Под трёхмерной (3D) моделью понимается точное математическое отображение реального объекта. Изначально такие модели создаются в виртуальной среде (компьютерной программе) на основании имеющихся данных (чертежей или рисунков). Напротив, по имеющейся 3D-модели можно воссоздать реальный объект, например, изготовив его на автоматическом станке. Возможность моделировать детали в виртуальной среде и с лёгкостью воплощать их «в материале» является одним из самых главных преимуществ современного станочного оборудования с ЧПУ.
Затраты на обработку 3D-моделей гораздо ниже, чем на изготовление пробных образцов продукции. А возможность оценить на экране компьютера готовый результат ещё до начала производства позволяет не только экономить ресурсы и время, но и разрабатывать уникальные изделия, полностью используя технологический потенциал фрезерного оборудования.
Виды 3D-моделей
Простейшим примером 3D-модели является изометрический рисунок. Даже будучи изображённым на листе бумаги он помогает представить реальный объект в трёхмерном пространстве. Современные CAD-приложения позволяют создавать 3D-модели на основе плоских чертежей или рисунков — разумеется, переведённых в электронный вид. Такие модели, помимо внешней идентичности реальному объекту, могут нести информацию о его свойствах — материале, плотности, объёме, массе и т. д. Точная трёхмерная модель получается и при съёмке реального объекта 3D-сканером. Кроме того, в настоящее время существуют обширные библиотеки готовых 3D-моделей (от простейших, до настоящих дизайнерских шедевров) на базе которых успешно выпускаются реальные изделия.
По характеру и сложности, а также типу представления в виртуальной среде модели бывают:
- каркасные;
- поверхностные;
- твердотельные (или сетчатые).
Каркасные (их ещё называют «проволочные») являются примером простейших моделей, состоящих из отрезков, дуг, рёбер и прочих формообразующих линий. Получаемый «каркас» даёт представление лишь о внешнем виде объекта и не несёт информации о его внутренних свойствах. Однако со своей задачей — визуализацией объекта — каркасные модели справляются вполне, занимая к тому же очень мало машинной памяти. Кроме того, каркасное моделирование идеально подходит для представления маршрута движения обрабатывающего инструмента, например при создании управляющей программы для фрезерного станка.
Поверхностные модели, помимо контуров (или «рёбер») объекта включают в себя информацию о типе поверхности — своеобразной оболочке, отделяющей объект от окружающего «пространства».
Твердотельные модели по своей сути являются точной математической копией реального объекта и широко используются в системах компьютерного проектирования для создания новых изделий, либо исследований свойств и взаимного влияния существующих конструкций.
Процесс разработки 3D-модели
Как описывалось выше, трёхмерную модель можно построить из плоских изображений — этот путь изначально использовался в чертёжных программах (подобных AutoCAD). Однако способ разработки плоских чертежей и построения на их базе 3D-моделей довольно трудоёмкий. Более рационально сразу же создавать трёхмерные объекты (при необходимости из них легко получаются любые плоские «снимки», в том числе 2D-чертежи) — на таком алгоритме работают программы Pro/Engeneer, CATIA, SolidWorks, Autodesk Inventor и пр. Все они предназначены для работы с твердотельными моделями. Однако из-за различия форматов, графические файлы не всегда совместимы.
Для устранения этого недостатка существуют универсальные форматы файлов, в которые осуществляется экспорт 3D-моделей с последующим импортом в нужное приложение. К ним относятся: ACIS (*.sat), STEP AP203/214 (*.step,*.stp), IGES (*.igs,*.iges) и ряд других.
Производство изделий на базе 3D-моделей
Трёхмерная модель является отличным базисом для производства изделий. Современные станки с ЧПУ реализуют алгоритм программного управления, а чем ещё является 3D-модель, как не программным «шифром» реального изделия?
Однако для создания управляющей программы изготовления детали (например, методом фрезерования), 3D-моделей должна быть подвергнута некоторой обработке.
Во-первых, необходимо «привязать» модель к плоскости виртуальной заготовки, установить припуски на обработку, задать уклоны торцевых поверхностей, глубину фрезерования (не более толщины заготовки) и т. д.
Во-вторых, следует указать область крепления заготовки, чтобы в реальности фреза не «спотыкалась» на удерживающих струбцинах.
В-третьих, следует определить этапы фрезерования, задать соответствующие им зоны обработки.
В-четвёртых, необходимо построить траекторию движения фрезы для каждого этапа обработки. Здесь следует учесть материал заготовки, величину припуска на обработку и необходимую смену инструмента между этапами.
В-пятых, следует провести визуализацию процесса обработки (своего рода «виртуальную фрезеровку») и проконтролировать результат. Исправить ошибки на этом этапе гораздо проще и выгоднее, чем перекидать испорченные на станке заготовки в брак!
Завершающим этапом создания управляющей программы (УП) является её экспорт в файл формата, «понятного» для фрезерного станка. Современные программные комплексы подготовки 3D-моделей к производству (например, ArtCAM) содержат обширную базу данных так называемых «постпроцессоров» — специальных модулей, оптимизирующих УП под конкретную модель станка. Таким образом, имея электронные файлы УП, остаётся лишь загрузить их в память станка, установить фрезу, закрепить на рабочем столе заготовку, нажать клавишу «пуск» и дожидаться окончания обработки изделия, будучи совершенно уверенным в его высоком качестве!