Атака клонов! 3D-сканирование и трехмерная печать
Принтеры твердотельных объектов (3D Printers)
3D-моделирование
оделирование трехмерных персонажей,
декораций, реквизита и прочих объектов может выполняться самыми разными методами
— начиная с ручной «скульптурной лепки» криволинейных каркасных сеток при помощи
виртуальных инструментов и заканчивая оцифровкой реальных предметов на специальной
аппаратуре. Методы компьютерной анимации тоже широко варьируются: от анимации
по ключевым кадрам, когда задаются начальная и конечная позиции анимируемого
героя, до технологии захвата движения (Motion Capture), когда координаты 3D-объектов
передаются непосредственно от живых актеров, движения которых оцифровываются
специальными датчиками. Рендеринг — это процесс визуализации 3D-моделей на компьютере
после выставления виртуального освещения и виртуальных кинокамер.
Методы, используемые при построении 3D-моделей, могут быть разными в зависимости от целей, ибо смоделировать трактор и воссоздать динозавра — это совсем не одно и то же. Если речь идет о последующей сложной анимации, то, естественно, лучше делать модель вручную, в каком-либо 3D-пакете. Первоочередной здесь является задача построить корректный рабочий скелет и создать аккуратную и не слишком сложную по структуре поверхность. К тому же при таком моделировании следует главным образом учитывать творческую составляющую, поэтому в процессе работы широко используются скульптуры, фотографические материалы, черновые чертежи и рисунки. Казалось бы, почему не автоматизировать процесс моделирования? Но различные методы автоматической оцифровки объектов (3D-сканирование) широкого распространения не получили. Для установления причины этого рассмотрим, например, наиболее популярную среди «бедных» технологию 3D-сканирования — так называемую сколку. На 3D-дигитайзерах, работающих по этой технологии, специализируется компания Immersion Corporation. Устройства MicroScribe 3D вполне доступны по цене (1000-3000 долл. в зависимости от размера объекта, который возможно обрабатывать), и просты в использовании, однако не могут оцифровать текстуру объекта (а ведь рисование — один из самых сложных этапов моделирования), поэтому не настолько радикально оптимизируют процесс изготовления моделей, чтобы можно было отказаться от ручной работы, и используются, как правило, только при недостаточной квалификации 3D-дизайнера.
По своей сути такие системы представляют собой контактный щуп, который при помощи нескольких потенциометров, установленных на складной арматуре с шарнирными соединениями, фиксирует информацию о том, в каком месте находится головка, и передает эту информацию в виде координат в трехмерном пространстве при нажатии соответствующей кнопки. Достаточно сделать необходимое количество замеров, и у вас появляется готовая сетка для моделирования поверхности будущей модели.
Одно из основных преимуществ таких систем — высокая степень контроля за процессом оцифровки со стороны оператора. Кстати, само это устройство может быть довольно сложным: в нем, например, применяется система противовесов, а также происходит автоматическая компенсация изменения температуры и соответствующих расширений и сжатий металла. При моделировании на исходный объект карандашом или маркером наносятся контрольные линии; затем оператор решает, где к сетке нужно добавить деталей, а где оставить работу по деталировке 3D-дизайнерам — все это зависит от назначения модели. Цель таких предварительных работ — убедиться, что окончательная сетка будет достаточно точной и максимально рациональной. Если же рисование на модели невозможно, приходится вместо нее лепить макет.
Кроме того, после любой оцифровки непременно потребуется довольно трудоемкая обработка в 3D-пакете, но при правильном планировании создаваемой сетки такую работу можно сильно оптимизировать еще на этапе сколки.
К сожалению, этого преимущества лишены более сложные, оптические системы оцифровки 3D-объектов (поэтому после их работы, как правило, объект приходится моделировать заново вручную), обладая, однако, другим преимуществом — они автоматически снимают трехмерную текстуру объекта (фактуру поверхности), которую затем можно использовать с минимальной доработкой. В этом смысле оптическая технология сканирования 3D-объектов является более передовой. Из трех основных направлений, по которым развивалась указанная технология (сканирование по точкам, по зонам и по полосам), наилучшие результаты показала технология сканирования по полосам (как правило, со световой разметкой).
