Вступ

Існує різноманітне програмне забезпечення, з допомогою якого можна малювати, точніше створювати цифрові 3D-моделі. Відтак ці 3D-моделі можна використати, наприклад, для 3D-друку, лазерного різання або фрезерування з ЧПК.

Залежно від цілей, є програми з різними спеціалізаціями та функціями. Для моделювання деталей для технічних виробів зазвичай використовується програмне забезпечення CAD (англ. CAD — Computer Aided Design). Українським аналогом цього терміну є АСП (автоматизована система проєктування). З іншого боку, існують також тривимірні графічні редактори, розраховані передусім на створення арт-продуктів, напр. фігур складної форми, які можуть використовуватися для 3D-друку, дизайну продукції, але також, напр., для 3D- анімації.

[1] Конструктивний модуль у ПЗ FreeCAD - [2] 3D-модель у програмі для 3D-моделювання Blender

Замість створення власних 3D-моделей можна також завантажити готові моделі з Інтернету, за потреби додатково їх обробити та зрештою, напр., роздрукувати на 3D-принтері більше про це у базовому навчальному модулі про 3D-друк. Існує безліч вебсайтів, де можна знайти 3D-моделі або куди завантажити власні розробки, щоб поділитися ними з іншими більше про це у базовому навчальному модулі про завантаження 3D-моделей.

Ще одна можливість створити 3D-модель полягає у 3D-скануванні. За допомогою цієї технології можна сканувати та відображати на комп’ютері у вигляді 3D-моделей предмети, деталі або навіть осіб. Після невеликої обробки ці моделі можна також роздрукувати на 3D-принтері більше про це у базовому навчальному модулі про 3D-сканування).

Програмне забезпечення CAD - АСП

Програмне забезпечення CAD переважно застосовується в технічних галузях, напр. у машинобудуванні, в архітектурі або електротехніці — підприємствами, що займаються розробкою продуктів, плануванням споруд та подібних сферах. Але програмне забезпечення CAD зарекомендувало себе також серед любителів, напр. при розробці дизайну об’єктів для 3D-друку або фрезеруванні з ЧПК.

Якщо розроблена в CAD модель виготовляється з допомогою ЧПК-обладнання (фрезерування або точіння), її треба обробити в програмному забезпеченні з CAM (від англ. CAM — Computer Aided Manufacturing), українським відповідником якого є абревіатура АСВ (автоматизована система виробництва). CAM враховує параметри фрезера, ріжучого інструменту, кількості оборотів, технологічного процесу тощо і генерує код, придатний для зчитування машиною з ЧПК більше про це в базовому навчальному модулі про фрезерування з ЧПК.

При створенні 3D-моделі — у контексті CAD це називають «моделюванням» або «конструюванням» — здебільшого працюють з т. зв. геометричним і генеративним моделюванням.

При цьому зазвичай починають із креслення 2D-ескізу, що складається з точок, ліній, кривих і геометричних форм, як-от кола або шестикутники. Встановлюючи розміри, можна точно визначити елементи ескізу, напр. з точністю до міліметра задати довжину ліній або діаметр кола. За допомогою т. зв. залежних можна, наприклад, встановити, щоб дві лінії були паралельними або однакової довжини. Наступним кроком цей 2D-ескіз «наповнюють» (англ. «Pad»), перетворюючи на 3D-об’єкт визначеного об’єму, або обертають навколо осі для створення тіла обертання (англ. «Revolution»). У доповнення до цього об’єкта можуть додаватися інші елементи, зокрема через інші 2D-ескізи та наповнення/обертання, через усунення частин (напр., для отворів, свердлінь або пазів (англ. «Pocket»)), через тиражування елементів або заокруглення країв.

[3]
[4]
[5]

[3] 3D-наповнення (Pad) з 2D-ескізу - [4] 3D-тіло обертання (Revolution) із 2D-ескізу - [5] паз (Pocket) з 2D-ескізу

[6] Ескіз конструкції у FreeCAD - [7] Конструктивна деталь, створена з допомогою геометричного моделювання у FreeCAD

Багато CAD програм мають також функціонал для створення технічних креслень. При цьому спочатку моделюється тривимірна конструктивна деталь, а потім вона проєктується з різних кутів огляду на двовимірне зображення. Ці проєкції можуть бути розміщені на аркуші, визначені їхні розміри чи інша інформація або бути роздруковані. Це помічно у випадку деталей, які хочеться виготовляти не за допомогою цифрових інструментів, а конвенційним знаряддям, напр. шляхом нарізання та свердління дерев’яних дощок або алюмінієвого профілю.

