Трехмерное геометрическое моделирование. Преимущества 3d моделей
Технологии быстрого прототипирования. Описание и назначение
Бы́строе прототипи́рование, сокр. БП — технология быстрого «макетирования», быстрого создания опытных образцов или работающей модели системы для демонстрации заказчику или проверки возможности реализации. Прототип позже уточняется для получения конечного продукта.
Термин используется как в информационных технологиях для обозначения процесса быстрой разработки программного обеспечения (см. RAD (от англ. rapid application development — быстрая разработка приложений) — концепция создания средств разработки программных продуктов, уделяющая особое внимание быстроте и удобству программирования, созданию технологического процесса, позволяющего программисту максимально быстро создавать компьютерные программы), так и в технологиях, связанных с изготовлением физических прототипов деталей.
Примерно с начала 1980-х начали интенсивно развиваться технологии формирования трёхмерных объектов не путём удаления материала (точение, фрезерование, электроэрозионная обработка) или изменения формы заготовки (ковка, штамповка, прессовка), а путём постепенного наращивания (добавления) материала или изменения фазового состояния вещества в заданной области пространства. На данный момент значительного прогресса достигли технологии послойного формирования трёхмерных объектов по их компьютерным образам. Эти технологии известны под разными терминами, например, SFF (Solid Freeform Fabrication), FFFF (Fast Free Form Fabrication) или CARP (Computer Aided Rapid Prototyping), однако наибольшее распространение получили:
стереолитография (STL — stereolithography);
отверждение на твёрдом основании (SGC — Solid Ground Curing);
нанесение термопластов (FDM — Fused Deposition Modeling);
распыление термопластов (BPM — Ballistic Particle Manufacturing);
лазерное спекание порошков (SLS — Selective Laser Sintering);
моделирование при помощи склейки (LOM — Laminated Object Modeling);
технология многосопельного моделирования (MJM Multi Jet Modeling);
иммерсионные центры, или системы виртуальной реальности.
Все названные технологии предполагают наличие трёхмерной компьютерной модели детали. Большинство известных САПР обеспечивают экспорт моделей в стандартном для быстрого прототипирования формате STL.
Некоторые из установок БП называют трёхмерными принтерами.
Назначение БП
Для оценки эргономики, визуализации, дизайна изделия.
Для функциональной оценки изделия (проверка качества сборочных изделий, аэродинамических характеристик, практичности).
Использование в качестве модели для дальнейшего применения в производстве (в качестве литейной формы, электроэрозионного инструмента и др).
Типы трехмерных компьютерных геометрических моделей
Каркасные модели (Wire-frame Geometry) характеризует форму тела набором пространственных линий. Элементарные геометрические объекты - вершины (точки) и ребра (линии). Каркасное представление часто используется как один из экономных методов визуализации, но его главный недостаток - неоднозначность.
Модели поверхностей (Surface Geometry) характеризует форму тела набором ориентированных поверхностей, ограничивающих его. Элементарные геометрические объекты - вершины, ребра и грани тела, заданные координатами точек и уравнениями линий и поверхностей. Базовые операции - продление, обрезка, соединение поверхностей. Такое представление удобно для задач программирования станков с ЧПУ, однако может приводить к неоднозначностям при моделировании сложных объектов.
Модели конструктивной твердотельной геометрии (CSG - Constructive Solid Geometry) формируется как композиция некоторых областей пространства с помощью теоретико-множественных операций. Элементарные геометрические объекты (примитивы) - простые тела (сфера, конус, цилиндр и др.). Базовые операции - объединение, пересечение, отсечение. Структура модели - дерево (вершины - примитивы, ребра - операции). Такое представление удобно при проектировании машиностроительных деталей, получаемых методами штамповки, литья и др.
Построение твердотельных моделей базируется на булевых операциях:
* объединение;
* пересечение;
*
разность.
Метод граничного представления.
Метод граничного представления позволяет создавать твердотельную модель, используя приемы, сходные с проектированием поверхностных моделей. Сначала создается поверхностная модель с применением стандартных методов работы с поверхностями. Затем выполняется программа, структурирующая данные об этой поверхности в терминах ее топологии, описывающей формы, и ее геометрии (размещение в пространстве вершин, ребер и граней).
Главное достоинство – возможность более легкой модификации граничной поверхности. Быстрое овладение методом проектирования по сравнению с предыдущим.
Недостаток – требование большого объема компьютерной памяти. Получаемые модели недостаточно точны.
Метод граничного представления состоит в построении твердотельных моделей из базовых элементов, называемых твердотельными примитивами.
Твердотельные примитивы определяются границей, которую они занимают в трехмерном пространстве. Данная граница описывается в терминах ребер и граней и характеризуется формой, размерами, точкой привязки и ориентацией.