Сущность данной технологии заключается в том, что на поверхность модели проецируется световая полоса или сетка и ее положение записывается внешними видеокамерами. Постепенно по мере сканирования модели от одного края до другого выстраивается точный образ ее поверхности и записывается трехмерная текстура.
Наибольшего успеха в производстве профессиональных 3D-сканеров, работающих по оптической технологии, добилась компания Cyberware. За ее первым сканером с прагматическим названием Head Scanner, сканирующим только небольшие объекты типа человеческой головы, в начале 90-х годов последовал Whole Body Scanner (сканер всего тела), а затем и другие. Технология оказалась весьма популярной, и в течение нескольких лет появился целый ряд других производителей подобных устройств. Работают эти устройства довольно быстро и точно (например, сканирование головы занимает несколько секунд, и за это время генерируются 3D-объекты с полумиллионом вершин), но они до сих пор довольно дороги (их цена — сотни тысяч долларов) и имеют целый ряд серьезных недостатков, которые приводят к тому, что полученные ими модели совершенно непригодны для анимации.
Из указанных недостатков необходимо особо выделить следующие:
• полученные модели очень сложны и тяжеловесны;
• возникают проблемы с отражающими поверхностями (что не удивительно, если учесть, что используется световая разметка);
• чем сложнее рельеф поверхности, тем выше вероятность появления перекрывающихся плоскостей и близких точек, с которыми потом отказываются работать 3D-пакеты;
• поскольку процесс полностью автоматизирован, 3D-дизайнер не может на него влиять и приступает к работе только после того, как закончится сканирование.
В результате получаются громоздкие объекты, которые потребуют такого объема работ для их доводки, что проще смоделировать объект заново. Хотя сейчас на рынке появляются и более дешевые сканеры, основанные на цифровой фотосъемке (они стоят уже не сотни, а десятки тысяч долларов), но и их применение сдерживается по вышеописанным причинам.
Итак, если вам удастся найти или вылепить модель, отсканировать ее, а затем вычистить полученные данные и упаковать их в приличную 3D-модель, то можно пойти и по этому пути, но практика показывает, что можно обойтись макетом или пластилиновой моделью, которые сделает художник-скульптор, а 3D-дизайнер будет иметь перед глазами при моделировании (или, возможно, подставит в качестве вспомогательного задника фотографии скульптуры в разных ракурсах).
И наконец, в любом случае — сканировалась ли модель с последующей доводкой или делалась вручную — ее необходимо оценить не только глазами 3D-технолога, но и принять с художественной точки зрения. А часто именно этот этап занимает основную долю времени и сводит на нет всю экономию от применения сложнейших технических средств.
 |
|
3D-печать
процессе работы над каким-то
серьезным архитектурным или техническим проектом часто бывает трудно выявить
различные ошибки и недостатки, используя только экран монитора; к тому же не
все способны легко ориентироваться в трехмерных проекциях. Имея же реальную
физическую модель будущего изделия, можно выявить и устранить различные ошибки,
скорректировать процесс проектирования. Кроме того, прототип отдельного изделия
можно использовать в качестве концептуальной модели для визуализации и анализа
общей конструкции — вплоть до проведения некоторых функциональных тестов (например,
продувки будущего автомобиля в аэродинамической трубе), а общая модель, в свою
очередь, может понадобиться для изготовления отдельной инструментальной оснастки.
К тому же прототип может применяться в маркетинговых целях, для рекламы, при
определении стоимости изготовления, а также для того, чтобы быстрее найти взаимопонимание
между проектировщиками и заказчиками, сокращая тем самым время выхода продукта
на рынок. 
Традиционные способы получения моделей будущих изделий — изготовление из легко обрабатываемых материалов вручную или на обычных станках. Однако на изготовление такой модели затрачивается от нескольких недель до нескольких месяцев, что приводит к повышению затрат на разработку нового изделия и задержке сроков выпуска новой продукции.