[8] Технічне креслення (з розмірами) у програмі FreeCAD

Деякі CAD програми мають функції «параметричного проєктування». При цьому розміри конструктивних елементів визначаються не точними цифровими показниками (напр., 10 мм), а параметрами (напр., «довжина» або «діаметр»). За допомогою параметричної моделі можна потім згенерувати багато різних варіантів конструктивного елемента; таким чином, немає необхідності щоразу заново моделювати, наприклад, різні варіанти гвинта, достатньо один раз створити параметричну модель, і потім варіювати такі параметри як «довжина» і «діаметр», зберігаючи кожну нову модель гвинта як варіант. Параметри можна також поєднувати з допомогою формул (напр., «довжина = 2 х діаметр + 10 мм»).

На відеопорталах, як-от YouTube, можна знайти багато відеоінструкцій для вивчення моделювання з CAD. Деякі фаблаби пропонують також навчальні воркшопи. Основами для створення простих моделей можна оволодіти відносно швидко, однак для складніших проєктів з CAD й опанування розширених функцій потрібно багато вчитися та практикувати.

Формати файлів для моделей з CAD

Кожне програмне забезпечення має власний формат файлів для проєктних файлів, напр., файли у програмі «FreeCAD» мають розширення файлу *.FCStd, а файли в програмі «Autodesk Fusion 360» — розширення *.f3d. Проте у сфері CAD є безліч різноманітних форматів файлів, які можуть створюватися та відкриватися різними програмами з CAD.

Варто відзначити формат файлів STEP (*.ste, *.step oder *.stp). STEP походить від англійського „STandard for the Exchange of Product model data”, він стандартизований за всесвітньо визнаною нормою ISO. Файли у STEP-форматі добре годяться для обміну між різними CAD/АСП програмами. Якщо ви хочете поділитися CAD-файлом з кимось, хто користується іншим програмним забезпеченням з АСП, гарним рішенням часто стає експортування файлу у форматі STEP, навіть якщо при цьому зберігаються не вся інформація та не всі можливості редагування — принаймні файл можна відкрити, розглянути й проаналізувати в іншій програмі.

Якщо ви плануєте опублікувати свій продукт як відкрите апаратне забезпечення, рекомендується використовувати програмне забезпечення CAD/АСП, яке є безкоштовним і створене на основі відкритого програмного забезпечення (напр., FreeCAD або Blender, більше про це див. нижче), щоб якомога більше людей могли відкрити, обробити файли та запропонувати покращену версію проєкту.

Ще один важливий файловий формат, насамперед для 3D-друку, — STL. Практично кожна відома CAD програма або програма для створення тривимірної графіки може експортувати 3D-моделі у форматі STL, щоб зрештою їх можна було надрукувати на 3D-принтері більше про це в базовому навчальному модулі про 3D-друк.

Приклади програмного забезпечення з CAD

Ось кілька популярних CAD програм, які можна здебільшого використовувати безкоштовно:

FreeCAD

Як передбачає сама назва, FreeCAD, — це так зване «вільне і відкрите програмне забезпечення», це означає, що ПЗ безкоштовне, не має якихось обмежень, зокрема для комерційних цілей, а її вихідний код відкритий. Це робить FreeCAD улюбленим програмним рішенням у Open-Source-спільнотах, оскільки гарантується, що створені за допомогою FreeCAD проєкти довгостроково знаходитимуться у відкритому доступі та їх можна буде обробляти (як відкрите апаратне забезпечення). До того ж кожен може змінювати або покращувати FreeCAD через додатки (відкрите програмне забезпечення), завдяки чому вже усунено численні недоліки, створено додаткові функції, робочі місця та макроси.

FreeCAD містить багато різних програмних модулів (т.зв. «робочі місця», англ. «Workbenches») і функцій для 3D-моделювання, 3D-друку, CAM/АСВ та фрезерування з ЧПК, лазерного різання, симуляції руху, архітектури тощо. Особливою сильною стороною FreeCAD параметричне проєктування, при цьому через «Spreadsheet»-Workbench можна створити розрахункові таблиці, за допомогою яких можна управляти параметрами CAD-моделі. FreeCAD знаходиться не у хмарі, а працює локально на комп’ютері (Windows, Mac або Linux).

