Исследовательская работа Тема: 3Д - моделирование

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа имени А. В. Суворова

посёлка Новостройка муниципального района имени Лазо

Хабаровского края

ТЕХНИЧЕСКОЕ НАПРАВЛЕНИЕ

Секция: робототехника

Исследовательская работа

Тема: 3Д - моделирование

Авторы работы:

Качисов Артем Денисович,

Левин Сергей Александрович,

ученики 6а класса

Руководитель:

Заозерова Оксана Владимировна,

учитель физики и математики высшей категории

п. Новостройка

2024г.

Содержание стр.

I. Введение………………………………………………………………………. 3

II. Основная часть………………………………………………………………...5

Часть 1. Исследовательская часть……………………………………………….5

1.1. Понятие 3Д-моделирования………………………………………………...5

1.2. История создания 3Д- моделирования…………………………………….6

1.3. Виды 3Д- моделирования…………….….…………………………………8

1.4. Технология 3Д-печати……………………………………………….…... 10

1.5. Применение трехмерного моделирования в современном мире……… 11

Часть 2. Практическая работа …………………………………………………14

2.1. Создание моделей в программе………………….….……………….….. 14

2.1.1. Возможности приложения BlenДer…………………………………….14

2.1.2. Интерфейс программы BlenДer………………………………………….15

2.1.3. Алгоритм создания модели………………………………………………15

2.2. Создание объектов с помощью 3Д-принтера………………………..…...17

2.3. Анкетирование учеников школы…………………………………………..19

III. Заключение………………………………………………………...……..… 20

IV. Литература……………………………………………………….………..…22

V. Приложение…………………………………………………….…………... 23

Введение

В наше время все большую популярность набирает компьютерная трехмерная графика, которая основывается на построении геометрической проекции трёхмерной модели объекта на плоскость с помощью специализированных программ, в которых можно создать точную копию предмета, а можно создать новый, реально не существующий, объект. С помощью 3Д-принтеров каждый человек сможет скачивать в Интернете и распечатывать или создавать предметы по собственному усмотрению.

Актуальность

Мы следим за прогрессом. В настоящее время 3Д-принтеры решают всё больше задач в абсолютно различных сферах жизни: промышленность, медицина, архитектурный дизайн, маркетинг, создание компьютерных игр, фильмов. Мы заинтересовались разработкой моделей с помощью компьютерной трехмерной графики: здесь соединяются многие науки, надо разбираться в информатике, физике, математике, биологии. При создании модели с помощью программы развиваются математические способности, исследовательские навыки, мышление, логика.

Проблема

Мы хотим изучать новые программы, создавать объекты, экспериментировать, решать сложные задачи, преодолевать неожиданные препятствия. Но не сможем этого сделать, если не будем изучать науки, в том числе программирование.

Цель нашего проекта: знакомство с возможностями 3Д-моделирования при создании трёхмерных компьютерных объектов.

Задачи:

изучить информацию о возможных методах 3Д-печати для их анализа и сравнения;

исследовать возможности различных программам компьютерной трехмерной графики;

разработать алгоритм для создания 3Д-модели;

создать реальные объемные тела.

Объект исследования: 3Д-принтер.

Предмет исследования: процесс создания 3Д-модели.

Гипотеза исследования: 3Д-моделирование не просто игра, а серьезное занятие, которое в дальнейшем может стать профессией.

Методы исследования, которые мы использовали для решения задач:

- сбор и изучение информации, сравнение различных технологий 3Д-печати;

- моделирование объекта;

- создание объектов с помощью 3Д-принтера;

- анкетирование учеников школы;

- анализ полученных данных.

Практическую значимость работы видим в предоставлении предметов для учителей математики, физики, технологии, на классных часах, во внеурочной деятельности. Этим мы привлечем интерес учеников нашей школы к современным технологиям, изучению программирования, развитию абстрактного мышления.

База исследования: деятельность сверстников на кружке «3Д-моделирование» в МБОУ СОШ п. Новостройка.

Результат исследования

Всего 3 месяца прошло, как мы посещаем кружок «3Д-моделирование», с воодушевлением программируем и создаем геометрические тела вместе с нашим преподавателем Оксаной Владимировной Заозеровой. Тела будут в помощь учителям на уроках при объяснении материала. Посмотрите, пожалуйста, это наша первая работа – геометрическое тело тор!

(Приложение 1).

Основная часть

Часть 1. Исследовательская часть

Понятие 3Д-моделирования

Компьютер — это самый удивительный инструмент, с каким я

когда-либо сталкивался. Это велосипед для нашего сознания.

