Департамент образования города Москвы

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение среднего профессионального образования города Москвы

Колледж архитектуры, дизайна и Реинжиниринга № 26

Реферат

« основы компьютерной графики. Оптимизация 3D модели для 3D печати»

Выполнила: студентка группы Диз-33 Ткачева В.М.

Проверил: Нигаметзянов Р.Н.

Москва,2016

Содержание

1.  Несколько правил моделирования для 3D печати

2.  Толщина стенок и подготовка Вашей модели для 3D печати.

·       Основные части и детали

·       Минимальная толщина стенки модели.

·       Толщина деталей и уровень детализации

·       Требования по минимальной толщине

·       Соотношение длины и толщины

·       Самоподдерживающиеся конструкции

·       Острые углы

3.Полноцветная 3D печать

4.Техническое разрешение против фактического разрешения.

5.Экспорт файлов для полноцветной 3D печати

6.Проверка моделей для 3D печати.

·       Правильный Формат файлов

·       Количество полигонов

·       Размер рабочей камеры  3D принтера

·       Герметичность модели

7.Дизайн для конкретного материала

8.Несколько рекомендаций по моделированию

Несколько правил моделирования для 3D печати

Если вы решили разрабатывать 3D модели для печати на бумажном носителе или для создания видеоролика, то постарайтесь абстрагироваться от существующей реальности. Большинство сцен будет представлено только сетками. Поэтому не соединяйте объекты печати между собой. Подготовка к 3D печати подразумевает под собой абсолютное игнорирование физического мира.

При начале работы с 3D принтером, вы поймете, что здесь нужен совершенно другой подход, нежели при обычном моделировании. В данной статье описаны самые распространенные ошибки, которые может сделать начинающий 3Dдизайнер, и показано, как их можно избежать.

1.    Объект должен быть закрыт

Опытные 3D мастера называют такие объекты «герметичными» или же «водонепроницаемыми». Зачастую непросто определить, где именно в вашей модели существует проблема, и какой именно элемент остался незакрытым. В таком случае можно воспользоваться AccuTrans. Эта программа поможет найти все проблемные области.

2.    Многообразие объектов

По своей сути многообразие – понятие математическое. Для наших задач сетка не будет многообразна, если у нее есть общие ребра. Для примера:

На этом рисунке у двух кубиков есть общее ребро, которое принадлежит 4-м граням.

Blender обладает функцией, с помощью которой можно определить области, лишенные многообразия. Это можно попробовать сделать на тех же кубиках:

Что получаем:

Возможно, некоторые знают, как можно получить такой результат с помощью других программ. В этом случае, пожалуйста, поделитесь этой информацией.

1.    Толщина стен

3D печать (а именно ее технология), которую вы используете для того чтобы материализовать ваш объект, влияет на минимальную толщину стен объектов.

2.    Проверка нормалей

У каждой поверхности 3D модели имеется своя нормаль, которая обладает корректным направлением. Если у поверхности нормаль имеет развернутый вид, то принтер не сможет определить, какая сторона модели внутренняя, а какая – наружная.

Подведем итоги:

Создание моделей для 3D печати совсем не похоже на «традиционное» моделирование. Однако это не так сложно, как может показаться на первый взгляд. Просто необходимо с самого начала твердо запомнить некоторые ограничения. С помощью этой полезной информации, четко соблюдая вышеприведенные правила, вы сможете успешно создать даже самую сложную 3D модель. 

Толщина стенок и подготовка Вашей модели для 3D печати.

Тут  мы рассмотрим такой важный вопрос, как толщина различных элементов вашей модели. Этот параметр очень важен для 3D-печати, т.к. от него зависит, можно ли модель успешно напечатать, обработать и переслать заказчику.

Неправильный подбор толщины стенок и деталей модели – самая распространённая ошибка у новичков. Дело в том, что в виртуальном мире 3D-редактора, ваша модель может быть какого угодно размера и формы. Однако, в реальном мире действуют другие законы, которые налагают определённые ограничения. Поэтому, если вы хотите, чтобы ваше творение было пригодно для воплощения в материале, вы должны их учитывать.

·         Основные части и детали

Вначале, мы рассмотрим такие понятия, как основные части модели и её дополнительные детали. Здесь всё просто. Крупные части модели, которые являются её неотъемлемой структурной составляющей, считаются основными. Мелкие детали, которые выполняют декоративные функции — дополнительными.

