CC BY
180
УДК 338.27:004
АДДИТИВНАЯ МОДЕЛЬ СОЗДАНИЯ 3D-ОБЪЕКТА
Малков Виталий Валерьевич
старший преподаватель кафедры информатики и информационных технологий Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова 127550 Россия, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 2А ша1кву_уу2007@1пЬ ох. ги
Аннотация. Рассматриваются новые технологии в области создания 3Б-объектов, дается понятие аддитивного подхода к созданию объекта, принципы работы 3Б-принтера, определяются технические характеристики, присущие принтерам с технологией 3Б, отдельно выделяются преимущества и недостатки работы с 3Б-печатью, приводятся сведения о том, в каких видах производства можно использовать создание объемных объектов. Описывается принцип аддитивного создания объекта для последующей печати, рассмотрена допечатная подготовка материала, указано, какие расходные материалы используются в процессе.
Ключевые слова: аддитивная модель создания 3D-объекта, расходные материалы, предпечатная подготовка, рабочие копии для устранения недостатков, преимущества и недостатки 3D-печати, составные части принтеров нового поколения, технические параметры 3D-принтеров.
В недавнем прошлом 3D-принтеры, как и 3D-печать, считались чем-то из разряда фантастики, чем-то почти недостижимым, и эта экзотика предназначалась исключительно для энтузиастов и первопроходцев. Но, как известно, прогресс не стоит на месте, все развивается, появляется широкий ассортимент принтеров, работающих с 3D-печатью и ориентированных на простых пользователей. Сейчас можно с уверенностью говорить, что такой вид печати прочно завоевывает свое место под солнцем и входит в повседневную жизнь каждого человека. Развитие и постепенное удешевление данной технологии постепенно приближают момент, когда 3D-принтер сможет купить человек среднего достатка [1].
Аддитивное производство
Давайте рассмотрим поближе, что такое 3D-печать. Для этого введем термин «аддитивное производство», которое чаще всего упоминается в качестве своего рода альтернативы термину 3D-печать, и выясним, чем такой вид производства отличается от обычного. Чтобы перейти к аддитивному производству, рассмотрим для начала классические методы изготовления объектов, в частности, механическую обработку детали (рис. 1).
Рис. 1. Обработка простого объекта
Как при любой механической обработке детали, мы возьмем любой предмет из «твердого» металла, примерно напоминающий необходимый вам предмет, и будем постепенно снимать с него слой за слоем ненужный материал, т.е. смысл один — снятие ненужного материала.
Аддитивное производство означает процесс добавления материала для создания нового объекта. Данный процесс происходит с нуля, постепенно идет добавление тонких слоев материала, которые слой за слоем постепенно выстраивают объект [2].
Рис. 2. Печать объекта сложной формы
Данный процесс прекрасно иллюстрируется таким незамысловатым процессом, как лепка снеговика, — в результате получается монолитный объект.
Приблизительно такой же процесс и в 3D-печати: на горизонтальную поверхность выкладывается тонкий слой материала, затем на него накладывается новый слой материала, затем следующий и так до тех пор, пока не будет построен цельный сложный объект. На рис. 2 эти слои прекрасно видно [1].
Назначение 3D-принтера. Если коротко, то такие принтеры нужны для создания реальных сложных объектов на основе компьютерных моделей (рис. 3).
Рис 3. 3D-модель автомобиля
Такого рода модели мы могли видеть много раз, будь то фильмы, компьютерные игры, реклама. Это объемные копии реальных либо виртуальных объектов или вещей, существующих исключительно в электронном виде [1], созданные на основе систем компьютерной графики и методов обработки изображений (рис. 4) [4, 5].
В_1
Рис 4. Готовая модель 3D-объекта
3D-принтеры предоставляют возможность сделать виртуальные объекты вполне реальными, т.е. осязаемыми. Несмотря на то, что такие принтеры приобрели широкую известность лишь недавно, в промышленном производстве они используются с конца 1980-х гг., а сама методика такой печати уходит корнями к разработкам XIX в. в области топографии.
