III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

СОЗДАНИЕ КОМПОЗИЦИИ В СРЕДЕ КОМПАС-3D
Шумков М.И.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


  Введение

На сегодняшний день трёхмерная компьютерная графика активно применяется для создания изображений, а также обработки визуальной информации в науке и промышленности при помощи компьютерных технологий. Научная компьютерная графика шагнула далеко вперёд: она позволяет проводить виртуальные эксперименты, наглядно наблюдая их ход и результаты.

Для работы изобретателей и инженеров-конструкторов, используется конструкторская графика, которая является необходимым элементом в проектировании. Конструкторская графика - это раздел компьютерной графики, позволяющий проводить в наглядной форме поиск оптимальной конструкции, наиболее удачной компоновки деталей, прогнозировать последствия, к которым могут привести изменения в конструкции. Для компьютеризации чертежных и конструкторских работ используют различные системы автоматизации проектных работ (САПР). САПР – это аппаратно-программный комплекс, поддерживающий процесс проектирования с использованием специальных средств машинной графики. В совокупности развитая САПР представляет собой специализированную информационную систему.

Основной целью проекта является создание 3D-модели с конкретным смысловым содержанием. Среди приоритетных задач можно выделить следующие:

  • Изучение программ для 3D-моделирования;

  • Рассмотрение принципа работы 3D-принтера и смежных с ним ПО;

  • Разработка оптимальной методики создания композиции.

Глава 1. СРЕДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

1.1 Системы трёхмерного моделирования

На сегодняшний день на рынке программного обеспечения в области конструкторской графики представлено достаточно много программ, среди которых:

«AutoCAD» — двух- и трёхмерная система, разработанная компанией «Autodesk». Первая версия была выпущена в 1982 году. В области двумерного проектирования «AutoCAD» позволяет использовать элементарные графические примитивы для получения более сложных объектов. «AutoCAD» позволяет получить высококачественную визуализацию моделей с помощью системы рендеринга «Mental Ray». Также в программе реализовано управление трёхмерной печатью и работа с результатами 3D-сканирования.

«Autodesk 3ds Max» — полнофункциональная профессиональная программная система, предназначенная для выполнения 3D-анимации, визуализации и моделирования на профессиональном уровне, доразработанная компанией «Autodesk». Содержит самые современные средства для художников и специалистов в области мультимедиа. Создание качественных 3D-объектов значительно ускоряется за счет использования эффективного инструментария.

«LEGO Digital Designer» позволяет строить трехмерные модели с использованием виртуальных кирпичиков (блоков) конструктора LEGO. Результат можно экспортировать в различные форматы и продолжить работу в других 3D-редакторах. Является свободной компьютерной программой производства компании «LEGO Group». Полностью собрав желанную модель в «LEGO Digital Designer», пользователь может активировать функцию «Building guide mode» и понаблюдать, как его творение было созданного с самого начала. Для этого программа самостоятельно разберет имеющуюся конструкцию.

«FreeCAD» является параметрическим 3D-моделером, созданным главным образом для разработки реальных объектов любого размера. Геометрическим ядром «FreeCAD» является «OpenCASCADE». Кроме задач машиностроения, «FreeCAD» может использоваться для таких задач, как архитектурное проектирование, или инженерный анализ методом конечных элементов. В настоящее время «FreeCAD» находится на бета-стадии проектирования. «FreeCAD» — настраиваемая программа с открытым исходным кодом, скриптами и расширениями, читает и записывает файлы во многих открытых форматах, таких как STEP, IGES, STL, SVG, DXF, OBJ, IFC, DAE и многие другие.

1.2 «КОМПАС-3D»

Для создания композиции выбрана система трехмерного проектирования «КОМПАС-3D» от компании «АСКОН», ставшая стандартом для тысяч предприятий, благодаря сочетанию простоты освоения и легкости работы с мощными функциональными возможностями твердотельного и поверхностного моделирования. Первый выпуск «КОМПАС» (версия 1.0) состоялся в 1989 году. Первая версия под операционную систему Windows — «КОМПАС 5.0» — вышла в 1997 году.

