Трёхмерная модель танка для ветерана Великой Отечественной Войны

Бюджетное профессиональное образовательное учреждение Вологодской области «Череповецкий химико­технологический колледж» ПОДАРОК ВЕРЕРАНУ «Трехмерная модель танка для ветерана ВОВ» Учреждение: БПОУВО «ЧХТК» Автор работы: Дурягин Константин Сергеевич  Группа 31/2017, специальность: Химическая технология неорганических  веществ Курс: первый Научный руководитель: Каштанова Оксана Геннадьевна 2018 год Оглавление Введение.......................................................................................................................2 Основная часть.............................................................................................................3 1.1 Способы и технология создания трехмерной модели......................................3 На сегодняшний день существует несколько методов и техник 3D моделирования, таких как полигональное, сплайновое, NURBS, промышленное моделирование, а так же 3d-скульптинг................................................................3 1.2 Программное обеспечение для трехмерного моделирования.........................8 1.3 Нюансы моделирования для 3D печати.............................................................9 Практическая часть.................................................................................................11 1. Так как мы занимаемся 3D моделированием, а не проектированием, то для создания чертежа не нужны слишком глубокие познания в строении танка и поэтому можно просто скачать чертеж Т-34 (Рис.6) и гусеницы (Рис.7). Blender предоставляет возможность подкладывать на бэкграунд 3D области картинки, причем неограниченное количество.....................................................................11 Заключение.................................................................................................................18 Литература.................................................................................................................19 Интернет-источники...................................................................................................19 1 Введение Есть в мировой истории события, которые по прошествии времени не стираются из памяти людей, значение которых не тускнеет от неумолимого бега времени.   К   таким   событиям   относится   победа   нашего   народа   в   Великой Отечественной войне. Память об этой войне не подвластна времени – бережно хранимая   и   передаваемая   из   поколения   в   поколение,   она   переживет   века. Память – это связующее звено между прошлым и будущим. Вот почему мы так благоговейно чтим память о тех, кто не жалел сил, ни самой жизни в битве с врагом во имя спасения Родины, будущих поколений. Вот почему мы обязаны окружить заботой и вниманием  оставшихся в живых ветеранов и участников ВОВ и труда.  Много времени прошло с памятной даты – 9 мая 1945 г. Уходят из жизни ветераны ВОВ и труда, а оставшихся в живых остаётся совсем немного. Иногда даже в праздники они остаются в одиночестве, никто не поздравит их. Поэтому на протяжении нескольких лет студенты нашего колледжа участвуют в акции «Подарок   ветерану».   Не   станет   исключением   и   наша   группа.   Опрос, проведенный среди студентов, показал, что больше половины ребят за то, чтобы подарок был сделан не просто своими руками, а с использованием современных технологий 3D печати. Цель:  создание   подарочной   модели   танка   Т­34   с   использованием технологии трехмерного моделирования. Задачи: 1. Изучить способы и технологию создания трехмерной модели.  2. Рассмотреть возможности программного обеспечения для  трехмерного моделирования, подобрать оптимальный  программный продукт.  2 3. Освоить приемы работы в трехмерном редакторе  4. Создать трёхмерную модель танка Т­34. Практическая   значимость   работы  заключается   в   создании оригинального подарка ветерану Великой отечественной войны, такой подарок будет не простым знаком уважения, но и вечной памятью об их заслугах, жертве и   о   них   самих.   Модель   техники   может   стать   постоянным   напоминанием потомкам ветерана, небольшим домашним монументом славы. Основная часть 1.1 Способы и технология создания трехмерной модели  В самом общем виде трехмерная печать заключается в создании объемных моделей из многих сотен или даже тысяч слоев с помощью особого устройства ­ 3D­принтера. Используются разные материалы: пластик, бумага, гипс, металл, а также биополимеры (стволовые клетки) и пищевые волокна. Макет для такой модели можно создать с помощью программ проектирования.    