Завантажити: https://www.freecad.org/

FreeCAD-Wiki: https://wiki.freecad.org/ - Українською мовою (неповна версія): https://wiki.freecad.org/Main_Page/uk

[9] Користувацький інтерфейс у FreeCAD - [10] Конструктивний модуль із ескізом у FreeCAD

Autodesk Fusion 360

Fusion 360 — це розроблений компанією Autodesk програмний комплекс для CAD/АСП, CAM/АСВ та інших технічних цілей. Загалом Fusion 360 є платною програмою, але за певних умов та з обмеженим функціоналом нею можна користуватися також безкоштовно. Для цього під час реєстрації треба вказати, що ви приватний користувач/ка («personal use»). Цю безкоштовну «любительську ліцензію» треба постійно оновлювати. Якщо ви створюєте комерційні проєкти, необхідно придбати ліцензію. До того ж при безкоштовній ліцензії доступні не всі функції. Умови та функціонал безкоштовної версії можуть ще неодноразово змінюватися, актуальна інформація щодо цього знаходиться на вебсайті Fusion-360.

Fusion 360 знаходиться у хмарі, тобто для її використання треба бути підключеним до Інтернету, і при першому використанні слід увійти з даними свого облікового запису. Проєктні файли зберігаються онлайн у хмарі від Autodesk, проте їх можна також завантажити собі на комп’ютер (напр., як f3d-файл). Якщо немає з’єднання з Інтернетом, деякий час можна також працювати офлайн, файли синхронізуються при наступному під’єднанні до Інтернету. Однак перший вхід має відбутися онлайн.

Завдяки чіткому та зрозумілому управлінні Fusion 360 належить до відносно легкого для опанування ПЗ з CAD, і тому цю програму люблять і часто використовують у мейкерських спільнотах.

Реєстрація та завантаження для приватних користувачів/ок: https://www.autodesk.de/products/fusion-360/personal

[11] [12] Autodesk Fusion 360: користувацький інтерфейс

Програми для 3D-графіки та моделювання

На відміну від CAD-програм, які використовуються переважно для розробки технічних продуктів, тривимірні графічні редактори розраховані радше на мистецькі або дизайнерські проєкти, напр. оформлення фігур, ваз, посуд або інших складних форм.

При цьому часто в хід ідуть так звані інструменти скульптурування, завдяки яким можна надати 3D-об’єктам точнішої форми, приблизно як у гончарстві. На першому місці тут стоїть не так точне до міліметра вимірювання та конструювання елементів із кутами, як у випадку технічних деталей у CAD-програмах, як свобода у формуванні й оформленні 3D-об’єкта.

Серед інших функцій тривимірних графічних редакторів — напр., текстурування, анімація (для анімаційних фільмів або відеоігор) і рендеринг (комп’ютерна візуалізація), напр. розташування об’єкта або продукту в певному середовищі й освітленні у так званому кадрі. Багато 3D-редакторів можуть експортувати моделі як STL-файли, завдяки чому їх можна роздрукувати.

[13] Скульптурування в програмі Blender - [14] Рендеринг кухонного посуду в програмі Blender

Приклад програм для 3D-графіки та 3D-моделюванн

Нижче представлені деякі популярні безкоштовні програми для 3D-графіки та 3D-моделювання:

Blender

Blender — це програмний комплекс для тривимірної графіки, доступний як «вільне та відкрите програмне забезпечення», тобто безкоштовне у використанні та з відкритим вихідним кодом. Програмний комплекс об’єднує функції для моделювання, текстурування та анімування. Blender — популярна програма як серед професіоналів, так і серед любителів, вона вважається особливо продуманим відкритим програмним забезпеченням, а її основами можна відносно легко оволодіти.

Завантажити https://www.blender.org/

[15] Користувацький інтерфейс програми Blender - [16] Скульптурування у Blender

Tinkercad

Tinkercad — безкоштовний вебзастосунок, що працює у браузері та використовується для 3D-дизайну, але також для проєктування електронних плат та програмування. У ньому відносно легко працювати, і насамперед він розрахований на дітей, молодь і застосування в школах. Але Tinkercad може також зацікавити дорослих, які не хочуть докладати багато зусиль для вивчення складніших програм із CAD або тривимірних графічних редакторів.

