Основы компьютерной графики: 3D-моделирование и 3D-печать

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное 

образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

В. В. ЛИСЯК

ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ:

3D-МОДЕЛИРОВАНИЕ И 3D-ПЕЧАТЬ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2021 

 

УДК 004.415.2(075.8)
ББК 32.973(Я73)

Л639 
Печатается по решению кафедры систем автоматизированного 

проектирования Института компьютерных технологий 

и информационной безопасности Южного федерального университета

(протокол № 6 от 21 января 2021 г.)

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор кафедры естествознания 

и безопасности жизнедеятельности

Таганрогского института им. А. П. Чехова (филиал) 

ФГБОУ ВО «РГЭУ (РИНХ) В. И. Божич

кандидат технических наук, доцент кафедры системного анализа 

и телекоммуникаций Института компьютерных технологий 

и информационной безопасности ЮФУ С. А. Кучеров

Лисяк, В. В.

Л639
Основы компьютерной графики: 3D-моделирование и 3D-печать : 

учебное пособие / В. В. Лисяк ; Южный федеральный университет. –
Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2021. – 109 с.

ISBN 978-5-9275-3825-6
В пособии рассмотрены категории 3D-принтеров, их производители и 

современные технологии 3D-печати. Представлен материал по методам и 
средствам создания 3D-моделей произвольных объектов и приводится аналитический обзор современного доступного программного обеспечения, 
обеспечивающего решение задачи создания 3D-моделей.

Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения 

по направлениям «Информатика и вычислительная техника», «Информационные системы и технологии» и «Прикладная информатика».

УДК 004.415.2(075.8)

ББК 32.973(Я73)

ISBN 978-5-9275-3825-6

© Южный федеральный университет, 2021
© Лисяк В. В., 2021 
© Оформление. Макет. Издательство 

Южного федерального университета, 2021

 

 

Предисловие

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Фактически всё, что будет рассмотрено в учебном пособии, можно

назвать прототипированием. Прототипирование (Prototyping) – процесс
создания физического объекта при помощи 3D-принтеров методом послойного нанесения его структуры в соответствии с математической моделью. Процесс образования объекта предполагает поэтапное наращивание материала до получения готового изделия. Технология быстрого,
полного прототипирования снимает все ограничения относительно внутренней структуры объекта. Благодаря точности 3D-принтеров и совершенства программ создания модели объекта, все компоненты будущего
изделия будут расположены по заданным координатам.

В настоящее время 3D-печать является довольно распространен
ным способом печати моделей различной структуры и сложности.

Одной из важнейших составляющих процесса трёхмерной печати,

являются программы подготовки и создания моделей объектов печати.

В этом разделе приводится краткий обзор программ 3D-модели
рования, которые могут удовлетворить как новичков, интересующихся
3D-графикой, так и профессионалов в этой области. При этом надо понимать, что для создания модели требуемого качества, иногда возникает
необходимость использования ряда программ.

Подготовка модели к печати на 3D-принтере ответственный про
цесс, который связан с применением, по крайней мере, двух разных программ. Одной из них является программа создания модели объекта печати, результат работы которой, как правило, хранится в формате STL. Второй обязательной программой является программа, которая транслирует
описание модели в STL-файле в язык управления 3D-принтером. Так как
принтер печатает объект послойно, то в созданной модели объекта необходимо выделить такие слои или, как говорят, нарезать модель на слои.
Эту задачу и решает вторая программа, которая называется слайсером.
Подготовленный слайсером код передаётся в принтер специальной программой, которая также отслеживает процесс изготовления объекта в реальном времени.

При выборе программного обеспечения, наиболее подходящего под

задачи пользователя, необходимо хорошо ориентироваться в предметной

 

Предисловие

4

области и знать базовые функции и возможности 3D-программ, которые
обязательно предусматривают наличие следующих средств:

•
создания трёхмерной модели сцены и объектов в ней;

•
рендеринга (визуализации);

•
обработка и редактирование изображений;

•
вывода изображений на поверхность визуализации.