На   сегодняшний   день   существует   несколько   методов   и   техник   3D моделирования, таких как полигональное,  сплайновое,  NURBS, промышленное моделирование, а так же 3d­скульптинг. Полигональное моделирование дает возможность производить различные манипуляции с сеткой 3d объекта на уровне подобъектов: вершин, ребер, граней. Сам   полигон   состоит   из   граней,   но   в   системах,   которые   поддерживают многосторонние грани, полигоны и грани будут равнозначны. Это самый первый и основной вид моделирования, так как при помощи его можно   создать   объект   любой   сложности   путем   соединения   групп   полигонов (Рис.1). 3 Рис.1 Полигональное  моделирование на примере теннисного мяча Сплайновое   моделирование  (Рис.2)   представляет   собой   создание   3d объектов при помощи кривых линий (сплайнов). Сплайнами   могут выступать линии различной формы: окружности, прямоугольники, дуги и т.д. Объекты при этом получаются плавной формы, в связи с чем, данный метод получил широкое применение   в   создании   органический   моделей,   таких   как   растения,   люди, животные и т.д. Преимущество данного метода в гибкости изменения формы сплайна. Данный   вид   моделирования   часто   сравнивают   с   полигональным,   как векторную графику с растровой. Преимущество векторной графики в том, что при увеличении объекта, его качество не изменяется, в отличие от растрового, где становятся видны пиксели. Так же и при увеличении объекта, созданного сплайнами,   его   качество   останется   неизменным,   а   при   полигональном моделировании будут уже видны полигоны. Рис.2   Пример   построения бейсбольной   биты при   помощи   сплайнов   с   последующей конвертацией в полигональную сетку NURBS моделирование расшифровывается как «Non­Uniform Rational B­ Spline», и представляет собой технологию создания 3d объектов при помощи специальных   кривых,   Некоторые   которые   называются   B­сплайнами. 4 специалисты выделяют данный вид моделирования в отдельный, а некоторые – в подвид сплайнового моделирования. Принцип моделирования состоит в следующем: при помощи B­сплайнов, расположенных по вертикали и горизонтали, строится нужная форма объекта, а затем все это соединяется при помощи полигонов. Существуют две разновидности этого моделирования: 1. при помощи P­кривых (Point), форму которых можно изменять при помощи вершин, которые расположены непосредственно на самой линии (Рис.3); 2. при   помощи   CV­кривых   (Control   Vertex),   форму   которых   можно изменять при помощи вершин, которые расположены за пределами линии.   Рис.3   Бита,   созданная   при   помощи   P­кривых   методом   NURBS   с   последующей конвертацией в полигональную сетку 3d­скульптинг  он   же   «цифровая   скульптура»   представляет   собой имитацию   процесса   «лепки»   3d   модели   (Рис.4),   то   есть   деформирование   её полигональной сетки специальными инструментами – кистями. Можно провести аналогию с лепкой фигур руками из пластилина или глины. Только в программах 3d моделирования пальцы заменены на инструмент «кисть», а «пластилином» является полигональная сетка. 5 Рис.4 3D­модель персонажа Тролль, выполненный с использованием технологии   3d­ скульптинг Промышленное   моделирование.  Системы   Автоматизированного Проектирования   (САПР)   и   или   по­английски   CAD   (Computer­Aided   Design) применяют   для   создания   3d   моделей   в   первую   очередь   промышленного назначения. Они предназначены для создания точных копий реальных объектов. При данном виде моделирования учитываются не только малейшие зазоры, но и свойства материала моделируемого объекта. В связи, с чем данный вид моделирования   нашел   широкое   применение   в  инженерном   деле.  Особенность этого моделирования в том, что для создания модели не используют полигоны, а цельные формы. Промышленное моделирование можно разделить на следующие подвиды: параметрическое, твердотельное и поверхностное. Параметрическое   моделирование   осуществляется   путем   введения требуемых параметров элементов модели, а так же соотношение между ними. Иными   словами   создается   математическая   модель   с   нужными   параметрами, изменяя которые можно создать различные комбинации модели и тем самым избежать ошибок, внеся необходимые корректировки. Является достаточно старым и самым простым способом проектирования промышленных деталей и механизмов. Твердотельное моделирование. Если при полигональном моделировании куб   разрезать   пополам,   то   там   внутри   будет   пустота.   При   твердотельном моделировании,   если   разрезать   куб,   то   там   не   будет   пустоты,   как   если   бы разрезали реальный твердый предмет. При   построении   модели   работают   сразу   со   всей   оболочкой,   а   не   с отдельными   поверхностями.   Сначала   создается   простая   форма   оболочки, например,   сферы,   а   затем   к   ней   применяют   различные   операции:   резка, объединение с другими телами, булевые операции и др. 6 Твердотельное моделирование идеально подходит для создания твердых 3d моделей несложной формы: шестеренок, двигателей, и т.