Попросту говоря, основные части 3D — модели составляют её остов, на который навешиваются мелкие дополнительные детали.

Пример основной и дополнительной детали. Выступ на левом рисунке является основной частью 3D модели, рельефный текст на кубике справа — дополнительная деталь.

·      Минимальная толщина стенки модели.

В 3D-печати, под толщиной стенки понимают расстояние между двумя противолежащими плоскостями основной (несущей) части модели.Отдельно подчеркну, что это определение не относится к дополнительным (декоративным) деталям. Только к основным частям. Аналогичный параметр для декоративных элементов называют толщиной деталей модели.

На рисунке выше, буквой d обозначена толщина стенок двух моделей. В случае сплошного, монолитного цилиндра, этот параметр равен его диаметру. У полой трубы, в свою очередь, цельными являются только её стенки. Соответственно, толщиной стенки этой модели считается не внешний диаметр трубы, а толщина её стенок.

Очевидно, что минимальной толщиной стенки модели считается её толщина в самом тонком месте.

Для модели, изображённой на этом рисунке, это d=1

·         Толщина деталей и уровень детализации.

Выше мы разобрали, что такое дополнительные детали и чем они отличаются от основных составляющих частей.

К сожалению, уровень детализации модели ограничен требованиями к минимальной толщине её деталей. Поэтому, чем меньше физический размер модели, тем меньше деталей она будет иметь.

На этом рисунке хорошо видно, что чем меньше размер модели, тем менее детализированной её можно сделать.

·         Требования по минимальной толщине.

Минимально допустимая толщина зависит от свойств материала, из которого вы собираетесь печатать свою модель.

Независимо от свойств материала, мы не рекомендуем использовать детали тоньше 2 мм.

Например, у этой фигурки хамелеона, толщина языка всего лишь 1 мм, но он получился довольно неплохо. Однако, нужно учесть, что эта деталь получилась очень хрупкой и нет никаких гарантий, что она не сломается во время транспортировки модели.

А вот у следующей, напечатанной в 3D  модели — явные проблемы с толщиной — у нее не пропечаталась одна стенка.

 

Для успешного создания моделей, подходящих для 3D-печати, недостаточно просто придерживаться табличных значений минимальной толщины. Эти требования продиктованы, в большей степени, рабочими характеристиками 3D-принтеров, чем рекомендациями по прочности реальных моделей.

Поэтому, сейчас мы поделимся некоторыми практическими рекомендациями, которые помогут вам в проектировании ваших моделей.

·         Соотношение длины и толщины

Есть проблема, связанная с неверным соотношением толщины детали и её длины.

На двух рисунках ниже приведён пример такой ситуации.

На этом рисунке видно длинный выступ, размерами 1 х 1 х 20 мм, исходящий из большого параллелепипеда. Эта деталь удовлетворяет требованиям по минимальной толщине, но из-за своей огромной длины (в 20 раз больше толщины), этот выступ обладает слишком низкой жёсткостью. Вряд ли эта деталь переживёт чистку, упаковку и перевозку. Особенно, если она сделана из материалов, не предназначенных для 3D печати с очень высокой детализацией.

На этом рисунке показан квадратный «мостик» толщиной 1мм и длиной 100 мм, соединяющий два куба, размерами 70 х 70 х 70 мм каждый. В этом случае, толщина мостика тоже вписывается в формальные требования. Однако, он просто не выдержит веса двух массивных кубов и сломается на этапе очистки или транспортировки. Поэтому, чтобы обеспечить достаточную жёсткость и прочность конструкции, выбирайте соотношение толщины детали и её длины  не более 1:10
Т.е., если длина вашей детали равна 10 мм, толщина её стенки должна быть не менее 1 мм. Если толщина детали 2 мм, её оптимальная длина — не более 20 мм.

Конечно, добиться такого соотношения не всегда возможно. Поэтому, для конструкций с длинными, тонкими выступами, мы рекомендуем использовать толщину стенки, в 2-3 раза превышающую минимально допустимую величину.

·         Самоподдерживающиеся конструкции

Это предметы, которые обладают особой формой, равномерно распределяющей нагрузку. 
Простые примеры — клетка и стакан, изображенные на рисунке ниже.

Минимальная толщина стенки самоподдерживающихся конструкций должна быть в 1.5-2 раза больше минимально допустимой.

