За последнее десятилетие цифровые технологии шагнули далеко вперед. Сегодня изготовление различных промышленных предметов стало возможным не только в заводских условиях, но и дома, благодаря трехмерной печати, которая активно входит в обычную жизнь. Не смотря на то, что 3D принтеры появились совсем недавно, они находят все более широкую сферу применения: техника, быт, получение композитных материалов, медицина и т.д. Такое активное развитие технологии трехмерной печати получили не только благодаря появлению доступных для персонального использования 3D принтеров, но и в связи с появлением легких в освоении сред трехмерного моделирования, позволяющих получать на экране модели объектов любого уровня сложности [2].
В рамках исследования был проведён сравнительный анализ популярных сред для создания 3D моделей. Практически все широко распространенные 3D редакторы используют метод полигонального моделирования (рис. 1). Суть метода заключается в том, что создание модели происходит путем изменения количества, форм и размера полигонов (плоских выпуклых многоугольников). Данный метод позволяет быстро получать требуемую модель, но при этом пользователь не задумывается над тем, по каким закономерностям происходит ее формирование, а также нет возможности получать модели, обладающие определенными визуальными эффектами.
Рис. 1
В противовес полигональному разработан метод параметрического моделирования, позволяющий с помощью математической модели наилучшим образом создать объект идеальной формы и размера, на основе технологии CSG или экструзии. Параметрическое моделирование, несмотря на кажущуюся сложность находит все большее распространение среди инженеров, специалистов и дизайнеров. Вместе с тем, следует отметить, практически полное отсутствие литературных и электронных ресурсов по вопросам параметрического моделированиz. Это и определяет актуальность данного исследования.
На общем фоне 3D редакторов выделяется среда OpenSCAD, процесс создания модели в которой кардинально отличается от остальных. Она обладает хорошей математической базой что позволяет применять метод параметрического моделирования. Параметрическое моделирования – это процесс построения модели, основанный на принципах структурированного программирования, когда построение модели выполняется на основе математических закономерностей, при использовании одной или нескольких базовых параметров. Использование параметров при моделировании, делает модель более гибкой и универсальной, что дает возможность поменяв лишь значения параметра изменить геометрию или размеры модели не нарушая ее пропорции [1].
Пример скрипта модели:
Рис. 2
Кроме переменных, параметрическое моделирование предполагает возможность использования функций. Функция в данном случае – это вычислительный оператор. Для ее создания необходимо описать сигнатуру. Математические функции расширяют возможности моделирования, позволяют описывать сложные математические модели не большим по объему скриптом.
Следующая составляющая параметрического моделирования – модуль – это функционально законченный поименованный фрагмент программы, предназначенный для многократного использования. Модули позволяют разбивать сложные задачи на более мелкие, и простые. Если в модели есть повторяющиеся фрагменты, то вместо того, чтобы копировать/вставить текст скрипта каждого фрагмента, в OpenSCAD удобнее эти фрагменты представить один раз в виде модуля, и при необходимости многократно использовать. С точки зрения теории программирования Модуль представляет собой подпрограмму-процедуру [1]. Поэтому имя модуля работает как оператор, который можно вызвать в нужный момент.
Пример скрипта модели приведен на рис. 3.
При этом пользователь может значительно расширять возможности среды OpenSCAD, определяя свои собственные модули и функции. Это позволяет группировать части скрипта для легкого повторного использования с разными значениями.
Рис. 3
Пример скрипта модели:
Рис. 4
Также в среде есть возможность использования и создания библиотек. Библиотека – это хранилище компонентов, которые могут быть использованы для построения модели. Они позволяют использовать ранее разработанные проекты для новых моделей [3].
Самой известной встроенной библиотекой в OpenSCAD является библиотека MCAD. Она содержит компоненты, используемые при проектировании механических конструкций. Библиотека является открытой, распространяется под лицензией LGPL 2.1, поэтому может пополняться всеми желающими. Для ее использования при проектировании своих моделей достаточно в скрипте указать:
use <MCAD/filename.scad>;
или
include <MCAD/filename.scad>;
Кроме этого, при построении моделей можно использовать стандартные алгоритмические конструкции: ветвления и циклы. Как показывает практика, при моделировании наиболее часто используются повторяющиеся (циклические) компоненты. Используемые при моделировании циклы бывают регулярными и итеративными [3]. В среде OpenSCAD базовой алгоритмической конструкцией является регулярный цикл, позволяющий создавать 3D модели с регулярными структурами.
Пример скрипта модели:
Рис. 5
Помимо создания отдельных экземпляров для каждого повторения цикла, OpenSCAD позволяет получить объект, который представляет собой общую часть всех объектов, полученных в цикле. Ниже представлены иллюстрации вариантов использования циклов (рис. 6, 7).
Таким образом, использование параметрического подхода в моделировании 3D объектов значительно сокращает процесс их построения и позволяет легко модифицировать, а также многократно повторно использовать имеющиеся наработки.
Рис. 6
Рис. 7
Таким образом, небольшие по объему скрипты при использовании параметрического подхода позволяют моделировать геометрически сложные объекты, а так же их легко модифицировать, получая целое семейство подобных моделей.