XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
3D моделирование и прототипирование в современном мире
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение.
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 3D принтере.
3D 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.
3D модель отличается фотографической точностью и позволяет лучше представить себе, как будет выглядеть проект или деталь и внести необходимые изменения.
3D 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).
Рис.1
Р
Всего каких-то пять-десять лет назад 3D принтеры были устройствами из будущего, какими-то приборами фантастических фильмов, а уже сейчас 3D 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.
Цель проекта:
- Доказать, что 3D моделирование и прототипирование, а так же 3D принтеры на сегодняшний день являются современными, актуальными, полезными и удобными направлениями в жизни человека.
- Создать в программе Blender 3D модель и распечатать ее на 3D принтере.
Задачи исследования:
- Раскрыть термины 3D моделирование и прототипирование.
- Рассказать о программах создания трехмерного объекта и 3D принтерах.
- Сделать вывод.
3. Гипотеза, объект и предмет исследования.
В ходе работы мною была выдвинута гипотеза: компьютерные программы трехмерного создания объекта и 3D принтеры позволяют создавать детали, механизмы и предметы.
Предмет исследования: область применения, виды 3D печати, программы и 3D принтеры.
4. Теоретическая часть.
Сегодня я расскажу вам о том, что такое прототипирование и 3D-моделирование, каким оно бывает, где его применяют.
Прототипи́рование — быстрая «черновая» реализация проекта для анализа и начала работы системы в целом. На этапе прототипирования создается работающая система (возможно неэффективно, с ошибками, и не в полной мере). Во время прототипирования видна более детальная картина устройства системы. На этапе прототипирования выявляются важные архитектурные ошибки, вносятся поправки в интерфейсы модулей системы и перераспределяется функциональность между модулями системы. Прототипирование, по мнению некоторых разработчиков, является самым важным этапом разработки.
3D-моделирование — это процесс создания трёхмерной модели объекта. Задача 3D-моделирования — разработать зрительный объёмный образ желаемого объекта. При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили,здания,ураган,астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).
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.
Это:
Индустрия развлечений
Медицина
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).
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 3D биопринтере они воссоздают раковые клетки, которые выращивают и изучают.
Таким образом, прототипы помогают врачам исследовать опасные болезни.
1) 3D 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.
Рис.3
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).
Рис.4
Какие программы осуществляют 3D-моделирование?
Наибольшей популярностью в этой области являются коммерческие продукты: Autodesk 3ds Max, Blender и многие другие.
Autodesk 3ds Max — самое мощное, функциональное и универсальное приложение для трехмерной графики. 3DМакс — это стандарт, под который выпущено множество дополнительных плагинов, разработано готовых 3D -моделей, отсняты гигабайты авторских курсов и видеоуроков. С этой программы лучше всего начинать учиться компьютерной графике.
AutoCAD - Для целей строительного, инженерного и промышленного проектирования применяется самый популярный чертежный пакет — AutoCAD от компании Autodesk. Эта программа обладает мощнейшим функционалом для двухмерного черчения, а также проектирования трехмерных деталей разной сложности и назначения.
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 3Dмоделей, так и для разработки видеороликов и мультфильмов. Несмотря на некоторую нестабильность работы и отсутствие поддержки большого числа форматов 3Dмоделей, 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.
Рис.5,6
Ландшафтный дизайн.
3D ландшафтный дизайн отличается от привычного проектирования тем, что при работе над его созданием специалисты проводят максимально подробную фото- и видеосъемку участка, на котором заказчик планирует разместить объект. Благодаря фиксации территории с разных сторон и съемке мельчайших нюансов дизайнеры получают возможность объединять разрозненные элементы в единую картину и разрабатывать ландшафтный дизайн, визуализация, которого и является важнейшей составляющей конечного результата.
3D 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 3D моделирование ландшафтного дизайна (рис.7). Рис.7
И в конце расскажу немного о 3D 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.
Уже почти три года как я занимаюсь в кванте «3D моделирование и прототипирование» в Детском технопарке «Кванториум». За это время я самостоятельно с помощью видеоуроков, которые я нашел на канале YouTube, изучил и научился делать модели в программе Blender.
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.
6. Заключение.
Я много узнал о технологиях создания моделей и их способов печати, самостоятельно изучил программу Blender, своими глазами видел как работаю 3D принтеры и научился печать предметы. Еще я хочу изучить 3D сканирование.
Список использованных источников.
Интернет-сайт https://3ddevice.com.ua/3d-pechat-v-meditsine/
Интернет-сайт https://studfile.net/preview/5738857/page:6/
Интернет-сайт https://www.news3d.org/news-8833.html