CC BY
47
УДК 378.147
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СРЕДЫ TINKERCAD И 3D-ПРИНТЕРОВ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ОСНОВ ТРЕХМЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
USING THE TINKERCAD ENVIRONMENT AND 3D-PRINTERS IN TEACHING THE BASICS OF THREE-DIMENSIONAL MODELING
© 2020
С.В. Горбатов S.V. Gorbatov
Трехмерное моделирование, взаимодействие с трехмерными объектами - важнейшие инструменты, позволяющие в значительной степени повысить эффективность обучения, а также служащие отличной иллюстрацией при проведении презентаций и разного рода выступлений. В настоящее время трехмерное моделирование является важнейшим элементом проектирования современных транспортных средств, архитектурных сооружений, интерьеров. Сегодня без трехмерных моделей невозможно представить художественную анимацию и фильмы. Трехмерная печать активно используется ювелирами и стоматологами для скорейшего получения физических копий объектов. В связи с активным развитием технологий значимыми также видятся трехмерное сканирование и печать. Сегодня существует несколько принципиально различных подходов к трехмерной печати. Применение каждого из них в той или иной степени влияет на качество и стоимость модели. В настоящее время стоимость технологий оцифровки трехмерных моделей и их печати становится абсолютно доступной большинству учебных заведений; повышается их качество. В статье рассмотрены основные возможности программы трехмерного моделирования TinkerCAD и приведены примеры ее использования в процессе изучения дисциплины «Информационные системы и технологии» в рамках программы подготовки «Прикладная информатика».
Ключевые слова: образование; бакалавриат; подготовка бакалавров; прикольная информатика; высшее образование; прикладная информатика; информационные системы и технологии; трехмерное моделирование; компьютерное моделирование; трехмерное сканирование; 3D-графика; 3D-принтеры; TinkerCAD.
Three-dimensional modeling, interaction with three-dimensional objects are the most important tools that can significantly improve the effectiveness of training, as well as serve as an excellent illustration for presentations and various kinds of speeches. Currently, three-dimensional modeling is the most important element in the design of modern vehicles, architectural structures, and interiors. In addition, without three-dimensional models, it is impossible to present artistic animation and movies today. Due to the active development of technologies, in addition to three-dimensional modeling, the areas of three-dimensional scanning and printing are seen as significant. Technologies for digitizing three-dimensional models and printing them now not only reduce their cost to values that are absolutely accessible to most educational institutions, but also improve their quality. For example, three-dimensional printing is actively used by jewelers and dentists to get physical copies of objects as soon as possible. In general, today, there are several fundamentally different approaches to three-dimensional printing. The use of each of them, to some extent, affects the quality and cost of the resulting model. In this article, we will review the main features of the three-dimensional modeling program TinkerCAD and give examples of its use in the course of studying the discipline "Information Systems and Technologies" as part of the bachelor's program in Applied Informatics.
Keywords: education; bachelor's degree; bachelors training; computer science for fun; higher education; applied computer science; information systems and technologies; three-dimensional modeling; computer modeling; three-dimensional scanning; 3D graphics; 3D printers; TinkerCAD.
Одной из основных задач современной вычислительной техники является обработка графической информации. Под графической информацией принято понимать сведения, представленные в виде схем, эскизов, изображений, графиков, диаграмм, символов. Графическая информация является разновидностью визуальной информации, к которой относятся рисунки, плакаты, карты, эскизы, модели и т.п. Изучение основных аспектов работы с графи-
ческой информацией является немаловажным при освоении дисциплины «Информационные системы и технологии», в рамках которой рассматриваются основные подходы к работе с информацией любого типа.