Программы семейства «КОМПАС» автоматически генерируют ассоциативные виды трёхмерных моделей: изменения в модели приводят к изменению изображения на чертеже. Ключевой особенностью продукта является использование собственного математического ядра С3D и параметрических технологий, разработанных специалистами «АСКОН». «КОМПАС-3D» обеспечивает поддержку наиболее распространенных форматов 3D-моделей, также в нём есть собственные форматы файлов: КОМПАС-Чертежи (CDW), КОМПАС-Фрагменты (FRW), КОМПАС-Текстовые документы (KDW), КОМПАС-Спецификации (SPW), КОМПАС-Модели (A3D,M3D), КОМПАС-Сборки (A3D), КОМПАС-Детали (M3D), Шаблоны КОМПАС-Документов (CDT, FRT, KDT, SPT, A3T, M3T).

Минимальные системные требования:

  • Операционная система: Windows XP/Vista/7/8/10 (x32-x64)

  • Процессор: Pentium III с тактовой частотой 800 МГц

  • Оперативная память: 512 Мб

  • Место на жёстком диске: 3 Гб

1.3 Работа с принтером

Принтер «Picaso 3D Designer Pro 250» (см. прил. 6) основан на технологии «Fused Deposition Modeling» (создание твердых трехмерных объектов из расплавленной нити термопластика методом послойного наложения). Он выпускается компанией «НПП ИИС», которая занимается разработкой 3D принтеров с 2011 года. Данный 3D-принтер быстро и легко создает реальные объекты на основе виртуальной 3D-модели из широкого выбора поддерживаемых материалов. Простота управления, высокий уровень безопасности, компактный размер и профессиональное качество печати от 50 микрон позволяют использовать этот 3D-принтер в самом разнообразном спектре его применения.

Программное обеспечение «Polygon» (см. прил. 6) разработано для подготовки и постобработки цифровых моделей в процессе 3D-печати и предназначено для оснащения персональных 3D-принтеров «PICASO 3D Designer» и «PICASO 3D Designer PRO 250». Главным преимуществом этой программной платформы является большое количество предустановленных настроек печати. Функционал платформы включает корректировку скорости печати, толщины построения и параметров заполнения.

Глава 2. Создание 3D объекта

2.1 Основы композиции

Композиция является соединением (сочетанием) элементов произведения в единое целое или само произведение. Любой объект с легкостью можно вписать в одну из трех основных фигур: прямоугольник, треугольник, эллипс.

Композиция, как правило, строится на плоскости. Если через эту плоскость провести две диагональные линии, точка их пересечения укажет на геометрический центр композиции. Композиционный центр служит для фокусировки внимания зрителя на деталях композиции (в нём находится основной сюжет произведения). Композиционный и геометрический центры композиции могут не совпадать (композиционных центров в композиции может быть несколько, в то время как геометрический центр один). Передний план служит так называемым вступлением, на втором плане находится сюжет произведения, а третий служит продолжением, фоном, на котором разворачивается действие.

Симметрия — способ достижения равновесия, баланса в композиции. Симметричная композиция служит для передачи покоя, устойчивости, надежности, иногда, величества. Допускается неполная симметрия. Достижение равновесия является одним из самых значимых этапов при построении ассиметричной композиции. Равновесие может достигаться противопоставлением размеров и форм. Предоставляемая информация должна находиться в композиционном центре. Для этого ее необходимо выделись любым возможным способом. Если объектов несколько, нельзя располагать их хаотично.

2.2 Описание проекта

Проведенный анализ возможностей и особенностей программ «КОМПАС-3D», «Polygon» и принтера «Picaso 3D designer Pro 250», выполнение отдельных практических работ позволили определить алгоритм разработки 3D-модели определенной смысловой направленности и подготовки модели к печати на 3D-принтере.

Композиция имеет название «Оберегая Землю» (см. прил. 5) и составлена в соответствии с основными законами композиции. Для печати был выбран пластик PLA (биоразлагаемый и биосовместимый), который применяется в качестве исходного материала для печати на 3D-принтерах и для производства экологически чистой упаковки, одноразовой посуды и средств личной гигиены. Центром композиции является фигура снеговика, символизирующая значимость природных факторов для сохранения планеты. Снеговик, как правило, результат совместной деятельности родителей и детей, поколений настоящего и будущего. Планета Земля представлена на заднем плане модели, она находится под защитой символического союза природы и человека. Для каждого человека Родина является особенным местом, поэтому территория России в модели выделена рельефом.

