3D Моделирование в CAD. С чего начать?

Когда у человека появляется необходимость освоить 3D моделирование и начать создавать трехмерные модели, то он невольно сталкивается с проблемой выбора программного обеспечения (ПО) для решения своих задач. На сегодняшний день на рынке существует огромный выбор ПО, отличающегося по своему функционалу. Оно может быть платным или бесплатным, требующим установки на компьютер или расположенным на серверах производителей и работающим непосредственно в окне браузера. В наше время каждый может использовать для построения 3D моделей свой смартфон или планшет. Существуют неплохие приложения для моделирования на android и ios. Все это разнообразие называется одной общей аббревиатурой САПР (системы автоматизированного проектирования). Ближайшей по смыслу английской аббревиатурой можно назвать CAD-systems (computer-aided design), но все же понятие CAD является лишь малым подпунктом такого определения как САПР.

Также следует упомянуть часто используемые английские аббревиатуры CAM-system (Computer-aided manufacturing, автоматизированная система подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ) и CAE-system (Computer-aided engineering, автоматизированная система для проведения расчётов, анализа и симуляции физических процессов). Эти типы систем могут являться как самостоятельными программами (например CAM-система Power Mill или CAE-система Ansys) так и быть одним из модулей САПР (модуль SolidCAM в системе SolidWorks или Inventor).

Перед тем как мы начнем обсуждать существующие категории САПР, поговорим о трех основных способах моделирования. Базовые различия между ними обязательно нужно знать начинающему пользователю для правильного выбора ПО. Различают твердотельное, поверхностное и полигональное моделирование. Каждый из трех способов имеет свои преимущества и недостатки, лучше подходит для решения одних задач и хуже (а порой и вовсе не подходит) для решения других.

Твердотельное моделирование - это идеальный инструмент для создания параметрических моделей, где нам нужно контролировать размеры каждого элемента, иметь возможность легко их редактировать, определять зависимости между элементами, чтобы при изменении одного из них автоматически происходило изменение других. Весь инструментарий твердотельного моделирования сводится к различным способам вытягивания трехмерных элементов (по прямой, по кривой, по сечениям, тело вращения и т.д.), булевым операциям (сложение, вычитание и пересечение объектов) и построениям скруглений и фасок. Этим способом можно без проблем создавать модели относительно простой формы, которой обычно обладают детали из области машиностроения.

ПРИМЕРЫ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Поверхностное моделирование хорошо подходит для описания сложных криволинейных форм. С его помощью создаются модели различных бытовых приборов, изогнутых корпусов, кузовов, элементов зданий и т.д. Сложную форму изделия чаще всего невозможно описать одной поверхностью, поэтому конечные модели состоят из множества поверхностей. Важным аспектом поверхностного моделирования является возможность создания гладких поверхностей и качественного сопряжения их между собой. Поверхности могут сопрягаться с различным типом непрерывности (G1, G2, G3, G4). Непрерывность характеризует плавность перехода от одной поверхности к другой. Основная сфера применения этого способа моделирования - промышленный дизайн.

ПРИМЕРЫ ПОВЕРХНОСТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Полигональное моделирование лучше всего подходит для создания моделей с очень высокой степенью детализации. Такие модели используются в мебельном производстве, ювелирном деле, киноиндустрии, игровой индустрии, сувенирной продукции, рекламе и т.д. К ним можно отнести сложные орнаменты, узоры, персонажей (людей, животных, монстров и т.д.), одежду и др. Например, средствами твердотельного или поверхностного моделирования будет невероятно сложно построить 3D модель человека, детализация которой позволит отобразить в ней все самые мелкие элементы, вплоть до морщин и пор на коже. Полигональное моделирование легко справится с этой задачей.