В настоящее время на рынке программного обеспечения 3D-графи
ки существует множество программ трёхмерного моделирования с разнообразными возможностями.

 

1.1. Чарльз Халл – соучредитель 3D-Systems

5

1. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ  3D-ПЕЧАТИ

Материал раздела знакомит с историей появления и развития трёх
мерной печати, а также приводится, возможно, спорный прогноз будущего развития этого направления в аддитивном производстве. При подготовке материала раздела использовались источники [1–4].

1.1. Чарльз Халл – соучредитель 3D-Systems

Первый 3D-принтер изобретён американцем Чарльзом Халом и это

изобретение имело настолько большие последствия для развития в производстве новых технологий, что стоит познакомиться с личностью Халла.

Чарльз Халл – соучредитель, исполнитель
ный вице-президент и главный директор по технологиям компании 3D-Systems. В 1984 г. запатентовал аппарат для стереолитографии. Родился в
1939 г. в США.

Экономический кризис 1980-х гг. заставил

предприятия искать новые технологии, и становилось понятно, что будущее связано с компьютеризацией производства. Необходимы были специа
листы, способные соединить IT-технологии и конвейерное производство.

В 1983 г. Чарльз Халл работал в компании Ultraviolet Products

(UVP), где занимал должность вице-президента по разработкам. Компания ориентировалась на производство ламп, оборудования и разработку
светочувствительных полимеров. Разработки UVP применялись, например, в мебельном производстве и позволяли заменить лаки и краски для
дерева на полимеры, которыми покрывали деревянный материал с последующим его отвердением под действием ультрафиолета. В результате
получалось прочное пластиковое покрытие с успехом, заменяющее деревянный шпон.

Однажды Халлу пришла мысль, что можно наносить не один слой

полимера, а несколько, последовательно воздействуя на них ульрафиолетом
под управлением компьютера. Тогда можно сформировать пластиковое

 

1. История создания 3D-печати

6

покрытие произвольной формы. Так родилась идея, благодаря которой в
дальнейшем был совмещён процесс компьютерного моделирования и фотохимии. Эта идея захватила Халла и он интенсивно конструировал оборудование, анализировал полимеры и писал компьютерные программы.

Спустя несколько месяцев пришла первая удача – наконец появил
ся рабочий вариант установки, в которой ультрафиолетовая лампа освещала емкость с фотополимером. Компьютерный код Халл написал самостоятельно, поэтому первые изделия были простой формы. 9 марта 1983 г.
считается датой рождения 3D-печати. В этот день устройство за 45 минут
«жужжания» произвело небольшую чашу, которую Халл держал в руке и
говорил – «У меня получилось, теперь мир никогда не будет прежним».

Халл работал по технологии стереолитографии (SLA). Его доволь
но габаритный принтер печатал трёхмерную деталь в процессе нанесения
фотополимерного материала на подвижную платформу. При этом ключевой информацией для реализации процесса являлась цифровая 3D-модель
детали. Подвижная платформа поднималась на 0,1–0,2 мм, наносился новый слой полимера, затем слой облучался ультрафиолетовой лампой и
процесс повторялся до готовности изделия.

Год спустя Халл получил патент США под названием «Аппарат для

создания трёхмерных объектов с помощью стереолитографии», который
был зарегистрирован 8 августа 1984 г. В патенте стереолитография была
описана как технология создания твёрдых предметов с помощью последовательной печати и обработкой ультрафиолетом тонких слоев материала.
Автором разработки в патенте был Халл, но правообладателем изобретения была компания UVP. Свое изобретение Халл назвал стереолитографией, так как хотел, чтобы название включало термин «литография», как
синоним печати, и греческое слово «стерео», что означает «пространственный». Тогда он просто сложил два этих слова в одно.

В 1986 г. Халл и президент UVP зарегистрировали первую компанию

по производству 3D-принтеров и назвали её 3D-Systems, а уже в 1987 г. был
изготовлен первый серийный 3D-принтер под названием SLA-1.

