XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Основы 3-D моделирования для начинающих
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
| В |
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность
До изобретения компьютеров инженеры и дизайнеры делали эскизы и чертежи разрабатываемых объектов на бумаге, это был очень долгий и трудоемкий процесс. Каждая ошибка могла привести к провалу всего проекта. С появлением электронной вычислительной техники математические расчеты поручили машине, а когда компьютеры стали мощнее, появилась возможность автоматизированной разработки объекта целиком.
Сегодня компьютерное моделирование является неотъемлемой частью нашей жизни. Современные компьютеры настолько мощные, что стало возможным не только разработать форму объекта, но и подобрать материал из которого его лучше изготовить, а также протестировать свойства еще не изготовленного предмета в различных условиях, например, высокой температуре или механических нагрузках.
Практическая значимость моего проекта заключается в популяризации 3D моделирования. Естественно не все разбираются в 3D программах и умеют моделировать объемные объекты. В то же время, профессии в области 3D моделирования сегодня востребованы.
Предлагаемая вашему вниманию исследовательская работа, посвящена теме компьютерного 3D-моделирования и самостоятельному изготовлению 3D-объекта без специального оборудования.
Цель работы
Цель работы – разъяснить теоретические основы компьютерного 3D- моделирования и показать простейший способ изготовления 3D-модели.
Задачи
Изучить основы и понятия 3D-моделирования
Подобрать подходящую для последующего изготовления 3D-модель
Обработать на компьютере
Выбрать материал для изготовления
Изготовить объект.
Новизна
Создание 3D-модели будет осуществлено без специального дорогостоящего оборудования, с применением минимума дешевых и доступных материалов.
Для решения поставленных теоретических задач нам понадобится изучить литературу по информатике, математике и геометрии, найти определения обозначенных выше терминов. Для решения практических задач необходимо установить нужное программное обеспечение (SlicerFuzion360 от компании Adobe) и освоить основные его функции. Так же нужно приобрести материал и инструменты для изготовления смоделированного объекта.
Глава 1. Теоретические основы 3D-моделирования
На сегодняшний день тема 3D-моделирования и последующего изготовления разработанных объектов, является одной из самых актуальных в технологических исследованиях. Технологии 3D-моделирования и 3D- печати уже сегодня используются в промышленности, строительстве, медицине, даже на международной орбитальной станции есть 3D-принтер и необходимые детали и предметы можно изготовить прямо на орбите, а не везти их с Земли! Разрабатываются технологии 3D-печати для постройки будущей космической базы на Луне и Марсе. Учитывая возрастающую актуальность методов 3D-моделирования и технологии 3D-печати, мы решили изучить эту тему на примере нашей работы[1].
Основные термины и понятия по теме исследования:
3D-моделирование — это процесс создания трёхмерной модели объекта. Задача 3D-моделирования — разработать визуальный объёмный образ желаемого объекта.
3D-печать – технология и процесс создания трехмерных объектов на основе результатов моделирования[3]. Существуют различные технологии 3D-печати, однако, наиболее распространенной является технология «послойной» печати. Для этого исходная модель разделяется программой на отдельные плоские срезы заданной толщины и формируется набор команд для 3D-принтера, который слой за слоем печатает объект. (см. Рис. 4)
Плоскость – одно из основных понятий геометрии. Плоскость — это поверхность или фигура, образованная кинематическим движением образующей по направляющей, представляющей собой прямую (начертательная геометрия). (см. Рис. 2)
Поперечное сечение — сечение под прямым углом к продольной оси. (см. Рис. 3)
Сечение в черчении - изображение фигуры, образованной рассечением тела плоскостью (плоскостями).
Срез – это часть исходной фигуры, образованная между двумя параллельными сечениями.
Трехмерное пространство — геометрическая модель материального мира, в котором мы находимся. Это пространство называется трёхмерным, так как оно имеет три однородных измерения — длину, ширину и высоту, то есть трёхмерное пространство описывается тремя единичными ортогональными векторами. (см. Рис. 1)
Физическое тело (тело в физике или физический объект; англ. physical body) — материальный объект, имеющий массу, форму, объём; и отделенный от других тел внешней границей раздела. Широко используется в классической механике.
Ф орма (лат. forma «форма, внешний вид») — взаимное расположение границ (контуров) предмета, объекта, а также взаимное расположение точек линии.
Рисунок 1. Трехмерная метрика пространства
Рисунок 2. Плоскость и лежащая на ней прямая
Р исунок 3. Поперечное сечение цилиндра
Рисунок 4. Процесс послойной печати объекта на 3D-принтере.