ПРИМЕРЫ ПОЛИГОНАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Все эти три способа моделирования могут комбинироваться и дополнять друг друга. Многие САПР, в той или иной степени, позволяют это делать, но для полноценного использования всех преимуществ каждого способа многие специалисты используют несколько программных пакетов в своей работе. Важно помнить, что любая твердотельная модель может быть легко конвертирована в поверхностную или полигональную. Поверхностная модель также может быть конвертирована в твердотельную (при условии что она описывает замкнутый объем) или полигональную. А вот полигональная модель не может быть конвертирована в твердотельную или поверхностную, хотя это особенно востребовано в обратном инжиниринге. Для этой задачи имеется различное специализированное программное обеспечение, позволяющее воссоздавать поверхностные или твердотельные модели по полигональным, полученным, например, в результате 3d сканирования.

Системы автоматизированного проектирования (САПР) подразделяются на несколько категорий в зависимости от своего функционала. Самой распространенной классификацией является их деление на системы нижнего, среднего и верхнего уровней. Часто еще говорят легкие, средние и тяжелые САПР. Проблема в том, что при упоминании такой классификации чаще всего называют только лишь машиностроительные системы, т.к. они наибольшим образом подходят под определение САПР. Мы же не обойдем стороной и остальные системы, которые используются в дизайне, архитектуре, стоматологии, киноиндустрии и т.д. В связи с этим, я отнесу все три вышеупомянутых подвида систем к первой категории САПР (машиностроительные САПР).

Итак, коротко о первой категории САПР:

Системы нижнего уровня предназначены для 2D-проектирования и черчения. В них, как правило, есть возможность создавать отдельные трехмерные модели, но нет полноценного инструментария для работы со сборочными единицами. К таким системам можно отнести AutoCAD, BricsCAD, VersaCAD.

Системы среднего уровня покрывают больший спектр задач. Наряду с созданием 3D моделей, сборочных единиц, чертежей и документооборота, в них можно проводить различные инженерные расчеты (прочностные, температурные, расчеты связанные с жидкостными и газовыми потоками и многое другое). Кроме того, системы среднего уровня могут обладать множеством встроенных модулей для решения специализированных задач - автоматизации проектирования электрических, гидравлических и прочих вспомогательных систем, автоматизации проектирования пресс-форм, работы с листовыми материалами и т.д. Часто в подобные системы интегрируется модуль подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ (CAM-система). САПР среднего уровня пользуются наибольшим спросом на рынке т.к. решают подавляющее число инженерных задач. В качестве примера можно привести Inventor, SolidWorks, SolidEdge, Компас 3D, T-Flex.

Системы верхнего уровня охватывают самый внушительный спектр инженерных задач, включают встроенные подсистемы инженерного анализа (CAE) и подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ и промышленных манипуляторов (CAM), подсистемы для обратного инжиниринга, аддитивного производства и многие другие специализированные средства разработки. С помощью тяжелых САПР можно создавать очень ресурсоемкие сборки, состоящие из десятков тысяч деталей (авиастроение, кораблестроение и др.). Эти САПР могут быть интегрированы с подсистемой управления инженерными данными (PDM - Product Data Management), способной охватить целое предприятие. Одной из целей PDM-систем является обеспечение возможности групповой работы над проектом, когда группа людей одновременно трудится над одним заданием и совместно использует необходимые для этого данные. Исходя из этого, подобные САПР наиболее громоздки, сложны в работе, имеют значительную стоимость и больше всего подходят для крупных предприятий. К системам высокого уровня относятся Siemens NX, CATIA от Dassaut Systemes , PTC Creo.

Как было сказано в начале статьи, существуют САПР, которые не требуют установки на компьютер ("облачные" САПР), а работают прямо в окне браузера или через специальное приложение. Преимущество таких систем заключается в том, что их можно использовать даже на слабых компьютерах, так как вся вычислительная нагрузка ложится на сервера, где базируется эта система. Кроме того, все данные при работе в таких системах можно хранить в "облаке" и иметь доступ к ним в любое время и с любого устройства (ПК, телефон, планшет). В качестве примера можно привести такие системы как Autodesk Fusion 360 (бесплатна для студентов) и Onshape. По уровню функционала их можно отнести к средним САПР.

