XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Особую популярность в последнее время получил программное обеспечение, позволяющее разрабатывать прототипы будущих объектов с помощью новых методов, улучшающих процессы разработки продуктов. Эти методы обеспечивают изготовление высококачественных прототипов с меньшими затратами. Технология 3D-прототипирования — идеальное решение для быстрого прототипирования.

Сегодня эта технология используется во многих отраслях нашей жизни. Она позволяет, например, распечатать объёмный макет здания, учитывая конструктивную задумку сооружения. Эта инновация популярна при строительстве, проектировании. Среди преимуществ – высокая скорость реализации авторской задумки, точность детализации [5].

3D-прототипирование дает доступ к обширным возможностям проектирования и эффективным методам экономии времени и денег. Кроме того, это эффективное производство, подходящее для применения в нескольких отраслях промышленности. Это также позволяет быстро концептуализировать свои идеи при относительно низких затратах.

3D-прототипирование - это инновационный быстрый производственный процесс, включающий создание трехмерных объектов из цифровых файлов. В этом методе производитель конструирует объекты, накладывая последовательные слои материала, где каждый слой представляет собой тонкое поперечное сечение конечного продукта [4].

3D-прототипирование позволяет произвести быстрый запуск производства за несколько основных этапов [1]. :

- построение цифровой модели в формате трехмерной САПР;

- создание первого прототипа с помощью 3D-печати;

- тестирование готового продукта, корректировки цифровой модели при необходимости;

- изготовление тестовой (пилотной) партии изделий посредством 3D-печати;

- запуск полномасштабного производства.

Существует четыре основных вида прототипов, между собой они различаются на основе сферы применения модели, для которой делается прототип [3]:

1. Промышленные прототипы. Обычно они называются мастер-моделью (например, в микроэлектронике — «инженерный образец»).

2. Архитектурные презентационные макеты города, дома или отдельной комнаты.

3. Транспортные — прототипы любого транспортного средства (автомобиль, корабль, самолёт и т. д.).

4. Товарный прототип — модель товара, которую используют для выставок и презентаций.

Различают такие технологии прототипирования [2]:

1. Стереолитография (SLA). В этой технологии используют жидкий фотополимер с добавлением реагентов. Смесь полимеризуется при помощи ультрафиолетового лазера. Слои создаются последовательно на подвижной подложке.

2. Выборочное лазерное спекание (SLS). Технология предполагает послойное изготовление модели с использованием порошка. Материал равномерно распределяется на плоскости, после чего отдельные участки запекаются при помощи лазера. Порошковым материалом может быть пластик, металл, стекло, литейный воск или керамика. На рабочую поверхность порошок наносится специальным валиком.

3. Многослойное моделирование (MJM). Устройства для применения данной технологии разрабатываются компанией 3D System. Изготовление модели происходит по принципу стандартной струйной печати. Подача материала происходит через сопла, расположенные на печатающей головке. Расходники предварительно нагреваются, после чего подаются в экструдер, который печатает слои детали.

4. Ламинирование (LOM). Метод предполагает послойное склеивание пленок, которые разрезаются с помощью лазера или специального лезвия.

5. Послойное наплавление (FDM). В этой технологии каждый слой наносится расплавленным материалом, которые выдавливается через сопло. Зачастую для печати используется какой-либо пластик, но могут применяться и другие материалы, например металл. Объекты, созданные этим методом, имеют низкое качество, но он наиболее дешевый в реализации.

Для создания уникальных 3D моделей требуется 3 вида программного обеспечения:

- программы для создания формы. Традиционно, для моделирования физических объектов используется системы автоматизированного проектирования (САПР);

- программы автоматизированного производства (CAM), которые преобразуют модель в дискретные задачи для принтера;

- клиентское программное обеспечения для управления, которое посылает инструкции принтеру в режиме реального времени.

Нами был проведен сравнительный анализ семи популярных программ для 3D-прототипирования: Tinkercad, Fusion 360, Blender, SolidWorks, Ultimaker Cura, Autodesk Inventor и FreeCAD. Важно отметить, что эти программы ориентированы на разные уровни пользователей и задачи.

1. Tinkercad:

• Функционал: очень простой и интуитивно понятный онлайн-сервис, идеально подходит для начинающих. Предлагает базовую геометрию, инструменты для экструзии и вращения, возможность импорта/экспорта файлов STL. Фокус на простоте использования, а не на продвинутых функциях моделирования.

• Сильные стороны: легкость освоения, бесплатный доступ, онлайн-ориентированность (нет необходимости в установке), идеально для обучения основам 3D-моделирования.

• Слабые стороны: ограниченный функционал, сложность создания сложных моделей, недостаток продвинутых инструментов моделирования, низкое разрешение моделей.

2. Fusion 360:

• Функционал: мощный и многофункциональный CAD/CAM пакет, подходящий как для проектирования, так и для подготовки к 3D-печати. Содержит широкий набор инструментов для моделирования (параметрическое моделирование, склеивание, вычитание, булевы операции, моделирование поверхностей), симуляцию и анализ. Поддержка различных форматов файлов.

