3D-моделирование бывает не только в играх!
Скриншот модели, которую мы будем вырезать. Наша цель – создать логотип для ноутбука.
Большинство из нас покупает различные бытовые приборы, даже не подозревая, что когда-то они были 3D-моделями. Вообще, когда говорят о трёхмерном моделировании, то чаще всего подразумевают компьютерные игры. Но мы регулярно сталкиваемся с продуктами этого процесса: сотовый телефон, новый плоский экран, автомобиль и даже украшения, которые вы купили своей жене. Всё это, скорее всего, в своё время прошло через стадию 3D-моделирования.
Видеокарты за последние годы сильно продвинулись вперёд и позволяют не только создавать максимально реалистичные 3D-модели, но и реализовывать самые смелые творческие задумки. На старых видеокартах (например, на моей ATi Mach64) было очень сложно и муторно визуализировать любую сложную модель. Если вы проводили моддинг уровня Quake или Unreal, то вам знакомо такое же ощущение. Но виртуальные создания не всегда остаются в виртуальном мире. Вы можете перевести 3D-модель в физическую форму!
Недавно я завершил анимацию для новых видеороликов Tom’s Hardware Guide. И подумал: почему бы не воспользоваться станком с ЧПУ и не вырезать физический логотип, чтобы потом прилепить его на ноутбук?
Discreet 3D Studio Max сегодня является одним из передовых средств визуализации и анимации на рынке. Пользователь может выбирать три viewport-рендерера для отображения геометрии и текстур. Два из них, OpenGL и программный рендеринг, во многих случаях уступают место Direct3D 8.1 и 9.0. Возможности 3DSMax по анимации сегодня прекрасно видны в фильмах и играх. Поскольку все модели в 3D Studio Max создаются похожим способом, с приложениями САПР или инженерными программами, их можно экспортировать в формат, пригодный для вырезания.
Краткий обзор интерфейса станка с ЧПУ типа CNC
Станку с ЧПУ нужна лишь геометрическая информация о модели, без текстур. Текстуры, кстати, можно превратить в рельеф, который будет внесён в геометрию модели. Для нашего случая мы довольствовались достаточно простой 3D-моделью, которая была создана для видеоролика. И хотя управлять станком с ЧПУ может довольно слабая машина, для визуализации/создания 3D-модели лучше взять ПК с мощной видеокартой.
Фрезерный станок с ЧПУ типа CNC использует сложный язык из набора математических выражений под названием GCode. Станок превращает данные в последовательность движений по осям X, Y и Z. Если открыть файл на таком языке, то там будет смесь текста и чисел, которую машина превратит в линии и кривые на физической модели.
Обычный файл GCode – не слишком понятно.
Технология фрезерного станка с ЧПУ простая, но в то же время эффективная. Информация по осям X, Y и Z передаётся по каналу ввода/вывода на набор шаговых двигателей, которые превращают информацию в поворот определённого градуса, чтобы фреза прошла нужное расстояние. Первым шагом для создания физической модели является экспорт информации из 3D Studio Max в программу, которая может написать код GCode для данного станка. Код GCode, в целом, универсален, но небольшие нюансы в синтаксисе или структуре могут испортить результат. Поэтому будьте аккуратны, если будете портировать код GCode, который написан не для вашего станка. Могут появиться нежелательные движения. Да и оператор станка вряд ли будет рад сломанной фрезе или искрам от прохода по станине.
Пакет 3D Studio Max может преобразовывать данные Autodesk AutoCad в большое число форматов. Мы выбрали формат Stereo Lithograph или .STL. Его легко импортировать и использовать с помощью многочисленных утилит, доступных для GCode.
Логотип в GCode Creator (Flat screen DirectX render).
Когда модель импортирована, её разумно преобразовать в представление 2D-grayscale, чтобы было удобнее работать с инструментами. Вокруг модели следует прочертить контур, чтобы фреза перемещалась только в его пределах. Это экономит время, поскольку резцу не нужно перемещаться по максимальным допускам, снимая лишний материал, он будет ограничиваться указанным контуром.
3D-модель, преобразованная в представление 2D-grayscale XY. Для уменьшения времени фрезерования мы прочертили контур.
