Ғылыми жоба: «Үш өлшемді графикалық модельдеу және оларды 3D принтерде басып шығару»

Ғылыми жоба

Тақырыбы: «Үш өлшемді графикалық модельдеу және оларды

3D принтерде басып шығару»

Ғылыми жобаның тақырыбы: «Үш өлшемді графикалық модельдеу және оларды 3D принтерде басып шығару»

Орындаған:

Жетекшісі:

КІРІСПЕ

Қазіргі таңда кең тараған 3D технологиялар жайлы қарқынды дамып келеді. SketchUp программасының көмегімен 3D графиканың объектілерін салу жолдарын үйреніп, 3D принтердің жұмысымен танысамыз. Алайда графикалық редактор көмегімен суретті қайта салмай-ақ қалаған жағдайыңа өзгерте аласың: бұрасың, жөндейсің, өлшемін үлкейтіп, кішірейтесің. 3D модельдеу үшөлшемді кеңістікте форма мен түс арқылы құрылады. 3D модельдеу кино, мультипликация, жарнамалық роликтер дайындау, ойын және түрлі презентациялар жасаудан бастап, сәулет өнері мен инженерлік салаларда қолданылады. 3D модельдеу, оны анимациялау, негізінен, осы принципке негізделіп жасалған, яғни күрделі заттарды қарапайым нүктелер немесе фигуралар көмегімен кеңестікте құрастырылады. SketchUp программасында 3D моделін құруда құралдардың көмегімен құрастырылып жатқан модельді мүмкіндігінше шынайы объектіге ұқсату үшін кірістіру, бояу жіне шаблонға салуды қолданамыз.

Бүгінгі таңда 3D (үшөлшемді) ұғымы күнделікті өміріміздің ажырамас бөлігіне айналды. Біз 3D технологияны бірінші кезекте кино өнерімен, анимациялық фильмдермен байланыстырамыз. Көпшілік 3D технологияны тек кинотеатрдың немесе плазмалық теледидардың экранында ғана қолданады деп ойлайды. Алайда біздің күнделікті тұтынып жүрген заттарымыздың барлығы үшөлшемді. Мұндай заттарды жобалау және шығару үшін кәсіпорындар компьютерлік модельдеу технологияларын қолданады. 3Dтехнологиямен бірге 3Dбаспа (печать) туралы жиі еститін болдық. 3D принтер – бөлшекті қабаттап құю әдісімен жұмыс істеуге негізделген, программамен басқарылатын станок. 3D басып шығару – қоспаны бірте-бірте қоса отырып, бұйымдар мен үшөлшемді үлгілерді жасауға арналған технологиялық әдістердің топтпмасы.

Негізгі бөлім

І. SKETCH UР ҮШ ӨЛШЕМДІ ГРАФИКАЛЫҚ РЕДАКТОРЫ ЖӘНЕ 3D ПРИНТЕР

1.1. Үш өлшемді графика және 3D модельдеуге арналған бағдарламалық жабдықтар

Үш өлшемді графика  ғылыми есептеулер, инженерлік жобалау  және физикалық объектілерді компьютерде  үлгілеу облыстарында кең таралған.

Мысал ретінде үш өлшемді үлгілеудің күрделі нұсқасын физикалық дененің  қозғалатын суретін жасауды қарастыру.

- объектінің шынайы формасына сәйкес келетін виртуалды каркасын (қанқа) жобалау және жасау;

- шынайы физикалық қасиеттері бойынша материалдарға ұқсас виртуалды материалдарды жазу және жобалау; 

- объектінің әртүрлі сыртқы бөліктеріне материалдарды меншіктеу; 

- объекті әрекет ететін кеңістіктің физикалық параметрлерін баптау– жарық шашу, бет және өзара әрекеттесетін объектілердің қасиеттері; 

- объектінің қимылдау жолын беру; 

- нәтиже беретін кадрлар қатарын есептеу; 

- нәтижесінде шығатын анимациялық рөлге әсерлерді енгізу.

3D графика көмегімен көптеген модельдер жасауға және дайын модельдерге өзгертулер мен толықтырулар енгізуге болады. 3D технология туралы естігенде көз алдымызға стерео көзілдірік, виртуалды шындық және 3D бейнемен байланысты фильмдер, видео жазбалар және т.б. елестейді. Алайда, үшөлшемді технологиялардың мүмкіндігі мұнымен ғана шектелмейді.[1]

3D графикасының қолданылу аясы

Үшөлшемді графиканың қолданылу аясы шексіз. Бұл шынымен де солай — бүгінде 3D модельдеу барлық салаларда қолданылады. 3D графикасынқолданудыңнегізгібағыттары осы салалардықамтуымүмкін:

• Ғылым және технология; 

• Жарнамажәне маркетинг;                      

• Интерьер дизайны, сәулет, құрылыс;

• Кино,компьютерлікойындар, анимация;

• Ветеринария;

• Медицина.