• Сильные стороны: мощный функционал, относительно простой в освоении (по сравнению с SolidWorks), бесплатная версия для хобби-проектов, интегрированный CAM-модуль для подготовки файлов к печати.

• Слабые стороны: бесплатная версия имеет ограничения, кривая обучения несколько круче, чем у Tinkercad, может быть избыточной для простых задач.

3. Blender:

• Функционал: бесплатный и открытый исходный код, мощный 3D-пакет для моделирования, анимации, визуализации и рендеринга. Предлагает широкий спектр инструментов, включая моделирование с использованием NURBS-поверхностей и полигонов, скульптуру, текстурирование и анимацию. Возможность экспорта в различные форматы, включая STL.

• Сильные стороны: бесплатный, мощный функционал, открытый исходный код, большое сообщество пользователей и обучающих материалов.

• Слабые стороны: высокий порог входа, сложный интерфейс, крутая кривая обучения, требует времени на освоение. Не настолько интуитивен для подготовки к 3D-печати, как Fusion 360.

4. SolidWorks:

• Функционал: профессиональный CAD-пакет, предназначен для создания высокоточных 3D-моделей. Обладает широчайшим спектром функций, включая параметрическое моделирование, симуляции, анализ, и многое другое. Используется в промышленности для проектирования сложных изделий.

• Сильные стороны: профессиональный уровень, высокая точность, широкий функционал, поддержка большого количества форматов.

• Слабые стороны: очень высокая стоимость лицензии, сложный интерфейс, крутая кривая обучения, избыточен для простых задач и домашнего использования.

5. Ultimaker Cura:

• Функционал: бесплатный слайсер (программа для подготовки файлов к 3D-печати). Преобразует 3D-модели в инструкции для 3D-принтера, включая траекторию движения головки, скорость печати, и другие параметры. Поддерживает широкий спектр 3D-принтеров.

• Сильные стороны: простой и интуитивный интерфейс, поддерживает множество 3D-принтеров, широкие возможности настройки печати.

• Слабые стороны: не является программой для 3D-моделирования, а только для подготовки к печати. Не имеет инструментов для создания 3D-моделей.

6. Autodesk Inventor:

• Функционал: профессиональный CAD-пакет от Autodesk, конкурент SolidWorks. Предоставляет широкий набор инструментов для 3D-моделирования, параметрического проектирования, симуляций и анализа. Ориентирован на промышленное использование и создание сложных сборок.

• Сильные стороны: мощный функционал, высокая точность, интуитивный интерфейс (по сравнению с SolidWorks, для многих пользователей), хорошая интеграция с другими продуктами Autodesk.

• Слабые стороны: высокая стоимость лицензии, крутая кривая обучения, избыточен для простых задач и домашнего использования.

7. FreeCAD:

• Функционал: бесплатный и открытый исходный код, параметрический 3D-моделер, ориентированный на промышленное проектирование. Предлагает широкий набор инструментов для создания моделей, включая работу с NURBS-поверхностями, создание сборок и чертежей.

• Сильные стороны: бесплатный и открытый исходный код, мощный функционал, поддержка различных форматов файлов, активное сообщество пользователей.

• Слабые стороны: интерфейс может показаться менее интуитивным, чем у коммерческих аналогов, кривая обучения может быть крутой, документация иногда может быть недостаточно подробной.

На основе проведенного анализа можно сделать вывод о том, что для новичков подойдет Tinkercad; для хобби и обучения - Fusion 360, Blender (с учетом времени на обучение), FreeCAD (с учетом времени на обучение); для профессионалов - SolidWorks, Autodesk Inventor; для подготовки файлов к печати: Ultimaker Cura (используется в паре с другими программами моделирования)

Завершая, отметим, что выбор программы зависит от целей, опыта пользователя и бюджета. Рекомендуется попробовать бесплатные версии (если доступны) и выбрать ту, которая лучше всего подходит для конкретных нужд.

Список литературы:

1. 3D прототипирование [Электронный ресурс] / URL: https://www.ddmlab.ru/service/3d-prototyping/ (дата обращения: 12.12.2024)

2. 3D-прототипирование и его виды [Электронный ресурс] / URL: https://vektorus.ru/blog/chto-takoe-prototipirovanie-3d.html#tehnologii-bystrogo-prototipirovaniya (дата обращения: 12.12.2024)

3. Виды прототипов. Технология 3D-печати [Электронный ресурс] / URL: https://gym7-st.ru/wp-content/uploads/2024/07/ (дата обращения: 14.12.2024)

4. Почему 3D-прототипирование необходимо для разработки продукта? [Электронный ресурс] / URL: https://www.rapiddirect.com/ru/blog/3d-prototyping/ (дата обращения: 12.12.2024)

5. Что такое 3D прототипирование? [Электронный ресурс] / URL: https://inresheniya.ru/news/3d-prototipirovanie/ (дата обращения: 12.12.2024)

Код для цитирования: Скопировать