3D-моделирование

3D-моделирование является методом эволюционного развития систем автоматического проектирования САПР. Мировая практика, на сегодняшний день, выражает тенденции стремительного перехода конструкторских и проектных организаций от 2D-черчению к 3D-моделированию. Преимущества при переходе к 3D-моделированию оправдывают затраты средств и времени, а результаты, как правило, превосходят все ожидания.

Отличительные преимущества 3D-моделирования:

Качество проектирования. 3D-моделирование обеспечивает существенно более наглядный способ визуализации проектируемого объекта. Это позволяет снизить вероятность ошибок, особенно в случае сложных сборок. Проектировщик может исследовать внутреннюю структуру сборки, проверить детали на пересекаемость. В случае движущихся механизмов можно с помощью анимации провести кинематические исследования.
Снижение общего времени проектирования. Большинство прикладных программ САПР, таких как подготовка программ для станков с ЧПУ, прочностные расчеты, технологическое проектирование, требует трехмерной информации о проектируемом объекте. Поэтому использование 3D-моделирования позволяет проводить непосредственное интегрирование с многими приложениями, избегая лишних операций по подготовке данных.
Повышение конкурентоспособности. 3D-моделирование предлагает тем проектировщикам, которые его используют, очевидные конкурентные преимущества перед пользователями «чистого» 2D-черчения. Большая скорость и качество позволяют существенно быстрее доводить продукт до рынка, а также производить его модификации под влиянием меняющихся рыночных запросов.

Однако полностью отказываться от 2D-черчения не стоит, этот метод можно использовать как вспомогательный при работе с относительно несложными изделия или при использовании гибридного процесса проектирования, когда с помощью 2D создается первоначальное решение, а затем по нему создается 3D-модель для проверки и дальнейшего конструирования. В этих случаях проектирование в 2D также может быть весьма эффективным.

Необходимо отметить, что сама природа 3D-моделирования диаметрально противоположна 2D-процессу. В 2D конструктор начинает с простых объектов, затем добавляет линии, дуги и другие элементы, пока чертеж не будет закончен. В противоположность этому в 3D конструктор обычно начинает с самого большого базового «куска» материала, из которого затем вычитаются «лишние» части — вырезаются отверстия, сглаживаются ребра и т. д. В конце концов, в результате этих операций модель обретает законченный вид.

3D-моделирование поверхности промышленных и иных изделий может вестись конструктором двумя основными методами: сплайновое моделирование и полигональное моделирование.

Различие этих методов можно сравнить как разницу между векторной и растровой картинками. Первую можно увеличивать или уменьшать в любых пределах, без потери качества линий (выпады краев и т. д.) в связи с их описанием математическими формулами.

Полигональное моделирование (polygonal modeling) — это самая первая разновидность трехмерного моделирования, которая появилась в те времена, когда для определения точек в трехмерном пространстве приходилось вводить вручную с клавиатуры координаты X, Y и Z. Как известно, если три или более точек координат заданы в качестве вершин и соединены ребрами, то они формируют многоугольник (полигон), который может иметь цвет и текстуру. Соединение группы таких полигонов позволяет смоделировать практически любой объект. Недостаток полигонального моделирования состоит в том, что все объекты должны состоять из крошечных плоских поверхностей, а полигоны должны иметь очень малый размер, иначе края объекта будут иметь ограненный вид. Это означает, что если для объекта на сцене предполагается увеличение, его необходимо моделировать с большим количеством полигонов (плотностью) даже, несмотря на то, что большинство из них будут лишними при удалении от объекта.

Благодаря росту мощности процессоров и графических адаптеров, эволюции возможностей обработки поверхностей на станках с ЧПУ, в графических программах наблюдается переход с полигонов на сплайны, и на данный момент существуют программы, абсолютно не поддерживающие полигональное моделирование. Тем не менее, благодаря огромной популярности трехмерных игр реального времени, полигональному моделированию было воздано по заслугам, поэтому многофункциональные средства редактирования полигонов постепенно преобразовываются в инструменты для работы со сплайнами.

Сплайновое моделирование — это моделирование математически гладкими линиями — сплайнами. Посмотрите на пример кувшина, построенного в программе сплайнового моделирования:

В первом случае (сплайны) форма кувшина описывается только изопараметрическими кривыми по экватору шара. Такую поверхность можно масштабировать и изготавливать с любой необходимой точностью, задавая точность на этапе прототипирования. Три остальных картинки отображают полигональные сетки, полученные из первого кувшина с разной степенью детализации: 35, 25 и 10 градусов между плоскостями соответственно. Обратите внимание, что несмотря на большой размер файла (количество полигонов более 1200) и кажущуюся гладкость кувшина в последнем случае, угол между гранями составляет 10 градусов, что даже на маленьком изделии заметно.

Для хранения компьютерных моделей поверхностей также существует два самых распространённых формата файлов: сплайновые поверхности сохраняются в формате IGES, а полигональные сеточные в формате STL. Именно последний используется в большинстве прототипирующих установок послойного синтеза. Однако, если IGES в STL перевести можно (как на картинке выше), то в обратном направлении сделать корректное преобразование невозможно. Здесь следует учесть также то обстоятельство, что не все поверхности требуют одинаковой степени точности перевода. Так, круглые участки нужно «огрублять» максимально точно, а плоским участкам достаточно пары описывающих вершин.

Другой проблемой является требование разных методов прототипирования различных минимальных толщин стенок, запасы под технологическую обработку и т. п. Конечно хорошо, если Ваша модель уже содержит информацию о толщинах и радиусах, однако если у прототипирующей установки более грубый возможный шаг, чем Ваш радиус скругления, то на углах появятся наплывы, скругления или cрезы по сравнению с теоретической (компьютерной) моделью.

В любом случае все вопросы такого рода решаются нами профессионально, являясь частью повседневного рабочего процесса.