3D графикасы 2D-ға қарағанда биіктігі, еніне қоса тереңдігі де есепке алынады. 3D графикасы үш өлшемді фигуралар кескінін сызуға арналған. 3D графикасында бейне салынбайды, құрастырылады. Себебі, оның көмегімен кеңістіктегі көлемді фигуралар тұрғызылады. 3D графика арқылы модельдердің көптеген түрін жасауға болады. Оның көмегімен бір рет жасалған модельдерге өзгерістер енгізуге, толықтыру жасауға, түрлі нысандардың визуалды ортада кескінін мүмкіндігінше шынай бейнесін беруге болады.

Бүгінгі кезде 3D модельдеу программалары көп. 3D модельдеуде ең алғашқы кезең фигураларды бөлшектеп салудан басталады. Бұл кезеңде дайын болған фигуралар, 3D модель деп аталады. Бұл модельдердің әзірге түсі, қозғаласы болмайды. Барлық бейнелер сұрақшыл бейнеде болады. Модельдерді жасау үшін 3D программалар қолданылады. Кез келеген фигураны бір-біріне қосу, кесу, деформациялау сияқты кең көлемді мүмкіндіктер осы программада колданылады. Модельдерді жасау модель жасаушының шеберлігіне ұшқыр қиялы мен тәжірибесіне тәуелді болады.[2]

1.2. Sketch Uр программасының интерфейсі және ерекшелігі.

3D моделін жасау үшін жасау үшін 3D модельдеу программасын білу керек. Ол үшін Sketch Up программасын таңдаймыз. Sketch Up прораммасы америкалық @Last SoftWare фирмасының 1999 жылғы жасап шығарған компьютерлік өнімі. 2006 жылға дейін бұл программаның 5 нұсқасы жасалды. Sketch Up прораммасының терезесі.

Программаны іске қосу үшін «Пуск-Программы-Sketch Up» команда қатарын орындаймыз.

Sketch Up терезесінде көрсетілген құралдар программаның стандартты құрал саймандарына жатады. Программа терезесіне басқа құралдарды да орналастыруға болады. Ол үшін «Вид (түр)-Панель инструментов (құралдар тақтасы)-Расширенная (кеңейген)» командасын орындасақ, программа терезесіне керекті құралдардың кеңейтілген түрі шығады.[3]

Sketch Up программасында пайдаланатын негізгі құралдар

 - Выбор (таңдау) – қызметі керекті қүралдарды немесе нысанды таңдайды. Бірнеше нысанды бірден таңдау үшін Shift пернесін басамыз.

 - Компонент – таңдалған нысандарға компоненттер таңдайды.

 - Палитра (бояу) – құрастырылған нысанды бояйды.

 - Ластик (өшіргіш) – құрастырылған нысанның керексіз сызықтарын өшіреді.

Сызу құралдары.

 - Прямоугольник (Тіктөртбұрыш) – аты айтып тұрғандай тіктөртбұрыш сызады.

 - Линия (Сызық) – нысандардың бастапқы сұлбасын сызуға арналған сайман.

 - Окружность (Шеңбер) – шеңбер сызуға арналған сайман.

 - Дуга (Доға) – нысан құрастыруда доғалар сызуға қолданылады.

 - Многоугольник (Көпбұрыш) – нысанға көпбұрыштар кірістіруге арналған сайман.

 - Қолмен сызу – нысанды қалам көмегімен сызуға мүмкіндік береді.

Модификациялау құралдары – сызбаларды сызбаларды 3D-ға өткізетін негізгі құралдарға жатады.

 - Перемещения (Орын ауыстыру) – кез келген нысанның орын ауыстыруға пайдаланылады. Егер Ctrl пернесін басып тұрып жылжытсақ, онда нысанның өзі орнында қалып, көшірмесін жылжытады.

 - Тяни/толкай (Созып тарт) – нысандарға үш өлшем беретін құрал. Таңдаған екі өлшемді фигураны тартып созғанда, жоғарыда пайда болады.

 - Вращения (Айналдыру) – нысанды толықтай айналдыра отырып ауыстырады немесе белгілі бір бөлігін айналдырып көрсетеді.

 - Следуй за мной (Менімен жүр) – Тяни/толкай құралының жетілген түрі десек болады. Нысандарды белгілі бағытқа бұрады.