Черновой проход
После импорта и выравнивания модели относительно положения бабки станка мы решили провести так называемый черновой проход. На данном шаге станок проходит по материалу более крупным резцом, что позволяет затем использовать меньший резец для улучшения деталей модели без риска сломать резец или перегрузить станок. Мы использовали резец формата 0,125″ или 1/8″. Для чернового прохода обычно устанавливается припуск, оставляющий на модели больше материала, чем нужно. Для мелких моделей обычно указывается припуск 0,03″ или больше. Припуск не позволяет резцу снять материал, входящий в габариты модели, которая будет создана меньшим резцом.
План чернового прохода с помощью 0,125″ резца. Обратите внимание, что резец остаётся в пределах XY, которые мы указали ранее
Перед тем, как мы перейдём к фрезерованию, важно ещё раз проверить GCode, чтобы в нём не было ошибок. Сделать это можно с помощью встроенного в программу симулятора. Он симулирует физические движения резца на куске виртуального материала, сигнализируя, если появятся какие-либо препятствия или ошибки. Как можно видеть по симуляции, мы получили весьма грубую модель, которая затем будет детализована чистовым проходом.
Симуляция чернового прохода логотипа Tom’s Hardware Guide. Виден припуск, который будет удалён чистовым проходом.
Чистовой проход
Вторая часть в деле создания GCode заключается в программировании чистового прохода, для которого мы будем использовать меньший резец 0,028″. Этот проход завершит создание модели, удалив припуск и улучшив контуры. Для этой операции нужен меньший резец, и мы увидим больше движений резца на той же поверхности.
Генерируем чистовой проход. Обратите внимание на большее количество движений резца по сравнению с черновым проходом.
Опять же, мы проводим симуляцию чистового прохода, чтобы убедиться в корректном коде.
Симуляция чистового прохода. Обратите внимание на более высокую точность и плавные края.
Теперь мы запрограммировали движения резца. Можно записывать их в файл и переносить на компьютер, к которому подключён фрезерный станок с ЧПУ.
Формовка и массовое производство
Если бы нужно было массовое производство модели, порядка нескольких тысяч, то стоило бы использовать форму из алюминия или стали, чтобы она позволяла прессовать пластик. Но у нас таких целей нет, поэтому форму мы вырежем из полиуретанового пенопласта, а в качестве наполнителя возьмём двухкомпонентную силиконовую смолу. Два компонента смолы нужно будет смешать и вылить в форму, после чего мы получим вторую форму, а с её помощью и готовый логотип.
Малые объёмы производства в данном случае имеют свои преимущества, самое значимое из которых – скорость. С пенопластом станок может при обоих проходах работать с максимальной скоростью фрезерования.
В данном примере глубина модели составила порядка шести миллиметров (0,25″). Проходы завершились довольно быстро, поскольку станок мог использовать максимальную глубину снятия. Если бы мы использовали алюминий, то пришлось бы делать несколько проходов, снимая каждый раз порядка 0,5 мм (0,02″), пока не будет достигнута нужная глубина.
Во время чистового прохода резец снял весь припуск, выдав правильные линии и изгибы. Опять же, в зависимости от материала, вам может потребоваться снизить скорость или глубину снятия. Чем твёрже будет материал для формы, тем меньшую глубину снятия или скорость нужно выставлять. Всё это сказывается на времени выполнения задачи.
Если бы делали форму для реальной модели, то тогда её следовало бы зеркально отразить, после чего заливать. Но мы будем изготавливать из материала базовую форму и заливать её потом, чтобы, в свою очередь, получить вторую форму. Поэтому нужды в зеркальном отражении нет. Что ж, закрепляем полиуретановый пенопласт и приступаем к работе!
Фрезерный станок с ЧПУ типа CNC с шаговыми двигателями и станиной.
Готовимся к фрезерованию: MS-DOS
Закрепляем 0,125″ резец.
Мы вырезали из пенопласта кусок нужного размера, после чего закрепили его в станке. Затем установили в патроне 0,125″ резец, с помощью которого мы будем делать черновой проход.
Теперь, когда материал закреплён, а в станок вставлен нужный резец, следует “обнулить” оси. То есть расположить резец в точку корректировки, указанную в файле GCode. Всё это делается вручную.
Оси в программе управления станком “обнулены”.
Мы использовали относительно старый станок с параллельным интерфейсом (LPT-порт) и программным обеспечением под MS-DOS, напрямую работающим с портом. И хотя на этой машине есть и Windows XP (для передачи файлов по сети, в основном), мы воспользовались загрузочным диском DOS. Вообще, для передачи GCode на станок быстрый компьютер не нужен. Многие до сих пор пользуются старыми 486 системами или ещё более древними. Мощность и быстрая видеокарта нужны для этапа создания и визуализации модели, которая послужила основой для GCode.