Позднее Халл распространил свой метод и на любые затвердеваю
щие материалы и запатентовал еще много новых решений и технологий, в
том числе новый формат данных STL для цифровых моделей. Однако
настоящий успех изобретение 3D-печати получило позже, уже в XXI в.

1.3. Скотт Крамп – создатель метода послойного наплавления

7

В настоящее время компания 3D-Systems является крупнейшим

мировым производителем 3D-принтеров, а Чарлз Халл продолжает трудиться в ней, совмещая должности исполнительного вице-президента и
главного инженера. В 2014 г. Халл вошел в Национальный зал славы
изобретателей США, встав в один ряд с Генри Фордом, Никола Тесла и
братьями Райт.

1.2. Карл Декард – создатель метода

селективного лазерного спекания

В 1986 г., когда Халл зарегистрировал компанию 3D-Systems по

производству 3D-принтеров, Карл Декард изобрёл метод селективного
лазерного спекания (SLS).

Карл Роберт Декард – доктор философии, док
тор медицинских наук, американский изобретатель.

Широкую известность приобрёл за разработку

метода селективного лазерного спекания в 3D-печати. Умер в возрасте 58 лет в 2019 г.

Подробнее с методом SLS познакомимся в раз
деле «Технологии 3D-печати». Кратко разработанный
Декартом процесс заключается в следующем. В процессе используется лазерный луч, который спекает

расходный материал в виде порошка, например пластика или металла. При
этом порошок разогревается в рабочей камере почти до температуры плавления. После спекания слоя рабочая поверхность камеры опускается на
0,1–0,2 мм, наноситься очередной слой порошка, который выравнивается
и спекается лазером. Далее процесс повторяется до готовности изделия.

1.3. Скотт Крамп – создатель метода послойного наплавления

В настоящее время наиболее применяемой технологией трёхмерной

печати является послойное наплавление (fused deposition modeling, FDM).
FDM-технологию изобрёл и развил Скотт Крамп. В 1988 г. он получил на
неё патент.

1. История создания 3D-печати

8

С. Скотт Крамп – изобретатель технологии по
слойного наплавления (FDM). Вместе со своей женой
и соучредителем Лизой Крамп в 1989 г. основал компанию Stratasys, Ltd..

Подробнее с методом FDM познакомимся в раз
деле «Технологии 3D-печати». Кратко разработанный
Крампом процесс заключается в следующем.

Печать с использованием FDM-технологии ос
нована на формировании слоёв изделия посредством

выдавливания (экструзии) расходного материала, например термопластика, из печатного блока (экструдера). Позиционирование экструдера выполняется в трёх плоскостях за счёт использования высокоточных шаговых двигателей. Управление перемещением экструдера осуществляется
соответствующим программным обеспечением.

Упомянутые выше 3D-принтеры являлись промышленными доро
гостоящими устройствами, например, одни из первых принтеров стоили
от 50 до 220 тыс. долл. Поэтому примерно до 2005 г. о них знал лишь немногочисленный круг специалистов. Необходимо было что-то предпринимать для вывода трёхмерной печати на коммерческий уровень.

Для решения этой задачи в 2006 г. был создан проект под названи
ем RepRap (Replicating Rapid Prototyper), что можно перевести, как самовоспроизводящийся механизм для быстрого изготовления прототипов.
Целью проекта была разработка самокопирующего 3D-принтера, функционирующего по технологии FDM (послойное наплавление) и имеющего
открытый код программного обеспечения. Предполагалось, что самокопируемость и открытость программного кода дадут мощный толчок в развитии коммерческого успеха 3D-печати.