Технологию 3D признали заслуживающей всяческого внимания не только такие крупные промышленные корпорации, как Airbus, Boeing, General Electric, Ford, но и обычные ученые, медики и инженеры и, конечно, обычные пользователи.
Попробуем оценить неоспоримые преимущества которые дает 3D-печать:
• 3D-принтеры могут создавать объекты практически любой формы и сложности;
• 3D-печать дает очень широкие возможности как для промышленности, так и для обычных пользователей, а для искусства дизайна такой принтер является незаменимой вещью;
• большое разнообразие материалов;
• принтеры способны использовать огромное количество материалов для печати, списки расходных материалов постоянно обновляются и дополняются. Кроме того, принтеры могут работать с расходными материалами, обработка которых с помощью классической методики сложна и затратна;
• универсальность и снижение трудоемкости;
• для печати сложного объекта не требуется цех с различными видами станков, для изготовления объекта нужен лишь принтер;
• простота в использовании [3].
Вот примерный алгоритм процесса:
• создание цифровой модели объекта в любой программе — редакторе, при этом совершенно необязательно делать модель самому, можно воспользоваться возможностями, предоставляемыми людьми, уже имевшими дело с такими задачами;
• переформатирование изготовленной модели в формат, понятный принтеру. При этом специальная программа разобьет модель на тонкие горизонтальные слои, переведет ее в код, который использует принтер;
• собственно процесс печати, в котором человек принимает самое опосредованное участие [1].
Экономичность. Для разработки сложного объекта
не требуется ничего, кроме принтера, расходного материала и компьютерной модели, которая может быть разработана в любом 3D-редакторе.
Таким образом, мы рассмотрели основы процесса создания 3D-модели, или аддитивное производство. Такая послойная печать сложного объекта предполагает фактически отсутствие отходов от печати, поскольку наш объект разрабатывается не с какой-то болванки, с которой снимаются лишние слои, а выстраивается послойно с использованием необходимого количества материалов.
Быстрота создания объектов и гибкость технологии. Современные методики 3D-печати основаны на разработках в области быстрого построения прототипов и макетов. Инженеры, конструирующие те или иные механизмы перед запуском разработки в производство, естественно, будут опробовать его и устранять возникающие недостатки. Для этого разрабатываются тестовые прототипы продукции. Новые технологии в области печати сократят время создания таких рабочих прототипов [2].
Использование 3D-принтеров в медицине. С появлением такой технологии печати в медицине появилась возможность создания искусственных органов и тканей тела, возникла возможность печати моделей искусственных суставов в области хирургии. Врач, наблюдающий пациента, будет способен с гораздо меньшей вероятностью ошибки создать действующую
модель искусственного сустава вместо изношенного, и при этом вероятность того, что модель сустава будет доставлять пациенту боль, будет значительно снижена.
Конечно, все это звучит скорее как сказка, и никто не говорит, что 3D-печать не имеет своих недостатков, поэтому попробуем разобраться в них [1].
Недостатки, связанные с особенностями аддитивного (послойного) производства. Поверхность создаваемого сложного объекта в любом случае будет иметь свои шероховатости и будет выглядеть матовой, поскольку, несмотря на то, что создаваемые 3D-принтером слои достаточно тонкие, всегда будет некая граница, т.е. переход между слоями, своего рода лестница. Особенно это касается относительно дешевых бюджетных принтеров. Конечно, недостатки печати постепенно исправляются, но в любом случае на это требуются большие трудозатраты и денежные ресурсы. Кроме всего прочего, такая многослойная напечатанная деталь будет иметь меньшую прочность, в отличие от детали, выточенной на станке [3].
Ограничения в размерах объектов. Несмотря на впечатляющие способности, принтер не может напечатать объект в натуральную величину, к примеру, жилой дом, размеры напечатанного объекта не будут выходить за границы рабочей платформы. Несмотря на то, что уже сейчас существуют принтеры, способные печатать объекты достаточно больших размеров, об их использовании пока речь не идет [2].