 - Масштабирование (Масштабтау) – нысанның өлшемдерін немесе пропорциясын өзгертеді.

 - Контур (Контур) – ерекшеленген аймақты ішке не сыртқа тартады.

Редакторға кіріктірілген нысандар.

Әр түрлі программалардың өнімін тартымды көрнекі етіп жасалуын қамтамассыз ететін нысандар болады. Мысалы, мәтіндік редакторға мәтінмен дыбыс, анимация, сурет, диаорамма, автофигуралардың нысандарын енгізуге болады. Міне осындай нысандарды программаға енгізетін ішкі, стандартты программа модульдерін кіріктірілген нысандар деп атайды. Sketch Up программасының мәзіріндегі «Окно» бөліміндегі «Материалы», «Компоненты» және «Стили» диалогтік терезелерінің қызметтеріне тоқталайық.

«Материалы» модулі.

Аталған модуль арқылы құрастырылған модельді бояуға, нысанның сыртқы бейнесін табиғи көрінісіне сәйкестендіруге болады.

«Компоненты» модулінің көмегімен дайын нысандарды программаға кірістіруге болады. Іздеу жолағының көмегімен 2D немесе 3D модельдердің дайын сұлбасын ғаламтордан тауып, көшіріп алуға болады. Көшіріп алынған көмпоненттерді қайта өңдеуге және толықтырып қайта құрастыруға болады.

«Стили» модулі көмегімен құрастырылып жатқан нысанның бейнелену стилін өзгертуге және түсін өзгертуге болады. Суреттен көріп тұрған түстердіне бөлек, өзіміз қалаған түстерді де қоюға болады.[4]

1.3. STL файлдар және 3D принтер, жұмыс жасау принциптері

Ең көп таралған 3D принтерінің файл пішімі - .STL файлы. Файлдар форматы 3D Systems компаниясымен оның CAD графикалық CAD бағдарламалық жасақтамасынан және машиналарынан жасалған деп есептеледі.

Көптеген файл пішімдері сияқты, бұл файл түрі өзінің атауын алғаны үшін басқа түсіндірмелер бар: Стандартты Tessellation, бұл геометриялық пішіндер мен үлгілерді (көбірек немесе аз) қаптау немесе қабаттауды білдіреді.

STL файл форматы түсінікті түсінікті оны 3D нысанын үшбұрыштық ұсыну ретінде түсіндіреді.

Сонымен қатар .STL-ға қосымша бірнеше маңызды 3D баспа форматындағы файлдар бар екендігінайта кету керек. Оларға .OBJ, .AMF, .PLY және WRL кіреді. STL файлын жасауға немесе жасауға қажеті жоқ адамдар үшін тегін STL қарау құралдары немесе оқырмандар бар.[5]

3D принтер 

3D принтер — суретті үшөлшемді етіп шығаратын құрылғы. Ол сандық үш өлшемді модельді пайдалана отыра қабаттап шығарады.

Суретті жасап шығаруға пластиктің бірнеше түрі негіз болады, алайда бүгінде өндірушілер бейненің әлдеқайда шынайы болуына жаңа компоненттер қосып жатыр. Көптеген технологиялары бар: лазерлік стереолитография, лазерлік біріктіру, сәулелі балқыту, ламинаттау әдісі. Халл Чарльз 1988 жылы «3D SYSTEM» фирмасынқұрып, «StereolithographyApparatus» деп аталатын 3d форматында зат шығаратын құрылғы ойлап тауып, сол жылы ең көп таралған құрылғының SLA-250 моделі сатылымға шықты. [6]

Технологиясы

Үшөлшемді басып шығару жайлы алғашқы идеялар 1980 жылдары пайда болған. Дәл сол уақыттары арнайы фотополимер пластиктің көмегімен нысаналар құрастыратын стереолитограф жасалып шығарылған.

3d принтердің жұмысы былай іске асады: қызметші элемент – экструдер-бас принтерді іске қосатын пластик жіпті балқытады. Кейін балқытылған элемент шүмек арқылы беріледі, ал кейін бөлме температурасында тез қатады. Жұмыс істеу үшін басқа өндірістік технологиялар сияқты арнайы жағдайды қажет етпейді.

Мүмкіндіктері

Озық технология арқылы, бүгінде үшөлшемді суреті бар қарапайым футболкалар жасап қана қоймай, ғимараттардың күрделі үшөлшемді проекциялық модельдерін 100 микронға дейінгі нақтылықпен құрастыруға болады. Бұл әсіресе ғылыми институттарға өзекті, өйткені түптұлғасын жасап қана қоймай, жасалып жатқан зерттеулерде оны ұстап көруге де болады.