Основателем проекта RepRap является Адриан Боуер – преподава
тель из Великобритании. Боуер в этот технический проект заложил философскую концепцию, которую сам характеризовал как «дарвиновский
марксизм». Со словом марксизм ассоциировалось положение Маркса о
том, что каждый человек должен владеть средствами производства. Поэтому проект RepRap можно назвать не революционной (не насильственной) передачей народу индивидуальных средств производства. С понятием «дарвинизм» Боуер связывал процесс, когда любой владелец может

1.3. Скотт Крамп – создатель метода послойного наплавления

9

менять конструкцию устройства и предлагать её, как вариант. При этом
хорошие варианты будут «выживать», а неудачные исчезать, т.е. виден
подход Дарвина.

Разработки RepRap обычно требуют лицензирования, поэтому поль
зователь имеет правовую основу для копирования, модификации и распространения разработки. Таким образом, в качестве основной цели проекта
RepRap являлось широкое внедрение аддитивных технологий с максимальным вовлечением индивидуальных пользователей в процесс производства.
Так появились доступные рядовому пользователю 3D-принтеры со стоимостью от 500 долл. и открытым программным кодом. При этом компании
уделяли особое внимание рабочим характеристикам, дизайну и цене
принтеров.

В плане продвижения идей RepRap прежде всего отметим компа
нию MakerBot. Их лучшим принтером до сих пор остаётся модель
MakerBot Replicator 2, несмотря на выпуск ещё в 2012 г. Эта модель является практически законченным коммерческим продуктом. Однако со временем компания MakerBot пересмотрела свою концепцию и отказалась от
принципа открытости программного кода. Одновременно с продвижением
на рынок принтеров компания MakerBot работала над созданием бесплатного ресурса Thingiverse, который состоял из библиотеки, включающей
множество моделей для трёхмерной печати.

Отметим также компанию Formlabs, которая в числе первых выпус
кала доступный принтер для технологии SLA (стререолитография). На
свою первую модель принтера Formlabs привлекала деньги за счёт
краудфандинга. Это один из методов привлечения денег на проект посредством специальных интернет-площадок. При этом привлечь деньги можно в
долг, либо в обмен на долю в будущей прибыли или при определённом везении получить их безвозмездно. Таким образом, компании удалось создать
доступный и производительный 3D-принтер и повысить его качество.

В настоящее время планомерно повышается качество принтеров,

работающих по технологиям FDM и SLA, но при этом их стоимость
также возрастает. Многие компании совершенствуют технологии спекания порошков (SLS) и печати металлом. Вместе с совершенствованием
технических средств и технологий проводятся исследования в области
расходных материалов. Сегодня наряду со стандартными пластиками

1. История создания 3D-печати

10

(ABS и PLA) применяются прочные и тугоплавкие материалы, такие как
карбон и другие.

Современные персональные 3D-принтеры по многим параметрам

догоняют профессиональные принтеры. Кроме родоначальников трёхмерной печати (Stratasys, 3Dsystems) сегодня на рынке промышленной
3D-печати работают много мелких и несколько крупных корпораций.

Особенно успешно в этом направлении развивается всемирно из
вестная компания Hewlett-Packard, которая создала модель HP Jet Fusion
3D 4200 (рис.1), ставшую «хитом» в профессиональном сообществе. Этот
принтер от аналогичных моделей других производителей отличает повышенная практически на порядок скорость печати (4500 мм/час). При этом
возможна печать очень прочных и точных изделий с относительно низкой
себестоимости печати. Такие высокие характеристики были достигнуты в
результате применения специально разработанной технологии Multi Jet
Fusion (MJF) – многоструйное сплавление.

Рис. 1.1. Модель HP Jet Fusion 3D 4200

Однако одним из главных недостатков трёхмерной печати всё-таки

продолжала оставаться невысокая скорость печати изделий.

1.4. Джозеф ДеСимон – основатель компании Carbon

Значительное повышение скорости печати связано с появлением

технологии CLIP компанией CARBON, поднявшей 3D-печать на качественно новый уровень. Работающие по этой технологии принтеры компании могут производить модели в 100 раз быстрее по сравнению с классической технологией SLA. Создателем и руководителем работ по продвижению технологии CLIP является Джозеф ДеСимон.