратами изготавливать образцы практически любых изделий: от игрушек и сувениров до искусственных суставов и протезов.
Методы 3D-прототипирования
Традиционно прототипы изготавливались вручную или с использованием фрезерных станков, как правило, поддерживающих функцию программирования. Этот способ обладает серьезными недостатками, главный из которых — значительные временные затраты.
Сегодня для 3D-прототипирования практически повсеместно применяют трехмерную печать. Достоинства метода включают сравнительно высокую скорость работы, небольшие расходы, возможность изготовления деталей с геометрией практически любой сложности. Применяемые для 3D-печати материалы демонстрируют высокую прочность, термостойкость, устойчивость к воздействию влаги и агрессивных сред. Как и любое аддитивное производство, прототипирование посредством 3D-печати практически исключает образование отходов, минимизируя расход материала.
Все принтеры для трехмерной печати можно разделить на две группы: предусматривающие выдавливание (распыление) или спекание (склеивание) материала. Основные технологии, работающие по первому принципу:
К наиболее популярным материалам для трехмерной печати относятся ABS-пластик, полимолочная кислота (PLA), нейлон, полиэтилентерефталат и полибутилентерефталат (PET и PETT), ударопрочный полистирол (HIPS), поливиниловый спирт (PVA). Для 3D-прототипирования деталей, рассчитанных на повышенные нагрузки, может применяться металл.
Какие бывают прототипы?
Изделия отличаются назначением:
Этапы 3D-прототипирования
Если раньше для изготовления прототипов применялись исключительно чертежи, сегодня почти все работы выполняются в специальных программных средах. Такой подход несет в себе массу преимуществ. Прежде чем приступить к 3D-прототипированию, инженеры имеют возможность удостовериться в правильности геометрии и дизайна модели. При необходимости в конструкцию могут вноситься коррективы. Дальнейшие шаги:
Группа компаний «ВИЮС» располагает всем необходимым для высококачественного прототипирования: от мощных рабочих станций с профессиональным ПО до высокопроизводительных принтеров для 3D-печати. Мы готовы не только изготовить тестовую модель, но и наладить серийное производство.
Что такое 3d прототипирование изделий: материалы и применение технологии
Перед тем как начать производство нового изделия, многие компании предпочитают предварительно проводить его тестирование. Применение новейших технологий помогает сократить расходы на выполнение этой задачи при минимальных временных затратах. Чаще всего для этого используют 3D прототипирование – что это такое и как это работает подробно рассмотрим далее.
Изготовление модели представляет собой комплексный процесс, при котором происходит создание технического образца продукта. Его можно продемонстрировать целевой аудитории для оценки функциональности, свойств, а также других характеристик перед запуском в массовое производство. Еще образ используется для создания обратной литейной формы.
Виды прототипов
Существует классификация, которая определяется по сфере применения объекта:
Разработка мастер-моделей помогает во всех направлениях жизни человека, позволяя исправлять недочеты при разработке различных товаров до начала их производства.
Технологии быстрого прототипирования (ТБП)
Раньше образец создавался долго, вручную, на основе чертежей. С появлением различных современных средств временные затраты сократились и стало возможным быстро и качественно сделать муляж любого уровня сложности.
ТБП включают несколько этапов. Специалисты используют для этого компьютерное ПО. Основные платформы для создания трехмерных деталей:
При помощи одного из таких приложений создают математическую модель изделия и сохраняют в удобном формате из представленных ниже:
Когда макет создан, его отпечатывают на 3D-принтере, который представляет собой устройство, способное выводить трехмерные данные объемной геометрии. То есть, на обычном принтере, где происходит печать на бумаге (условно назовем его 2D), в результате получается плоское изображение, а этот аппарат выдает физический объект, созданный на основе заданных параметров. В основе его работы находится принцип послойного наращивания.
Разработка прототипов изделий осуществляется с помощью разных технологий:
Эти способы отличны видами исходных материалов и методом нанесения слоев.
Чаще всего применяют:
Если первый метод используется для создания металлических образцов, то второй применяется для медицинских, ювелирных изделий и другой продукции.
Этапы прототипирования 3Д моделей
Этот процесс состоит из такой последовательности:
Создание технического образца обычно нужно при проведении выставки или перед запуском новой серии изделий.
Требования к нему довольно высокие, исходя из них, он должен обладать определенными свойствами:
Для создания образца используют всевозможные графики, рисунки, эскизы, чертежи и обязательно техническую документацию. Чаще всего, это макет одноразового использования.