Хоча у назві «Tinkercad» міститься слово «CAD», було б дещо недоречно описувати Tinkercad як програму з АСП. Хоча Tinkercad добре підходить для створення простих 3D-моделей, система швидко досягає своїх меж, якщо ви хочете розробити в ній складніші технічні продукти або 3D-фігури. ПЗ розраховане радше на простоту використання, а не функціонал, тому процес моделювання також принципово відрізняється від відомих CAD-програм. Із Tinkercad можна експортувати STL-файли для 3D-друку.

Tinkercad, так само як і Fusion 360, належить компанії Autodesk і вимагає створення (безкоштовного) облікового запису. При цьому не потрібно завантажувати або встановлювати жодного програмного забезпечення, застосунок працює прямо в браузері.

Реєстрація та використання: https://www.tinkercad.com/

[17] Користувацький інтерфейс програми Tinkercad (у браузері) - [18] 3D-дизайн штангенциркуля в Tinkercad

Інформація про ліцензію

Автор: Оскар Лідтке (Oskar Lidtke), https://github.com/orcular-org/

Якщо не зазначено інакше, цей твір ліцензовано в рамках міжнародної Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License (CC BY-SA 4.0).

Див. кращі приклади зазначення Авторства та створення власного твору з ліцензією Creative Commons.

Щодо зазначення Авторства та ліцензії використаних зображень, див. розділ нижче.

Джерела ілюстрацій

[1] Gsuter.png (cropped) - Image license: CC BY 3.0 - Source: https://wiki.freecad.org/File:Gsuter.png

[2] 3D Viewport, a Blender 2.93.4.png (cropped) - Image license: CC BY-SA 4.0 - Source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:3D_Viewport,_a_Blender_2.93.4.png

[3] PartDesign Pad example (adapted) - Image license: CC BY 3.0 - Source: https://wiki.freecad.org/File:PartDesign_Pad_example.svg

[4] PartDesign Revolution example (adapted) - Image license: CC BY 3.0 - Source: https://wiki.freecad.org/File:PartDesign_Revolution_example.svg

[5] PartDesign Pocket example (adapted) - Image license: CC BY 3.0 - Source: https://wiki.freecad.org/File:PartDesign_Pocket_example.svg

[6] GGTuto1 4 - Image license: CC BY 3.0 - Source: https://wiki.freecad.org/File:GGTuto1_4.PNG

[7] FreeCAD-20.1 (cropped) - Image license: CC BY-SA 4.0 - Source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:FreeCAD-20.1.png

[8] TechDraw Workbench Example - Image license: CC BY 3.0 - Source: https://wiki.freecad.org/File:TechDraw_Workbench_Example.png

[9] Asm3 1 relnotes 0.20 - Image license: CC BY 3.0 - Source: https://wiki.freecad.org/File:Asm3_1_relnotes_0.20.jpg

[10] screenshot-07.jpg (cropped) - Image license: CC BY 3.0 - Source: https://www.freecad.org/ (home page) License info for freecad.org

[11] CAM Fusion 360 - Image license: CC BY-SA 4.0 - Source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CAM_Fusion_360.png

[12] 3D Design by fusion 360 - Image license: CC BY-SA 2.0 - Source: https://www.flickr.com/photos/kenming_wang/32276624594

[13] sculpt01.jpg - Image license: CC BY-SA 3.0 - Source: https://www.blender.org/features/sculpting/ (Attribution: Blender Foundation – www.blender.org - License info for blender.org )

[14] Kochtöpfe erstellt und gerendert in Blender-Cycles - Image license: CC BY-SA 3.0 - Source: https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Kocht%C3%B6pfe_in_Blender-Cycles_gerendert.png

[15] Sculpting Mode Example - Image license: CC BY-SA 4.0 - Source: https://docs.blender.org/manual/en/latest/sculpt_paint/sculpting/introduction/general.html#id

[16] sculpt-paint_sculpt_multires_example.png (cropped) - Image license: CC BY-SA 4.0 - Source: https://docs.blender.org/manual/en/latest/sculpt_paint/sculpting/introduction/adaptive.html#multiresolution

[17] Practice 3 D printing - Image license: CC BY-SA 4.0 - Source: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Windmill_3_D_printing.png

[18] Caliper, drawn with Tinkercad - Image license: CC BY-SA 4.0 - Source: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Schuifmaat_bottom_mechaniek.png