В последние несколько лет авторами затрагиваются вопросы получения трехмерных объектов средствами как моделирования, так и сканирования объектов реального мира [См., например: 1-5]. В таких работах, как правило, описываются спосо-
бы получения 3D-мoделей, готовых для печати на 3D-принтере после редактирования исходного облака точек, полученного при помощи 3D-сканера. Р.А. Лисин в работе «Внедрение 3D принтеров и 3D печати в образовательный процесс» [2] рассматривает варианты оснащения компьютерных лабораторий программным и аппаратным обеспечением, необходимым для изучения студентами основных технологий получения трехмерных изображений из объектов реального мира и их печати с использованием основных технологий обработки пластиков и полимеров.
В рамках данной статьи мы планируем рассмотреть основные возможности программы трехмерного моделирования Tinker-CAD и привести примеры ее использования в процессе изучения дисциплины «Информационные системы и технологии».
Для работы с графической информацией используется специализированное программное обеспечение, тип которого определяется по типу обрабатываемых в нем изображений - растровых, векторных или трехмерных.
Профессиональные художники в своей работе используют растровую графику, и, соответственно, работают в таких редакторах, как SAI Paint Tool 2, Photoshop, Procreate. Дизайнеры и художники, взаимодействующие с макетами больших размеров, например с баннерами, используют преимущественно векторную графику и работают в таких редакторах, как Corel Draw, Adobe Illustrator, Xara Designer и др. Аниматоры, скульпторы преимущественно используют 3D-графику и, соответственно, работают в таких приложениях, как Pixologic ZBrush, Autodesk Mudbox, 3Ds Max, Maya, TinkerCAD.
Высокая популярность трехмерной графики связана не только с тем, что она фактически объединяет возможности пиксельной и растровой графики (структура объекта базируется на простейших геометрических фигурах, как в векторной графике, а текстура, как правило, является растровым изображением). Популярности трех-
мерной графике добавляют мультипликация, анимация, индустрия игр и т.д.
В последнее время трехмерная графика стала активно использоваться в моделировании и производстве за счет массового внедрения в эти сферы специализированной группы устройств под общим названием SD-принтеры. (В зарубежной литературе данные типы устройств также именуют фабберами, а процесс трехмерной печати -быстрым прототипированием (Rapid Prototyping) [4].) 3D-принтер - это периферийное устройство, использующее метод послойного создания, «выращивания» из определенного материала физического объекта (твердой модели) на основе цифровой 3D-модели. Преимущества SD-печати перед привычными, ручными способами построения моделей - высокая скорость, простота и относительно небольшая стоимость.
Для того чтобы распечатать какой-либо объект на SD-принтере, его модель сначала необходимо спроектировать в любой из вышеназванных программ трехмерного моделирования, а затем обработать в программе-слайсере. Лучшими решениями в этой области являются программы Sim-plify3D, Cura, 3DPrinterOS, Astroprint и др. Основной задача программы-слайсера -подготовка трехмерной модели к печати. Программа «разрезает» объект на слои в зависимости от соответствующих установок под конкретную модель 3D-принтера и формирует файл специального формата. При печати принтер будет действовать строго по инструкциям, содержащимся в данном файле.
На наш взгляд, недостатками таких приложений для работы с трехмерной графикой, как Pixologic ZBrush, Autodesk Mudbox, 3Ds Max, является их высокая сложность для изучения и использования, а также их высокая стоимость. Этого нельзя сказать о программе TinkerCAD.
TinkerCAD - это облачное приложение для 3D-моделирования. Его разработкой и сопровождением занимается компания Autodesk. Для работы с программой нет необходимости ее скачивать, достаточно открыть ее в программе-браузере [5]. Про-
Использование среды TinkerCAD и 3D-принтеров при изучении основ трехмерного моделирования
грамма имеет достаточно гибкий и простой интерфейс и ориентирована на детей школьного возраста. С ее помощью можно легко постигать основы трехмерного моделирования и подготавливать модели для печати.
Данный облачный сервис позволяет в сжатые сроки освоить базовые принципы моделирования трехмерных объектов и использовать их в качестве основы для печати на любом доступном учебному заведению 3D-принтере.