д., но не применим к созданию мягких: мятой одежды, животных и т.д. Поверхностное   моделирование,   обычно,   используется   для   создания поверхностей сложных форм: автомобилей, самолетов и т.д. Модель строится из различных поверхностей, которым придают нужную форму,  а  затем  соединяют   между  собой, например, плавными  переходами,  а лишнее обрезают. Таким образом, форма нужной оболочки объекта собирается из нескольких поверхностей. Таким образом, можно сделать следующий вывод. При создании моделей не   сложной   формы   лучше   использовать   полигональное   моделирование.   Для получения   гладкой   формы   несложных   объектов   –   сплайновое   или   NURBS моделирование, сглаживания.   либо   полигональное   с   использованием   инструментов При создании сложных биологических организмов удобнее использовать 3d­скульптинг. Когда же необходимо создать точную модель с необходимыми зазорами и учетом физических свойств материала, то здесь наиболее подходят методы промышленного моделирования. При создании сложных моделей вышеописанные методы моделирования часто используются совместно, так как это ускоряет процесс моделирования. Так, например, при создании персонажа для игр используется 3d­скульптинг, с помощью которого прорисовываются необходимые мелкие детали, а затем на её основе создается модель полигональным моделированием. Во многих пакетах 3d моделирования есть инструменты почти для всех видов моделирования, например, в «Blender», «Modo».  7 1.2 Программное обеспечение для трехмерного моделирования Выбор оптимального программного обеспечения для моделирования часто бывает трудным, так как непросто найти программу, в которой был бы весь необходимый функционал. По статистическим данным популярного сервиса 3d печати i.materialise (Рис.5) Blender – наиболее используемы программный продукт. У Blender самые объемные форумы, самые познавательные ролики на YouTube и больше всего завязок на Google поиск, это позволяет самостоятельно изучить возможности программы.  Рис.5 Топ программ трехмерного моделирования Изучив   на   практике   возможности   наиболее   популярных   трехмерных редакторов,   выбор   был   сделан   в   пользу  Blender,   так   как   он   бесплатный, достаточно   неприхотливый   к   ПК,   работает   с   основными   форматами   3D (Stereolithography, X3d Extensible 3D,  wavefront). На основное освоение ушло 8 немного времени. Процесс создания трёхмерной модели танка Т­34 занял у нас 3 дня. 1.3 Нюансы моделирования для 3D печати Когда   Вы   разрабатываете 3D­модели для   печати   на   бумаге   или   для видеороликов,   нет   никакой   нужды   обращать   внимание   на   реальность.   В большинстве сцен у объектов будут видны только сетки, объекты не обязательно соединять на самом деле и т.д. Вы можете полностью игнорировать физический мир! Как только вы начинаете работать с 3D­принтерами, вы понимаете — подход совершенно другой: ­ Если модель состоит из нескольких объектов, то их необходимо свести в один. ­ Плоское основание поможет модели лучше держаться на столе принтера. ­  Стенки   должны   быть   равными   или   толще,  чем   диаметр   сопла,   иначе принтер просто не сможет их напечатать.   ­  Для   каждого   нависающего   элемента   необходима   поддерживающая конструкция   –   поддержка.   Чем   меньше   нависающих   элементов,   тем   меньше поддержек нужно, тем меньше нужно тратить материала и времени печати на них и тем дешевле будет печать. Допускается печать без поддержек стенок, которые имеют угол наклона не более 70 градусов. ­  Точность   по   осям   XY   зависит   от   люфтов,   жёсткости   конструкции, ремней,   т.е.   от   механики   принтера.   И   составляет   примерно   0.3   мм   для хоббийных   принтеров.   Высота   модели   будет   кратна   высоте   слоя.   Также необходимо учитывать, что после остывания материал усаживается, а вместе с этим изменяется геометрия объекта. Диаметр отверстий лучше увеличить на 0.1­ 0.2 мм. ­  Мелкие детали достаточно сложно воспроизводятся на FDM принтере. Их вообще невозможно воспроизвести, если они меньше, чем диаметр сопла. 9 Кроме того при обработке поверхности мелкие детали станут менее заметны или исчезнут вовсе. ­  Узкие места очень сложно обрабатывать. По возможности необходимо избегать таких мест, требующих обработки, к которым невозможно подобраться со   шкуркой   или   микродрелью.   Конечно,   можно   обрабатывать   поверхность   в ванне с растворителем, но тогда оплавятся мелкие элементы. ­    При   моделировании   необходимо   учитывать   максимально   возможные габариты   печати.   