Фрезеруем!
Что ж, настало время приступить к фрезеровке. Оси “обнулены”, и можно запускать станок. Как мы уже упоминали выше, первый проход будет черновым, после чего чистовой проход уберёт весь ненужный припуск с помощью резца меньшего размера. Скорость вращения резца была выставлена на 8000 об/мин, что относительно немного. Но мы ведь режем пенопласт, а не алюминий или сталь.
В процессе фрезерования (вверху) и форма после чернового прохода (внизу).
Теперь, когда станок завершил черновой проход, самое время поменять резец на меньший, чтобы он смог дать нужную детализацию. Некоторые станки могут менять резец автоматически, то есть для обоих проходов вмешательство не нужно. Наша модель фрезерного станка эту функцию, увы, не поддерживает, поэтому резец нужно менять вручную, а затем вновь “обнулять” оси.
Как указывалось выше, для чистового прохода мы взяли резец меньшего размера – 0,028″, чтобы он смог дать точные детали нашей модели. После закрепления резца его следует откорректировать по осям, как мы уже делали это выше. Поскольку при чистовом проходе движений резца намного больше, эта операция занимает больше времени. В данном случае на черновой проход ушло пять минут, а на чистовой – три часа и 20 минут.
Чистовой проход завершён. Обратите внимание на мелкие “ворсинки”, которые мы сейчас уберём.
Заливаем первую форму
Теперь наша форма выглядит достаточно хорошо, и можно приступать к её заливке силиконовой смолой. Но хотя фрезерование пенопласта происходит быстрое, чем алюминия или стали, следует провести некоторые процедуры, которые нужны для сохранения должного уровня детализации готового продукта. Как можно видеть на фотографии выше, поверхность пенопласта всё ещё грубая из-за пористой природы, заметны и стружки, оставшиеся после фрезерования. Теперь нам нужно обработать поверхность начисто. И при этом постараться сохранить все детали, которые герметик может слишком сильно сгладить. К счастью, компания Smooth-On производит великолепный герметик под названием SuperSeal, позволяющий избавиться от пористости поверхности.
Герметик Smooth-On SuperSeal позволит избавиться от пористости материала.
SuperSeal наносится через распылитель на поверхность, после чего полируется с помощью мягкой кисточки. Для данной модели мы наносили герметик три раза, давая ему каждый раз сохнуть около пяти минут. Если бы мы взяли для формы металл, то процесс был бы сложнее. Тогда поверхность нужно было бы полировать с помощью полировочного круга или мелкозернистой шкурки.
Распыляем герметик и полируем кисточкой. Обратите внимание на улучшение детализации.
Заливаем силиконовую смолу и получаем вторую форму
После того, как наша форма высохнет, можно приступать к заливке в неё силиконовой смолы. Для данного проекта мы использовали другой продукт от Smooth-On под названием OOMOO 30. Число 30 соответствует уровню твёрдости Shore A по показаниям дюрометра относительно твёрдости резины после вулканизации. Твёрдость Shore A для распространённых смол и пластмасс составляет от 15 до 60, кстати, 60 это, примерно, твёрдость хоккейной шайбы. Силиконовая смола поставляется в двух компонентах (база и катализатор), смешивать их нужно 1:1 по объёму. Время схватывания составляет от шести до восьми часов.
Двухкомпонентная силиконовая смола, время схватывания 6-8 часов.
Для смешивания мы взяли обычные пластиковые стаканы, на которых есть отметка уровня. Со смолой OOMOO довольно легко работать. Особую точность при отмеривании соблюдать не нужно, можно делать всё на глаз. Но после смешивания смолу следует сразу же выливать в форму, ждать нельзя.
Два компонента OOMOO 30 Part A до смешивания.
Смола довольно вязкая, но наливать её несложно. Чтобы внутри не было пузырьков воздуха, Smooth-On рекомендует заливать смолу только в одном месте формы, чтобы смола растекалась по форме самостоятельно. У нас и раньше не возникало проблем с этим материалом, не столкнулись мы с ними и сейчас. Прекрасный продукт для широкого спектра применения.
Заливаем форму смолой. Нужно заливать в одном месте, а смола пусть растекается сама.