Наибольший интерес для пользователей чаще всего представляют САПР среднего и верхнего уровня. Подобным системам присуща высокая степень параметризации. Сама концепция моделирования в них предполагает создание эскизов в строго определенных плоскостях. Элементы эскизов при этом имеют различные ограничения и взаимосвязи между собой, размеры определяют конечный вид эскиза, а изменение размеров ведет к его автоматическому перестроению. Эскизы, в свою очередь, служат основой для построения трехмерных элементов. Вся история построений сохраняется в навигаторе операций и всегда находится на виду у пользователя, что позволяет ему быстро вносить какие-либо изменения на любом этапе моделирования и вся модель будет автоматически перестраиваться в соответствии с этими изменениями.

Основные способы моделирования для этой категории систем - твердотельный (на первом месте) и поверхностный. Имеются инструменты для работы с полигональными моделями, но они достаточно ограничены.

Вторая категория САПР:

Ко второй категории относятся системы для промышленного дизайна. Преимущественным способом работы в них является поверхностное моделирование . Эти системы не имеют такой высокой степени параметризации, как вышеописанные САПР. Работа происходит в более свободном стиле, без задания различных ограничений, взаимосвязей и образмеривания (хотя в некоторых случаях эта возможность имеется). Размеры для всех элементов определяются непосредственно при построении каждого из них, а не после наброски общего вида эскиза. Что касается самих эскизов, то их создание происходит относительно активной системы координат без жесткой привязки к какой-либо конкретной плоскости. История построений не сохраняется. Эти системы менее громоздки и более удобны для решения задач, связанных с промышленным дизайном (бытовые приборы, элементы наземного, водного и воздушного транспорта, мебель, интерьеры, посуда, архитектура и т.д.). В качестве примера подобных систем можно привести Autodesk Alias, Rhinoceros 3D, PowerShape, IcemSurf, SolidThinking и др.

Третья категория САПР:

К третьей категории САПР я отнесу программное обеспечение, направленное на решение узкоспециализированных задач. Среди прочих можно отметить такие специализированные системы как Autodesk Crispin ShoeMaker - для проектировщиков обуви (в настоящее время программа не поддерживается разработчиками). Autodesk Revit, ArchiCAD - для архитекторов. DentalCAD от EGS и другие - для стоматологов. Matrix и MatrixGold от Gemvision (на базе Rhinoceros), RhinoGold - для ювелиров и т.д.

Четвертая категория САПР:

Четвертая категория - это системы для художественного моделирования, анимации, визуализации.

Если немного более подробно изучить определения САПР и CAD, то мы обнаружим, что названные мной далее системы не относят к этим понятиям, делая упор на такие возможности САПР, как создание чертежей, ведение проектной документации, проведение инженерных расчетов, создание управляющих программ для станков с ЧПУ и т.д. В ГОСТе, определяющем понятие САПР, говорится: "САПР - организационно-техническая система, входящая в структуру проектной организации и осуществляющая проектирование при помощи комплекса средств автоматизированного проектирования (КСАП)". При подробном знакомстве с этим ГОСТом мы узнаем, что в САПР входит много разных компонентов и это не только программное обеспечение. Суть в том, что даже на уровне программного обеспечения для покрытия всего перечня решаемых задач, в большинстве случаев требуется использование нескольких программных пакетов (за исключением тяжелых САПР). И только в комплексе все это можно будет назвать полноценной системой автоматизированного проектирования. Ничто не мешает нам дополнить тот же инженерный инструментарий программами из этой категории и использовать их в качестве инструмента в общем комплексе средств, так как решение некоторых инженерных задач в них можно выполнять намного эффективней, чем в классических САПР.

Основным инструментом систем четвертой категории является полигональное моделирование, которое проще всего позволяет манипулировать формой изделия. В этом случае модели состоят из множества полигонов и чем более мелкие детали мы хотим отобразить в модели, тем больше этих полигонов нам нужно.