Высокая цена. Не стоит говорить о специальных промышленных печатающих устройствах, поскольку их стоимость зашкаливает за десятки и даже сотни тысяч долларов, что касается обычных бытовых 3D-устройств, то их стоимость начинается с нескольких сотен долларов, причем стоимость расходных материалов и обслуживания в расчет не берется. Исходя из бурного прогресса на рынке электроники и компьютерной техники, стоит упомянуть такое устройство, как мобильный телефон, который не был широко доступен еще лет 20 назад, а теперь есть практически у каждого. По мере развития рынка печатных устройств, понижения стоимости производства электроники, стоимость на такой новый вид принтеров будет постепенно снижаться [3].
Незаконная 3D-печать оружия. Некоторые страны Европы и Америка всерьез озабочены проблемой бесконтрольного производства и распространения огнестрельного оружия. Повод для такой озабоченности достаточно неожиданный. Получил распространение крайне дешевый в производстве пластиковый пистолет, который никак не обнаружить металлоискателем.
Необходимо четко понимать, что технология 3D-печати — это лишь технология, которая не может быть плохой или хорошей. Все зависит от того, в каких целях она применяется. Вполне естественно, что находятся люди, способные применить такой принтер в незаконных целях [1].
Сокращение существующих производств. Поскольку сферы применения технологии 3D-печати очень велики, и один такой принтер способен заменить собой несколько станков, весьма велика вероят-
ность того, что такие технологии приведут к резкому сокращению рабочих мест, так как потребности промышленности в рабочей силе будут снижены.
В то же время для разработки и обслуживания 3D-принтера понадобятся высококвалифицированные инженеры и техники [2].
Перемещение денежных потоков из одного вида промышленного производства, менее перспективного и устаревающего, в новое и перспективное является вполне закономерным явлением. Это является залогом прогресса.
Есть понимание того, что многим людям, не обладающим высокой квалификацией, будет достаточно сложно освоить технологии 3D-печати, но, как говорится, не боги горшки обжигают. Весьма вероятно, что новые технологии сильно изменят нашу жизнь.
Дальше рассмотрим процесс 3D-печати [1].
Подготовка к печати
Как мы уже выяснили, 3D-принтер создает реальный, осязаемый объект из виртуальной модели, поэтому в 3D-редакторе создается цифровая модель будущего объекта (рис. 5).
Рис 5. Осьминог — цифровая модель в 3D-редакторе
После создания данная модель подвергается обработке специальной программой, так называемым генератором в-кода. Исходной объект расчленяется на тонкие горизонтальные слои (рис. 6), и идет его преобразование в цифровой код, понятный принтеру. Попросту говоря, генератор кода создает список команд, который дает указание принтеру, куда наносить материал при 3D-печати такого объекта.
Подведем некоторые итоги, модель подверглась обработке, цифровой код сгенерирован, теперь можно отправить объект на печать.
Устройство 3Б-принтера и печать объектов
Как мы уже отмечали, существует достаточно большое количество разнообразных 3D-принтеров, различающихся принципом работы и устройством (рис. 7), однако все они имеют единый принцип печати — это построение объекта из тонких горизонтальных слоев материала [3].
__
Рис. 6. Обработки модели слайсером
Рис. 7. Схематическое устройство механизма
Печатающая головка сформировывает слои материала, постепенно выстраивая из них объект. Она движется исключительно по горизонтали (вдоль осей X и У).
Рабочая платформа предназначена для размещения формируемого объекта при печати, ее движения происходят в вертикальной плоскости (по оси 2).
Сам по себе процесс 3D-печати очень прост. В начале работы принтера рабочая платформа находится в крайнем верхнем положении, и печатающая головка наносит на нее первый нижний слой материала, затем платформа опускается по оси вниз на толщину первого напечатанного слоя, и печатающая головка выкладывает новый слой материала поверх предыдущего слоя.
В начале рабочая платформа находится в верхнем положении, а печатающая головка наносит на нее нижний слой объекта. После того как первый слой сформирован, рабочая платформа опускается на толщину слоя, и печатающая головка наносит новый слой материала на предыдущий. Данная работа будет повторяться до тех пор, пока весь объект не будет напечатан, при этом он будет состоять из вполне видимых тонких слоев материала [1].