Қазірдің өзінде омыртқааралық дисктер мен бағаналық жасушаларды басып шығару тәжірибеге еніп жатыр. Сол себепті, бұрынғылар фантастика деп ойлаған, ал біз қазірде кейбір кинолардан көріп жүрген таңғаларлық заттар көп ұзамай шындыққа айналып, өмірімізді әлдеқайда жеңілдетуі мүмкін.[7]

Тәжірибе бөлімі

ІІ. ҮШ ӨЛШЕМДІ МОДЕЛЬ ҚҰРУ ЖӘНЕ БАСЫП ШЫҒАРУ

2.1. Үш өлшемді модель құру және STL файлында экспорттау

Программаны іске қосу үшін Пуск ⇒ Программы ⇒ SketchUp 2020 командасын орындаймыз немесе программа белгішесі жұмыс үстелінде орналасқан болса, оны екі рет басу жеткілікті. Программа іске қосылғанда суретте  көрсетілген терезе  ашылады.

Әрі қарай модель құру үшін жаңа файл құрамыз.

Қажетті фигуралармен жұмыс жасай отырып модель құрамыз.

Жұмысты аяқтағаннан кейін модельді 3D принтерде басып шығару үшін STL форматына экспорттаймыз. Ол үшін келесі әрекеттерді орындаймыз. Файл⇒Экспорт⇒3Д-модель.

2.2. 3D принтерін баптау және баспаға жіберу

Құрған моделімізді 3D принтерге баспаға жібермес бұрын принтер баптауларын реттеп, баспаға жібереміз.

ҚОРЫТЫНДЫ

Қазіргі компьютерлік графика тек көркемдеу мен безендірумен үшін ғана емес, ғылым мен медицинаның барлық саласында, коммерциялық және әкімшілік қызмет орындарында алуан түрлі ақпаратты көрнекі түрде көрсету үшін сызбалар, графиктер, диаграммалар жасау үшін қолданылады.

Үш өлшемді графикалық программаларды кең көлемде қолдану қажеттілігі интернеттің және бірінші кезекте миллиондаған интернет парақтарын бір «өрмекпен» байланыстырған World Wide Web қызметінің пайда болуынан туындаса, компьютерлік графикасыз безендірілген web-парақтың бүкіләлемдік желіде басқалардың көзіне түсіп, танымал болуы екіталай. 

Сондықтан компьютерлік графика біздің өміріміздің ажырамас бөлігі болып қалуда. Қазіргі IT технология заманында қарапайым геометриялық фигуралардан бастап, күрделі конструкторлық техникаға дейін жасап шығаруда үшөлшемді графиканың орны ерекше болып келеді.

Графиктік редакторлар тек кәсіби мамандарды ғана емес қарапайым пайдаланушыларды да қызықтыруда. Өйткені графиктік редакторлар математикалық және компьютерлік білімді,бағдарламалау тілдерін өте көп қажет етпейді. Редакторлар түрлерін ғылым мен іскерлік әлемде, кәсіби суретшілер мен т.б салаларда қолданылады. Оның ішінде үш өлшемді графика мен 3D принтердің қолданылу салалары күннен күнге артуда және сұранысқа ие. Қорыта келе, сөзімді ұлы ғалымның айтқан ойымен аяқтағым келеді: Ақпарат деген үлкен мұхитта жүзу мен дұрыс бағыт таба білу және де өзінің кәсіби іскерлігінде дұрыс пайдалана білу заманауи адамның белгісі. Қазіргі 21 ғасырда компьютерлік графика информатиканың жылдам қарқынмен дамып келе жатқан саласының бірі, әрі бірегей – көшбасшысы.

ПAЙДAЛAНЫЛҒAН ӘДЕБИЕТТЕР

1. Дж. Ли, Б. Уэр. Трёхмерная графика и анимация. Вильямс, 2002.-640б.

2. А.Петелин «SketchUpпошавогыхуроках». 2013.-230б

3. Тозик В. Т., Ушакова О. Б.. «Самоучитель SketchUp». 2017.-110б.

4. https://www.sketchup.com

5. 3D-модели. ж: Blackie, Июль №24, С-П, 2013 - [Электронды ресурс] URL: http://3dtoday.ru/3dmodels-2/soft3d/784 (24.01.2017)

6. АфанасьевК., 3D-принтеры, - [Электронды ресурс] URL: http://www.3dnews.ru (дата обращения 24.01.2017)

7. История развития 3D-печати [Электронный ресурс] / Все о 3D- принтерах и 3D-печати. – Электрон.дан. – Режим доступа: Web: http://pechat- 3d.ru/