С проникновением в область проектирования технологий 3D-графики появились и
активно развиваются новые компьютерные технологии так называемого быстрого прототипирования
(Rapid Prototyping, RP), или трехмерной печати. Они предоставляют возможность
получать физические детали и модели без инструментального изготовления — путем
автоматического преобразования данных из 3D-представления в физическую модель
по нажатии только одной кнопки. Таким образом, при завершении работы над виртуальной
3D-моделью можно дать команду «Печать», подобно тому, как мы делаем это в текстовом
редакторе, и через несколько часов или дней, в зависимости от размера и сложности
проекта, получить физическую модель.
После прежних методов прототипирования, существовавших до середины 80-х годов, RP-системы ознаменовали собой переворот в технологии. Вместо того чтобы ждать появления модели на протяжении нескольких недель, конструкторы теперь могут получать их через несколько часов или даже минут.
В настоящее время на рынке существуют различные RP-системы, производящие модели по различным технологиям и из различных материалов. Однако все системы для быстрого прототипирования, имеющиеся сегодня, работают по схожим принципам построения физической модели, которые заключаются в следующем:
• считывание трехмерной геометрии из 3D-систем (обычно это твердотельные модели из CAD-систем или модели с замкнутыми поверхностными контурами);
• разбиение 3D-модели на простейшие составляющие или на слои в поперечном сечении с помощью специальной программы, которая поставляется вместе с оборудованием для 3D-печати;
• построение детали в объемной структуре полимера или слой за слоем до тех пор, пока не будет получен физический прототип.
На профессиональном рынке предлагается целый ряд RP-принтеров, значительно различающихся по классам, ценам и возможностям. Дешевле всех стоят монохроматические 3D-принтеры, которые делают модели небольшого объема для использования в концептуальном дизайне и быстром прототипировании. Цены таких систем начинаются с нескольких десятков тысяч долларов. Самые дорогие — это производственно-ориентированные системы, которые делают точные цветные модели большого объема. Стоимость таких машин — сотни тысяч долларов.
RP-системы появились в конце 80-х годов, когда компания 3D Systems (http://www.3dsystems.com) выпустила первые стереолитографические машины Stereo Litographics Appa-ratus (SLA). Наряду с 3D Systems такое оборудование выпускают компании Stratasys (http://www.stratasys.com), DTM (http://www.dtm-corp.com), Helisys, Inc. (http://www.helisys.com), Sanders Prototypes, Inc., Cubital America, Inc. (http://www.cubital.com), Z Corporation (http://www.zcorp.com) и др.
Основным рабочим элементом стереолитографии является ультрафиолетовый лазер, который последовательно вычерчивает сечения объекта на поверхности емкости со светочувствительной полимерной смолой. Жидкий пластик отвердевает только там, где его касается лазерный луч, а новый слой жидкого пластика распространяется по отвердевшей поверхности, и лазером вычерчивается контур следующего слоя. Процесс повторяется автоматически до полного построения детали.
Работа RP-систем, как правило, основана на фотополимеризации — химическом процессе, при котором жидкий полимер становится твердым под воздействием ультрафиолетового излучения или излучения видимой части спектра.
Другие RP-системы работают с использованием тепловых процессов. Это технологии, при которых термопластический материал выдавливается из инжекционных головок, постепенно образуя объемное физическое тело, а также технологии спекания порошковых материалов при сильном нагревании. На первый взгляд такие технологии очень похожи на технологии обычной плоской печати, особенно если рассматривать процесс создания объемной модели по слоям.
По SLS-технологии (Selective Laser Sintering — лазерное спекание порошковых материалов) 3D-объект создается из порошкообразных материалов (пластик, металл, нейлон и керамика) после спекания при помощи лазера. Лазерный луч, попадая на тонкий слой порошка, спекает порошковые частицы, которые формируют твердую массу, по форме соответствующую 3D-модели и определяющую геометрию детали. При LOM-процессе (Lamineted Object Manufacturing — изготовление объектов с использованием ламинирования) также используется лазер, который вырезает контуры сечений слой за слоем. При FDM-процессе (Fused Deposition Manufacturing — послойное наложение расплавленной полимерной нити) термопластичный моделирующий материал подается через выдавливающую головку с контролируемой температурой, нагреваясь там до полужидкого состояния. Головка наносит материал очень тонкими слоями на неподвижное основание с высочайшей точностью. Последующие слои ложатся на предыдущие, отвердевают и соединяются друг с другом.