Разрешение печати
Основополагающая характеристика любого 3D-принтера, как и обычного принтера, — «разрешение печати». Под этим параметром понимают минимально допустимую высоту слоя материала, с которой
может печатать данный 3D-принтер. Чем тоньше слой наносимого материала, тем выше разрешение печати, т.е. меньше будет «ступенчатость» напечатанного объекта [1].
Разрешение печати принято обозначать в микрометрах (мкм, микрон), т.е. тысячных долях миллиметра. Этот параметр зависит от большого количества влияющих факторов:
• от технологии работы 3D-принтера (к примеру, лазерные принтеры печатают самые детализированные модели);
• от корректной работы печатающих механизмов конкретной модели;
• от точно подобранного расходного материала для 3Б-печати;
• от настроек ПО.
Область печати
Следующей важной характеристикой любого 3D-принтера является область печати. Именно этот параметр показывает, объекты какого размера можно печатать на данной модели 3Б-принтера.
Параметр «область» выражается тремя цифрами, обозначающими длину, ширину и высоту, для некоторых видов принтеров с нестандартными способами работы механизмов область печати представляют в виде цилиндра и указывают его диаметр и высоту. В качестве единиц измерения, как правило, используют миллиметры.
Поддерживающие конструкции
Еще один термин, имеющий весомое значение в технологии 3Б-печати — это «структуры поддержки». Чтобы понять, что это такое, представьте себе модель лошади, вставшей на дыбы. Принтер начнет печать модели с нижних с задних копыт, поскольку с ними проблем не возникнет, они касаются рабочей платформы, но как быть с передними копытами, которые будут висеть в воздухе и будут занимать виртуально большую площадь печати. В таком случае принтеру будет нужна опора либо в виде нижних уже наложенных слоев материала, либо рабочая платформа. Для таких моделей и создаются поддерживающие конструкции, которые будут поддерживать слои материала. После печати поддерживающие конструкции в виде прутьев можно будет убрать [2].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Энциклопедия 3D-печати. — URL: http://3dtoday.ru/wiki/ (дата обращения: 16.03.2016).
2. Что такое 3D-принтер? Почему его называют революционным устройством? Статья о 3D-принтерах для тех, кто «не в теме» — URL: http ://3 dwiki.ru/chto-takoe-3d-printer-pochemu-ego-nazyvayut-revolyucionnym-ustrojstvom-statya-o-3d-printerax-dlya-tex-kto-ne-v-teme/ (дата обращения: 17.03.2016).
3. 3Б-прингер. Как это работает? | KM.RU. — URL: http://www.km.ru/science-tech/2014/12/26/nauka-i-tekhnologii/752918-3d-printer-kak-eto-rabotaet/ (дата обращения: 17.03.2016).
4. Попов Д.И., Воробьёв Е.В. Компьютерная графика. — М.: Изд-во МГУП, 2014. — 70 с.
5. Popov D.I. Belobokova Y.A. Bitmaps Protective Marking Model to Verify Their Integrity // International Journal of Applied Engineering Research. — 2015. — Vol. 10. Num. 16 (2015). — P. 3647936483.
ADDITIVE MODEL FOR CREATING 3D OBJECT
Vitaliy Valerievich Malkov
Moscow State University of Printing Arts 127550Russia, Moscow, Pryanishnikova st., 2А
Annotation. The paper discusses new technologies in the field of creation of 3D objects, given the concept of the additive approach to the creation of the object, the 3D printer are determined by the technical characteristics inherent in printers with 3D technology, are separately identified advantages and disadvantages of working with 3D printing, what kinds of production it is possible to use the creation of three-dimensional objects. Describes the principle of additive creation of the object for printing, how print production material supplies may be used in the process.
Keywords: additive model create 3D object, supplies, prepress, working copies for elimination of shortcomings, the advantages and disadvantages of 3D printing, parts of printers of the new generation, the technical parameters of 3d printers.