В   случае   если   модель   больше   этих   габаритов,   то   её необходимо разрезать, чтобы напечатать по частям. А так как эти части будут склеиваться, то неплохо бы сразу предусмотреть соединения. ­ От того, как расположить модель на рабочем столе зависит её прочность. Нагрузка должна распределяться поперек слоев печати, а не вдоль. Иначе слои могут разойтись, т.к. сцепление между слоями не 100%. ­  Сохранять   модель   для   печати   нужно   именно   в   этом   формате   STL. Практически   любой   3D   редактор   умеет   экспортировать   в   этот   формат самостоятельно или с использованием плагинов. 10 Практическая часть 1. Так как мы занимаемся 3D моделированием, а не проектированием, то для создания чертежа не нужны слишком глубокие познания в строении танка и поэтому можно просто скачать чертеж Т­34 (Рис.6) и гусеницы (Рис.7). Blender предоставляет возможность подкладывать на бэкграунд 3D области картинки, причем неограниченное количество. Рис.6 Чертёж танка Т­34 Рис.7 Чертёж сегмента гусеницы 11 2. Вставляем   в   качестве   фона   чертёж   танка.   По   желанию   можно разграничить рабочую поверхность (Рис.8).  Рис.8 Установка чертежа танка в качестве фона 12 3. Переходим в режим правки (Рис.9) и делаем прозрачные нормали .  4. Удаляем все вершины, кроме одной и перемещаем её на угол башни танка. Рис. 9 Режим Правки 13 Рис.10 Работа с вершинами 5. Начинаем   «выдалбливать   модель»   (Рис.11).   Для   выдалбливания   нужно использовать клавишу «E» (англ. раскладка).  Рис.11 «Выдалбливание» 6. Добавляем нормали (Рис.12). Для создания нормали нужно использовать сочетание клавиш SHIFT+F.  Рис.12 Добавление нормалей 14 7. Всё то же самое делаем для корпуса (Рис.13).  Рис.13 Моделирование корпуса танка 8. Создаём сегмент гусеницы (Рис.14).  Рис. 14 Построение сегмента гусеницы 9. Создаём окружность, переворачиваем её и подстраиваем её по гусеницы (Рис.15).  Рис. 15 Настройка окружности для дублирования сегмента гусеницы 15 10.Устанавливаем   на   гусеницу   массив   и   кривую   (Рис.16).   Увеличиваем количество.  11.Выполняем детализацию (Рис.17). Рис.16 Настройка кривой и массива 12.Проверяем на наличие вывернутых нормалей (Рис.18). Рис.17 Детализация Рис.18 Определение дефектов   13.Создаём постамент (Рис.19).  16 Рис.18 Постамент 17 Заключение В   данной   работе   были   рассмотрены     способы   и   технология   создания трехмерной модели, программные продукты проектирования для 3D печати. На основании приведенных в работе  аргументов, наиболее подходящим способом создания   модели   танка   является   полигональное   моделирование   с использованием инструментов сглаживания.  Изучив   на   практике   возможности   наиболее   популярных   трехмерных редакторов, выбор был сделан в пользу Blender, т.к. он не только бесплатный, неприхотливый и поддерживает все 3d форматы, но и имеет инструменты для всех видов моделирования.  В   ходе   выполнения   проекта   были   приобретены   навыки   трехмерного проектирования в программной среде Blender,  освоена работа с графическими примитивами создания 3D­объектов, модификаторами для лучшей визуализации объектов   и   для   придания   объектам   необходимой   формы.   Получены представления   о   расстановке   правильного   освещения,   создания   анимации, работе с камерой и полигонами.  Результатом данного этапа работы стали описание алгоритма создания модели   и   модель танка Т­34 готовая к печати на 3D  принтере.  Эта модель танка   станет   уникальным   подарком   ветерану   Великой   Отечественной   войны, будет не простым знаком уважения, но и вечной памятью о заслугах. Модель техники может стать постоянным напоминанием потомкам ветерана, небольшим домашним монументом славы. 18 Литература 1. Аверин В. Н. Компьютерная инженерная графика. ­ М.:  Изд. Центр   «Академия», 2009 2. Астафьева Н. Е., Гаврилова  С. А., Цветкова  М. С. Информатика и ИКТ: Практикум   для   профессий   и   специальностей   технического   и   социально­ экономического профилей: учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования / под ред. М. С. Цветковой. — М., 2014 3. Кронистер Дж. ­ Основы Blender. Учебное пособие (3­е издание) v. 2.49 – 2010. Интернет­источники 1. 10 правил подготовки модели к 3D печати [Электронный ресурс]. – Режим доступа: сhttps://habrahabr.ru/post/196182/. 2. FreeCAD   и   3d   печать   или   начинаем   моделировать   для   3Д   принтера [Электронный   ресурс]. –  Режим  доступа:  http://3dtoday.ru/questions/freecad­ and­3d­printing­or­start­to­model­for­a­3d­printer/. 3. Что   подарить   ветерану   войны?  [Электронный   ресурс].   –   Режим   доступа: https://voenpro.ru/infolenta/chto­podarit­veteranu­vojny.  4. Социальный   проект   "Подарок   ветерану"  [Электронный   ресурс].   –   Режим доступа: https://infourok.ru/socialnyy_proekt_podarok_veteranu­559308.htm.  5. Виды 3d моделирования. [Электронный ресурс]. – Режим доступа:  http://3d­ modeli.net/6175­vidy­3d­modelirovaniya.html.  19