С помощью TinkerCAD можно создавать достаточно сложные объекты, используя библиотеку моделей приложения. В библиотеке содержатся трехмерные модели простейших фигур. С помощью инструментов рабочей области мы можем группировать из данных фигур более сложные объекты. Например, мы создали трехмерного «скрепыша» из таких объектов библиотеки, как «шар», «улыбка», «держатель» и «очки» (рис. 1).
Рис. 1. Трехмерная модель в программе TinkerCAD
Для изучения возможностей приложения TinkerCAD мы использовали уроки, размещенные в самой среде. К сожалению, часть уроков в сервисе представлена только на английском языке, но нас это не оттолкнуло. Кроме этого, большое количество уроков размещено на YouTube и в электронных курсах, доступных в Интернете [8 ; 9].
Для печати разрабатываемых нами моделей мы использовали 3D-принтеры двух типов: SLA (Stereolithography) принтер ANYCUBIC Photon S и НРМ (FDM, Fused deposition modeling) принтер Ender 3 (рис. 2).
Рис. 2. SLA принтер ANYCUBIC Photon S (слева) и Ender 3
В SLA принтере происходит печать жидким полимером. Принтер засвечивает область полимера с помощью специальной ультрафиолетовой лампы. После того, как один слой готов, платформа с деталью поднимается выше, жидкий полимер заполняет пустоту, далее запекается следующий слой и т.д.
НРМ принтер производит печать расплавленным материалом, как правило пластиком. В процессе печати материал специальным образом укладывается в слои и остывает, приобретая прочность. Например, в программе TinkerCAD с помощью педагога был нарисован графический объект «елочка». Обработав его в программе Simplify3D, мы получили файл инструкций для 3D-принтера и распечатали модель на принтере Ender 3. Полученный результат представлен на рисунке (рис. 3).
Рис. 3. Пример модели, разработанной в программе TinkerCAD, и полученный объект
В дальнейшем мы продолжим изучать приложение TinkerCAD и сосредоточим свое внимание на возможностях обучения студентов и школьников построению трех-
мерных моделей с помощью программного кода. Язык описания трехмерных моделей встроен в редактор TinkerCAD.
* * *
1. Александрова В.В., Зайцева А.А., Тыжненко Д.А. Сканирование и редактирование SD-объекта для прототипирования на SD-принтере // Информационно-измерительные и управляющие системы. 201S. № 9(11). C. 53-57.
2. Землянов Г.С., Ермолаева В.В. 3Б-моделирование // Молодой ученый. 2015. № 11(91). С. 186-189.
S. Выполнение и редактирование спецификаций сборочных чертежей в современных графических системах проектирования / М.Н. Дятлов [и др.] // Молодой ученый. 2015. № 6(86). С. 155-157.
4. Дятлов М.Н., Юдкин И.Ю., Шляховский А.А. Тенденции развития современных интегрированных систем проектирования // Молодой ученый. 2015. № 2(82). С. 148-150.
5. Лисин Р.А. Внедрение 3D принтеров и 3D печати в образовательный процесс // I всероссийский культурологический форум «Молодежь и культура: образование, техника, инновации» : материалы VI всерос. студенческой науч.-практ. конференции. Казань : Фэн, 2015. C. 97-99.
6. Махотин Д.А., Лесин С.М. Применение 3D принтера в образовательном процессе. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=39352181 (дата обращения: 03.12.2019).
7. Tinkercad. Create 3D digital designs with online CAD. URL: https://www.tinkercad.com/ (дата обращения: 03.12.2019).
8. Victor Tereshchenko. (2016) Tinkercad - Быстрое знакомство [3D моделирование] // YouTube. 24 июля. URL: https://www.youtube.com/watch?v=B5m4QhM5y8M (дата обращения: 12.12.2019).
9. ITGENIO (2019) Уроки по 3D-моделированию. Делаем автобус в TinkerCAD // YouTube. 18 июля. URL: https://www.youtube.com/watch?v=_NRM82PrK2w (дата обращения 12.12.2019).