Методы промышленного прототипирования и других его разновидностей
Существует 2 основных способа, при помощи которых создается объемная модель:
Появление новых технологий подарило людям разных профессий большие возможности в разных областях.
Сферы применения трехмерного прототипирования
3d printing – уникальная система, которая может быть успешно задействована в различных отраслях промышленности и разработках. Ее используют в:
Например, прототипирование в хирургии сокращает время на изучение анатомических особенностей пациентов перед проведением операции. Доктора могут в отдельных случаях оценить количество потери крови, а также рассмотреть методы, которые помогут его сократить и обезопасить больного от заражения.
Использование ТБП в геоинформационных видах систем, печать 3Д увеличивает скорость проведения точных ландшафтных рельефов, проектов зданий, строений, планов местности.
Историки воссоздают с помощью этой технологии облик древних городов и поселений, а также других артефактов.
Основы прототипирования деталей и изделий понятны и доступны для понимания, поэтому это средство создания мастер-моделей становится все более популярным.
Выбираем ПО для создания трехмерных моделей
Разработка макетов для 3Д печати начинается с использования компьютерной программы. При покупке учитывайте, что не все из них прямо связаны с 3D printing, и возможно придется совместить пакеты или дополнить базовый софт модулями и надстройками.
Компания ЗВСОФТ предлагает продукты для проектирования formZ и ZWCAD. Каждый из них имеет широкий набор возможностей и обладает высокими показателями эффективности. САПР является аналогом AutoCAD, SketchUP, BricsCAD Shape и 3D MAX. Версии этого ПО бывают с разными комплектациями и надстройками, что-то можно получить бесплатно, а часть из них покупается отдельно. В целом приобретение подходит для любого финансового положения – от владельцев крупного бизнеса до персонального использования дома.
При выборе инструментов, с помощью которых будет производиться моделирование, отдайте предпочтение тому, основными возможностями которого будут:
Рассмотрим ПО, которое предлагает пользователям компания ЗВСОФТ.
ZWCAD 2018 Professional. Это профессиональный САПР. Он выпускается с локальной и сетевой лизензицензиями. Вместе с функциями версии «Стандарт» предоставляется возможность трехмерного моделирования, редактирования в процессе работы с разных точек доступа, интеграции с прочими приложениями и экспорт\импорт в файлы многих расширений; эта разработка позволяет самостоятельно проектировать свои приложения для автоматизации выполнения работ проектировщиков, конструкторов. Среди дополнительных функций следует выделить возможность просматривать 3Д модель в перспективе, а также рендеринг не только полной сцены, но и ее частей.
ZW3D. Включает три версии: Standard, Lite, Professional. У каждого пользователя есть возможность выбрать подходящий вариант относительно своего уровня профессионализма и степени трудности задач. Универсальная CAD/CAM система разработана для 3Д моделирования, производства реверсивного инжиниринга и выполнения других видов работ, относящихся к созданию мастер-модели. В программе можно задавать материалы для прототипирования с целью анализа по толщине, коррекции дизайна, например, листового металла и много других полезных функций.
form•Z Pro. Программное обеспечение, которое идеально подходит для проектировщиков и дизайнеров мебели, интерьеров, домов, внутренних помещений и других объектов разного уровня сложности. Это мощный инструмент для создания твердотельных и поверхностных моделей в 3Д формате. Софт включает трансляторы IGES и Step, сетевой рендеринг, качественную визуализацию и другие полезные опции. Особенностью программы является структурированное моделирование для обработки органических уникальных форм. Объекты строятся на базе сетки, которая автоматически может растягиваться, сжиматься, при этом оставаясь параметрическими. Это упрощает контроль поверхности и ее дальнейшую корректировку.
form•Z free – для домашнего и коммерческого пользователя. В качестве обучающего варианта пользователи выбирают этот продукт. Он бесплатен, но с его помощью создают 3d модели, которые могут быть напечатаны на 3Д-принтере. ПО содержит много инструментов для работы, но не поддерживает плагин рендеринга. Интерфейс понятен на уровне интуиции, состоит из окон, панели инструментов, палитры и простого меню. Выбор деталей и построения автоматизирован, что предполагает облегчение задачи пользователю.
Для успешного прототипирования подбирайте удобные и мощные инструменты, чтобы выполнять сложнейшие задачи и развиваться в этой творческой, сложной работе. Делайте грамотный выбор и совершенствуйтесь.
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.