·         Острые углы

Заострённая поверхность — часть модели, которая оканчивается одним острым углом. Простейшие примеры — вершина конуса или луч звезды.
Как правило, такие детали печатаются без проблем, кроме тех случаев, когда угол заострения кончика слишком маленький. В результате, деталь не обладает нужной толщиной и прочностью и может легко сломаться.

Поэтому, поверхности, угол схождения которых менее 10 градусов, не подходят для печати.

Полноцветная 3D печать

Полноцветный Песчаник (FCS) является нашим единственным материалом, который делает возможной  полноцветную 3D печать. Этот материал — отличный выбор для создания статуэток людей, миниатюр, мемов и других забавных и реалистичных цветных моделей.

Полноцветные принтеры работают по следующей схеме: они наносят тонкие слои порошка и при помощи клеящего компонента в смеси с краской связывают этот порошок вместе, повторяя контур будущей модели, чтобы вырастить целое изделие.

Проектирование для улучшения цвета.

Так же, как в процессе «2D» цветной печати, цвета на отпечатке могут отличаться от тех, что вы видите на вашем экране.
Каждый пиксель на экране состоит из красного, зеленого и синего цветов RGB, а для полноцветного песчаника печати используются голубой, пурпурный, желтый и черный (типографская палитра CMYK). При моделировании для этого материала, есть несколько приемов,  которые помогут вам существенно улучшить цветопередачу:

·         CMYK лучше справляется с передачей светлых, ярких,  контрастных цветов. Для получения хорошего результата избегайте размытых границ, градиентных переходов и теней. Сложные цвета, которые вы видите на фотографиях фотореалистичных моделей на самом деле достаточно трудно воспроизводить.

·         Некоторые цвета просто трудно печатать, например коричневые тона, их трудно воспроизвести, потому что эти цвета требуют смешивания всех 4 красок (CMYK). И в результате мы можем получить непредсказуемый результат (большое количество краски и пористая поверхность порошка с неравномерным впитыванием).

При окрашивании — учитывайте толщину стенок

Когда вы готовите к печати цветную 3D модель, вы определяете цвет  поверхности — в конце концов, текстура  определяет цвет снаружи, а не внутри объекта. Собственно это правильно, поскольку  наши принтеры могут окрасить только наружный слой модели.

После того, как печать окончена, мы окунаем каждую модель в cyanoacrylate — суперклей. Это покрытие увеличивает прочность модели, и придает цвету яркость и глубину. Если ваша модель имеет значительно меняющуюся  толщину стенок, то различные секции модели поглотят различные объемы этого покрытия.

В результате Вы будете видеть небольшие цветные изменения, особенно ярко этот эффект проявляется в массивных моделях.
Если Вы сделаете модель полой и будете выдерживать толщину стенок  приблизительно в 3 мм , то цвет будет более равномерным, и  стоимость 3D печати, кстати, сильно уменьшится.

Если ваша модель требует переменной толщины стенок, лучше соблюдать плавный переход между толщинами, это позволит избежать внезапных изменений в насыщенности цвета.

Техническое разрешение против фактического разрешения.

Еще одна проблема, которую следует иметь в виду — мы работаем с порошком, который поглощает чернила. Даже притом, что разрешение струйной печатающей головки — 300DPI, эффективное разрешение текстурной карты вероятно более близко к 50DPI. Держите это в памяти, проектируя мелкие детали, особенно на маленьких моделях.

 

Экспорт файлов для полноцветной 3D печати

Для 3D печати полноцветным гипсом используется свой форматов файлов, содержащий как геометрию, так и информацию о окрашивании вершин и полигонов. Экспорт для полноцветной 3D печати можно сделать практически из любой программы для 3D моделирования. Есть несколько вещей, которые вы должны знать о этом формате, имя которому —  VRML:

1. Убедитесь, что используете правильную версию. VRML. Вам нужно экспортировать в VRML2, также известный как VRML 2.0 или VRML97.

2. Как и любой другой файл, максимальный размер файла должен составлять — 64 Мб, Количество полигонов следует ограничить 500 000. Можно добавить детализации там, где это важно.

3. Применяем любые модификаторы или группы сглаживания перед экспортом, но помним, что наши принтеры работают с полигональной сеткой и не понимают модификаторы. Перед экспортом запеките текстуры и создайте единый полимэш.

5. Если ваше 3D-приложение не поддерживает VRML, попробуйте AccuTrans 3D.