В отличии от САПР нижнего, среднего и верхнего уровней, в этих системах нам не требуется так явно контролировать размеры всех элементов и зависимости между ними. Обычно достаточно определить габаритные размеры и пропорции модели. Параметризация в таких программах проявляется немного по-другому и об этом мы упомянем ниже. Системами этой категории являются Autodesk 3ds Max, Autodesk Maya, Cinema 4d, Modo, Blender (бесплатное ПО) и т.д. Сюда же можно отнести программное обеспечение, специализирующееся на цифровом скульптинге (цифровой лепке) - ZBrush, 3D Coat, Mudbox, Sculptris (бесплатное ПО), SculptGL (работает в окне браузера, можно попробовать прямо сейчас).

Многие системы этой категории имеют возможность создания моделей и анимации на основе симуляции физических процессов (воздействие силы тяжести, ветра, симуляция разрушений, движения частиц и т.д.). В качестве интересного примера на эту тему можно привести программы для моделирования одежды, где модели являются результатом одного из видов такой симуляции - Marvelous Designer, CLO3D, Optitex PDS и т.д.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОДЕЖДЫ В MARVELOUS DESIGNER

Возможности некоторых видов симуляций могут стать хорошим инструментом для решения научных задач. Смотреть пример.

ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В МАГНЕТРОНЕ

Есть во всей этой категории программ и большие возможности для параметризации, которая появилась в них благодаря внедрению визуальной среды программирования. В этой среде мы имеем возможность создавать объекты, присваивать им различные свойства, связывать эти объекты и свойства между собой и воздействовать на них в режиме реального времени, посредством так называемых нод. Говоря простым языком, нода - это блок, который хранит в себе какие-либо данные (объекты, свойства, значения) или обрабатывает поступающие данные по определенному алгоритму. Нода может иметь один или несколько входов для поступления данных и выходы для их передачи. Если произвести изменение в какой-либо ноде (указать другое значение или подставить другой объект), то вся цепочка блоков (нод) выполнится с учетом этих изменений. Визуальная среда программирования может содержать в себе сотни готовых нод, которые покрывают весь необходимый функционал. При должных навыках, пользователь имеет возможность дополнять этот функционал своими собственными нодами. Использование визуальной среды программирования еще называют процедурным моделированием. Наиболее ярким представителем системы с такими возможностями, на мой взгляд, является Houdini FX. Для того, чтобы лучше понять и осознать силу такого способа параметризации, достаточно посмотреть видеоролик. На основе процедурной модели, созданной в этом ролике, можно в считанные секунды получать любое количество вариаций декоративной панели и развертку ее послойных элементов для дальнейшего изготовления на фрезерном или лазерном станке с ЧПУ.

Следует отметить что такая среда визуального программирования существует и в других категориях САПР. Что касается ПО для промышленного дизайна (вторая категория), то там имеется очень популярный плагин Grasshopper для программы Rhinoceros 3D. Раньше Grasshopper нужно было скачивать и устанавливать для Rhinoceros 3D отдельно, но эта среда визуального программирования настолько сильно увеличивает возможности программы, что начиная с 6-ой версии Rhino, плагин решили включить в базовый набор программы.

В категории специализированных САПР можно отметить среду визуального программирования Dynamo Studio для системы Revit от Autodesk, а в САПР верхнего уровня (первая категория) это 3D Generative Innovator от Dassault Systemes (работает в окне браузера).

Подводя итоги, можно сказать, что выбор программного обеспечения огромен. Прогресс не стоит на месте и с каждым годом мы можем наблюдать в САПР появление новых инструментов, открывающих дополнительные возможности. Если Вы начинающий пользователь, то надеюсь, что после прочтения этой статьи Вы сможете определиться хотя бы с тем, на какую категорию САПР Вам нужно обратить свое внимание. В статье обозначены все самые популярные программы, а их названия в тексте являются ссылками на официальные сайты разработчиков. На сайтах Вы можете более подробно ознакомиться с соответствующей программой, найти какие-либо обучающие материалы от разработчиков, узнать является ли программа платной или бесплатной и т.д.