Композиция представляет собой совокупность следующих объектов:

  1. Модель подставки (см. прил. 1), представляющая из себя усечённый конус. Диаметр – 160 мм. Эскизом является окружность, применена операция выдавливания под углом.

  2. Модель снеговика (см. прил. 2), состоящая из трёх сфер. Высота – 155 мм. Эскизом являются три полуокружности, расположенные по одну сторону относительно оси, вокруг которой была применена операция вращения. На голове снеговика располагается модель ведра, представляющая из себя усечённый конус. Эскизом является окружность. Применена операция выдавливания под углом. Вместо носа – модель моркови, состоящая из двух усечённых конусов и параболоида.

  3. Модель Земли (см. прил. 3), состоящая из объёмного изображения территории России, расположенной на окружности с применением операции выдавливания. Диаметр – 142 мм.

  4. Модель щита (см. прил. 4), состоящая из нескольких отрезков и полуокружностей. Толщина – 8 мм. Применена операция выдавливания.

Для последующей сборки напечатанных деталей было предусмотрено наличие «выступов» и «впадин» в качестве крепёжных элементов. Так на подставке имеется один «выступ» (для снеговика, у которого соответственно имеется впадина), одна «впадина» (для щита с выпуклостью в нижней части) и одна «канавка» (для модели Земли). Так же при помощи программы «Polygon 2.0» был найден оптимальный вариант изображения мелких деталей (к примеру, вогнутый, а не выпуклый рот у снеговика), которые, в противном случае, были бы напечатаны очень некачественно.

При создании проекта была разработана методика, которая может быть применима для разработки других композиций. Алгоритм создания композиции предполагает последовательное выполнение следущих этапов:

  1. Определение состава объектов, входящих в композицию;

  2. Определение композиционного центра;

  3. Расположение объектов относительно композиционного центра;

  4. Рассматривается каждый объект как сборка и определяются отдельные её элементы;

  5. Создание эскизов (основ деталей);

  6. Получение из эскиза объемной заготовки детали;

  7. Соотнесение параметров деталей и возможностей 3D-принтера;

  8. Рассмотрение вопросов крепления и соединения деталей;

  9. Выполнение сборки компонентов;

Заключение

Таким образом, благодаря обширному функционалу, общей доступности и понятному интерфейсу такой системы трёхмерного проектирования, как «КОМПАС-3D», возможность создания, редактирования и качественного изображения трёхмерных фигур становится доступной не только тем, кто узко специализируется в этой области, но и тем, кто с этим никогда не работал.

Проведенная работа позволила создать конкретную сборку «Оберегая Землю» с экологической направленностью и определить методику создания 3D-композиций в среде 3D-моделирования.

Изучение САПР «КОМПАС-3D» подарило бесценный опыт в работе, связанной с 3D моделированием, и удовольствие от полученного результата. В будущем полученные навыки могут помочь освоении сложных САПР.

Список литературы

  • Ли, Дж. «Трёхмерная графика и анимация» / Дж. Ли, Б. Уэр. − 2-е изд. − Москва : Вильямс, 2002. − 640 с.

  • Сидикви, Д. 20 бесплатных программ для 3D моделирования [Электронный ресурс]. – Режим доступа : https://freelance.today/poleznoe/20-besplatnyh-programm-dlya-3d-modelirovaniya.html.

  • Мэрдок, К. «Autodesk 3ds Max 2013». Библия пользователя. − Москва : Диалектика, 2013. − 816 с.

  • Новые возможности 3ds Max 2018. Функции 3D-моделирования и визуализации [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://www.autodesk.ru/products/3ds-max/features/all.

  • About Us Lego.com. Available at : https://www.lego.com/en-us/aboutus.

  • FreeCAD: параметрический 3D CAD моделер с открытым исходным кодом [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://www.freecadweb.org/?lang=ru.

  • Компас-3D: о программе : офиц. сайт САПР КОМПАС [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://kompas.ru/kompas-3d/about/.

  • Информатика и информационно-коммуникационные технологии. Базовый курс : учебник для 8 кл. / И. Г. Семакин [и др.]. − Москва : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. – 176 с.: ил.

Приложения

Приложение 1

Модель подставки

Приложение 2

«Модель снеговика»

Приложение 3

Модель Земли

Приложение 4

Модель щита

Приложение 5

Композиция «Оберегая землю»

Приложение 6

ПО Polygon 2.0 и принтер Picaso 3D Designer Pro 250