Глава 2. Разработка и изготовление объекта
Подбор 3D-модели. Разработка трехмерной модели «с нуля» достаточно трудоемкий процесс, требующий специальных знаний и сложного программного обеспечения. Однако, в сети Интернет существует множество библиотек готовых 3D-моделей, одну из них мы выбрали в качестве основы для данной исследовательской работы. Модель взята из бесплатной библиотеки сайта https://free3d.com (см. Рис. 5)
Рисунок 5. Исходная 3D-модель
2.1 Программное обеспечение.
Мы установили бесплатное приложение для создания срезов 3D-моделей – SlicerFuzion360 от компании Adobe. Данное приложение позволяет создавать срезы любой 3D-модели.
Мы не будем останавливаться на особенностях интерфейса программы, покажем лишь основные этапы создания объекта[2].
Процесс создания срезов. Как уже было описано в теоретической части работы, для создания объекта из исходной 3D-модели, нам понадобится разделить ее на отдельные срезы. Каждый срез имеет определенную заранее заданную толщину. В нашем случае – 3 мм. Именно такую толщину имеет картон, из которого мы будем делать объект. Длину и ширину самих срезов подбирали таким образом, чтобы при печати они соответствовали размеру листа формата А4. Процесс создания срезов и его результаты изображены на рисунках 6 и 7.
Рисунок 6. Модель разделена на поперечные срезы.
Рисунок 7. Готовые к печати срезы модели.
2.2 Выбор материала для изготовления объекта.
Для изготовления объекта мы выбрали обычный картон, использующийся для изготовления коробок. Его преимущество в том, что его легко найти и он прост в обработке. Толщина листа картона составляет 3 мм. Для склеивания листов картона между собой используем клей ПВА. Он достаточно быстро сохнет и не токсичный.
2.3 Изготовление модели
На следующем этапе мы на обычном принтере распечатали получившиеся срезы на бумаге формата А4. Получилось 76 листов и на них контуры 132 срезов. Затем мы наклеили эти листы на картон (см. Рис. 8)
Рисунок 8. Контуры срезов нанесены на картонную основу
Далее, мы с помощью ножниц вырезали по контуру срезы и проделали отверстия для направляющих стержней. (см. Рис. 9)
Рисунок 9. Готовые к сборке картонные срезы исходной 3D-модели.
Сборка объекта изображена на рисунке 10.
Рисунок 10. Послойная сборка объекта. Склеивание слоев.
Готовый объект изображен на рисунке 11.
Рисунок 11. Объект полностью собран из срезов исходной 3D-модели.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе проведенной исследовательской работы были рассмотрены теоретические и практические основы 3D-моделирования и изготовления созданных на его основе объектов.
По результатам работы можно сделать вывод, что технология 3D-моделирования в настоящее время доступна даже школьникам, при этом, для того чтобы ознакомится с процессами создания и обработки моделей и изготовления объектов не требуется дорогостоящего и весьма сложного в обращении оборудования и расходных материалов, достаточно обычного компьютера и принтера.
В заключение хотелось бы сказать, что такая, на первый взгляд, сложная технология, как 3D-моделирование и последующее изготовление объектов, основывается на достаточно простых принципах информатики, математики и геометрии, доступных для понимания даже школьникам пятого класса. Я предлагаю учителям информатики, математики и технологии обратить внимание на возможность использования моей работы в качестве методического материала к урокам, так как целым классом, сообща можно буквально за два урока создать куда более впечатляющие 3D объекты.
Особенно хотелось бы отметить возросшую актуальность данной темы и связанных с ней технологий в связи с нынешним экономическим курсом Российской Федерации, направленном на импортозамещение. Повсеместное внедрение технологий 3D печати на производстве позволит значительно ускорить разработку и испытание новых изделий.
Список использованных источников и литературы:
1. Большаков, В. 3D-моделирование в AutoCAD, КОМПАС-3D, SolidWorks, Inventor, T-Flex / В. Большаков, А. Бочков, А. Сергеев. - М.: Книга по Требованию, 2017. - 336 c.
2. Погорелов AutoCad. Трехмерное моделирование и дизайн / Погорелов, Виктор. - М.: СПб: БХВ, 2013. – 2
3. Сазонов, А. А. 3D-моделирование в AutoCAD. Самоучитель (+ CD-ROM) / А.А. Сазонов. - М.: ДМК Пресс, 2018. - 384 c.
Интернет-ресурс:
4. www.Wikipedia.org
5. https://free3d.com