После заливки форму следует оставить в неподвижном состоянии, хотя некоторые рекомендуют немного потрясти форму, чтобы смола её лучше заполнила. Мы оставили смолу засыхать на ночь и проверили состояние утром. Хотя во время заливки заметны пузырьки воздуха, они все постепенно исчезнут, в результате чего мы получим гладкую поверхность.
Вторая форма готова!
Теперь, когда смола схватилась, можно доставать готовую форму. Нет, мы не получаем долю с продаж продукции Smooth-On, но хотелось бы вновь порекомендовать этот фантастический продукт. Силиконовая смола довольно дорогая, но за уплаченные деньги вы получите прекрасное качество. Вторая форма извлеклась из первой довольно легко, на ней хорошо отпечаталась поверхность. Кстати, если не знаете, на смоле очень хорошо остаются отпечатки пальцев. Во время наших первых экспериментов отпечатки прекрасно переносились на модели, так что будьте аккуратны.
Извлекаем полученную вторую форму из первой.
Финальная форма готова, и теперь её можно, в свою очередь, заполнять. Но смола OOMOO 30 слишком мягкая для того, чтобы использовать её для прессования пластика. Напряжение, вызываемое пластиком, может привести к деформации, в результате чего мы получим искажённую модель. В нашем случае хорошо подойдёт жидкая пластиковая смола. Конечно, она не такая прочная, как прессованный пластик. Именно поэтому смолу чаще всего используют для прототипов. Но в нашем случае особая прочность и не нужна.
Заливаем пластиковую смолу
Двухкомпонентная пластиковая смола Smooth-On Smooth Cast 300.
Smooth-On выпускает также линейку жидких пластиковых смол под названием Smooth Cast. Они имеют разные физические свойства и нацелены на разные сферы использования. Здесь используется та же схема смешения двух компонентов – 50/50.
Смола является трихотропной, то есть представляет собой гель и становится твёрдой после смешения. Химическая реакция сопровождается выделением тепла. Будьте аккуратны с объёмами, поскольку иногда тепла будет достаточно, чтобы расплавить форму или привести к другим повреждениям. Так как количество смолы невелико, мы вновь воспользуемся стаканчиками. Оба компонента смолы прозрачные, но после смешивания мы получаем непрозрачный молочно-белый раствор.
Стаканчики, использованные для подготовки пластиковой смолы.
Когда вы зальёте смолу в форму, её можно будет вынимать, примерно, уже через десять минут. Хотя модель достаточно хорошо схватится для того, чтобы её можно было извлечь, на полное схватывание следует дать 24-48 часов. Вообще, в данном случае форма из силиконовой смолы подходит лучше, чем, скажем, из полиуретана. Если сделать форму из полиуретана, то придётся использовать разделительный состав, не позволяющий пластику прилипать к форме. А попробуйте что-нибудь прикрепить к силиконовой смоле, включая краску. Если вы хотите окрасить свою модель в какой-либо цвет, то можете нанести краску на форму и залить пластиковой смолой. А после высыхания краска окажется на смоле.
Форма и готовая модель.
Чтобы готовый логотип соответствовал стилю ноутбука Toshiba, мы решили покрасить получившуюся модель в серебристый цвет, а также нанесли прозрачное защитное покрытие. Для лучшей контрастности мы сначала нанесли слой чёрной краски. Покраску мы проводили в специальной камере с помощью распылителя. Для прикрепления логотипа к ноутбуку использовался обычный суперклей, поскольку перед нами пластик.
Логотип Tom’s Hardware Guide на верхней панели ноутбука
Заключение
Хорошо то, что 3D-модель можно масштабировать практически до любого размера, будучи ограниченным только габаритами станка. Мелкие модели можно превращать в крупные и наоборот. Очень удобная черта, особенно для целей брендинга: один и тот же шаблон формы можно использовать практически для любого продукта, будь то 3D-анимация, вывеска на двери, брелок или пресс-папье.
Работать с 3D-моделями очень интересно, тем более что эта область может послужить для карьерного роста во многих сферах деятельности. Современные графические процессоры уровня ATi X1000 или GeForce 7 помогают революционизировать технологии производства и виртуализации.
На страницах Tom’s Hardware Guide мы уделяем немало внимания модным технологиям, связанным с играми и графикой. Но весьма интересно наблюдать за продвижениями и вне игрового рынка, когда графический движок позволяет достичь реально ощутимых результатов в тех областях, где ещё совсем недавно доминировали традиционные методы.