Существуют технологии, использующие специальные связующие составы, которые наносятся на порошкообразные смеси керамики, металла, пластика, крахмала, гипса и других материалов. Склеивание частиц порошка приводит к образованию объемных моделей. Такие технологии позволяют не просто создавать 3D-объекты произвольной формы, но еще и раскрашивать их. И поскольку формируемая деталь целиком погружена в порошок, то нет необходимости ее поддерживать. После завершения формирования образец извлекается из рабочей камеры и очищается от излишков порошка. Изделие может быть также пропитано лаком или воском для придания дополнительной прочности либо подвергнуто механической обработке. Так, в некоторых аппаратах построенная модель затем фрезеруется с целью получения гладкой поверхности и точного соблюдения размеров.
|
|
Принтеры твердотельных объектов (3D Printers)
рофессиональные системы быстрого
прототипирования являются громоздкими и дорогостоящими установками. Небольшие
компании не могут себе позволить их приобрести и потому делают свои модели вручную
или заказывают их в фирмах, специализирующихся на технологиях 3D-печати.
К сожалению, техника для быстрого прототипирования пока не имеет бытового применения, хотя и у рядового пользователя для трехмерного принтера нашлось бы немало работы. Однако если развитие высоких технологий будет идти с такой же скоростью (напомним, что первый лазерный принтер тоже стоил несколько сот тысяч долларов), то, возможно, в ближайшем будущем мы получим бытовой 3D-принтер и пакет 3D Paint в придачу.
А пока уже начали производиться так называемые принтеры твердотельных объектов (Three Dimentional Printer, или 3D Printer) — недорогие системы, которые строят физические модели из доступного материала с помощью одной или нескольких струйных головок подобно обычному принтеру.
Как и традиционные RP-машины, 3D-принтеры изготавливают реальные модели по
виртуальным, используя в основном технологии струйного моделирования (воскообразные
материалы) и технологии формирования детали из порошка, который затвердевает
при помощи связывающего вещества. Пусть недорогие 3D-принтеры и не дают высокой
точности и прочности готового прототипа, но механических свойств таких моделей
вполне достаточно для визуализации. Зато стоимость объекта, изготовленного на
таком 3D-принтере, всего 5-10 долл.
Для размещения такого 3D-принтера не требуется ни специальных приспособлений,
ни помещений: они могут находиться непосредственно в офисе, у рабочего места
3D-художника или конструктора, как и обычный принтер. Кроме того, 3D-принтеры
не используют вредных материалов и процессов. Так, например, 3D-принтеры от
Z Corporation в качестве строительного материала применяют специальный крахмально-целлюлозный
порошок и жидкий клей на водяной основе, который поступает из струйной головки
и связывает частицы порошка, формируя контур модели. По окончании построения
излишки порошка удаляются. Для увеличения прочности модели имеющиеся пустоты
могут быть заполнены жидким воском. При этом скорость является основным отличием
этого концептуального устройства, которое изготавливает модели по крайней мере
в 10 раз быстрее, чем самые быстрые конкурирующие системы. Деталь может быть
изготовлена в период времени от нескольких минут до нескольких часов.
Быстрое изготовление прототипов уже стало важнейшей частью процесса проектирования. Расширение использования компьютерного твердотельного моделирования обеспечивает быстрое распространение описанных технологий и снижение их рыночных цен. Повышаются качество материалов и точность изготовления моделей. Все это говорит о том, что технологии и системы 3D-печати будут занимать все большее место в нашей жизни и в недалеком будущем RP-системы станут доступны любому пользователю и превратятся в привычный инструмент художника и конструктора.