Некоторые программы, к примеру, ZBrush, предрасположены к созданию большого количества многоугольников, из-за чего преодолеть рациональный лимит очень просто. К счастью, есть способы, позволяющие быстро и эффективно сократить количество полигонов. Этот процесс также известен под названием «упрощение объекта». Большинство программ для 3D-моделирования обладают этой функцией, но вы также можете воспользоваться не менее эффективной альтернативой – MeshLab. Это приложение доступно для операционных систем — Windows, OSX и Linux.

На рисунке показаны результаты упрощения модели простой игрушечной машины, у которой изначально было 480 000 полигонов. Сократив их до 120 000, мы не заметили особенной разницы в качестве. Но с каждым последующим упрощением объект становился всё грубее и грубее.

Проверка моделей для 3D печати.

Множества ошибок, связанных с неправильным построением или неверным форматом модели для 3D печати можно избежать, если воспользоваться нижеприведенным алгоритмом. Это сэкономит время, деньги и нервы не только вам, но и 3D-печатнику.

ü Правильный Формат файла

Поддерживаемые типы файлов STL, OBJ, X3D, DAE, Collada, и VRML97/2 (WRL).

ü Количество полигонов

Мы принимаем 3D модели до 1 млн. полигонов.  Вы можете использовать Meshlab, чтобы уменьшить количество полигонов.

ü Размер рабочей камеры  3D принтера

Ваша модель должна соответствовать размерам рабочей камеры принтера. Минимальный и максимальный ограничивающий прямоугольник может варьироваться в зависимости от материала. Ращмеры камер вы можете найти в нашей справочной таблице по 3D материалам.

ü Герметичность модели

Модели должны быть закрытыми (герметичными), с правильно ориентированными нормалями.

Дизайн для конкретного материала

Каждый контрольный пункт применяется по-разному для каждого конкретного материала.

1.    Проверьте стенки. Каждая часть модели должна быть достаточно толстой, чтобы быть напечатанной в 3D, выжить после пост-обработки. Воспользуйтесь любой  программой  (например MaterialiseMagics), чтобы проверить толщину стенки инструмента, в тех местах, где они могут быть слишком тонкие.

2.    Создайте отверстия для полых моделей.
Излишки материалов, таких как полиамидный порошок или смола фотополимера будут удалены через эти отверстия, а вы — сэкономите. Размер отверстий будет разным для каждого материала. Если есть сомнения по поводу размера и размещения отверстий — пишите или звоните нам.

3.    Проверьте баланс и вес
Модели должны быть рассчитаны по законам реальной физики. Если неправильно произвести расчет, то модель не способна поддерживать даже собственный вес.

4.    Защитить уязвимые зоны
Вытянутые элементы, такие как провода или придатки на статуэтки, могут отломиться во время или после печати, если сустав не является достаточно сильным.

5.    Проверьте масштаб модели
Вы, должны были указать масштаб модели (метры, миллиметры, дюймы) перед отправкой файла в печать. Вы должны проверить  размеры несколько раз и убедиться , что они соответствует Вашим ожиданиям.

6.    Обеспечить зазор для движущихся частей
Движущиеся части нуждаются в зазоре, чтобы функционировать должным образом. Это очень  важно при проектировании.

7.    Убедитесь, что детали достаточно большие.
Тиснение и гравировка деталей имеют свои минимальные требования, чтобы они вышли четко. Проверьте рекомендации по проектированию для выбранного Вами материала.

8.    Компенсировать модификаторы сглаживания (если используется).
3D принтеры не обрабатывают модификаторы сглаживания, так что лучше увеличьте количество полигонов в вашей сетке для воспроизведения эффекта сглаживания.

9.    Оптимизировать  цвета
Если идет разработка модели для полноцветного песчаника, убедитесь, что ваши цвета соответствуют Вашим ожиданиям. Переведите цвета в цветовое пространство CMYK  — оно лучше всего производит яркие, четкие цвета.

Несколько рекомендаций по моделированию

Здесь мы собрали некоторые практические наблюдения, которыми хотим поделиться с вами. Эти советы помогут вам в создании моделей для 3D-печати.

·         тонкие, выступающие детали, вроде пальцев или свободно висящих полос ткани, лучше соединять с несущими частями модели. Например, руки опереть на какой-нибудь предмет, волосы соединить с плечами и т.д.;

·         моделируя детали вроде носа или выступающего предмета, сделайте их более округлыми, чем нужно, чтобы кончик не был слишком тонким;

·         избегайте острых углов. Старайтесь, чтобы переход одной поверхности в другую происходил плавно;

·         по возможности, делайте мелкие острые детали съёмными.