Стив Джобс

3Д-моделирование - это процесс создания объемных моделей любых объектов, позволяющий максимально точно представить размер, форму, текстуру объекта, оценить внешний его вид и эргономику.

Для этого применяют специальные программные продукты визуализации и компьютер. Пространственное компьютерное моделирование развивается в таких областях человеческой деятельности, как медицина, промышленность, киноиндустрия, сферы маркетинга, конструкторское и архитектурное проектирование. С появлением 3Д-принтеров 3Д-моделирование получило мощный стимул к развитию. С помощью принтеров изготавливают дома, оружие, ювелирные украшения, игрушки и многое другое. Эта технология уже сегодня «печатает» ткани из живых клеток. Искусственные объекты уже делают нашу жизнь проще, комфортнее и доступнее, моделирование используется в различных направлениях человеческой деятельности: трехмерная визуализация в рекламе, фантастические фильмы, игры, компьютерная томография и протезирование, дизайн интерьера, проектирования технических изделий и многое другое.

3Д-моделирование – это «печать» объектов, которая позволяет избежать ошибок, найти правильное решение в сложных ситуациях, сэкономить время и деньги.

История создания 3Д- моделирования

Евклид, Виет, Декарт - древние и великие ученые и математики, с именами которых связаны история и научные открытия трехмерного моделирования (Приложение 2).

Виет создал формулы для нахождения корней квадратичного уравнения, что положило начало символьному анализу в алгебре, мы обозначаем неизвестные как x, y, z, а коэффициенты - a, b, c. Его формулы мы применяем в 3Д-моделировании.

Труды Евклида были использованы для создания 3Д-моделирования.

Основу алгебры и геометрии – функцию, двухмерную систему координат, декартово произведение – эти понятия известного ученого математика Декарта применяем в математике, программировании и в компьютерной 3Д-технологии. Густав Эйлер создал основы дифференциальной геометрии и аналитическую геометрию, это используется в работе с пространственными объектами.

Российские ученые 20 века: Борис Делоне разбил поверхности трехмерных объектов на так называемые полигоны, а Георгий Вороной создал для этого диаграмму, математическая составляющая которой и сейчас применяется в анализе данных при кластеризации объектов.

Графические 3Д-адаптеры используются в различных науках: химии, прикладной физике, нано-электронике, медицине: ученые моделируют процесс свертывания белков, изобретают лекарство от рака или болезни Альцгеймера.

3Д-печать - это «аддитивное» производство (additio – прибавление), при котором объекты строятся на основе цифровой модели за счет добавления необходимого материала слоями.

Американский ученый Чарльз Халл в 1983 году нанес смолу тонкими слоями один поверх другого, полученную форму закрепил ультрафиолетовым светом. Тысячи ультратонких слоев смолы наложил друг на друга и создал трехмерный объект. Так появился первый 3Д-принтер и все 3Д-принтеры работают на базе технологии Халла. Имя ученого занесли в списки Национального зала славы изобретателей США и считают его основателем 3Д-печати.

Эти интересные исторические факты мы получаем и используем на уроках информатики, математики и во время внеурочной деятельности «3Д-моделирование».

Виды 3Д-моделирования

Самыми простыми геометрическими 3Д-фигурами, с которых начинается обучение объемной геометрии, стали объемные тела – это фигуры, точки которых не находятся на одной плоскости.

К объемным геометрическим телам относятся: шар, конус, параллелепипед, цилиндр, пирамида и сфера. Их человек встречает в повседневной жизни в вещах, которыми он обычно пользуется (Приложение 3).

Различают три основных вида моделирования трехмерных объектов:

- полигональное,

- сплайновое,

- скульптуринг (Приложение 4).

1. Полигональное 3Д-моделирование – это классический вид моделирования, в основе ручной ввод координат X,Y,Z, с помощью данных координат определяются основные точки в пространстве (вершины), которые соединяются ребрами и создают многоугольники (грани) – полигоны, которые имеют свою уникальную текстуру, форму и цвет. Чем полигонов больше, тем более ограненный вид имеет объект. Основа модели – каркас, с его помощью можно редактировать изделие, вытягивать, передвигать, менять форму и т.д.

Применяют при проектировании фигур человека, растений, животных, при создании архитектурных форм зданий.

2. Сплайновое моделирование использует кривые для создания поверхности - сплайнового каркаса. Затем формируется трехмерная поверхность, которая и огибает этот каркас. Применяются такие поверхности для моделирования сложных объектов, которые не имеют граней: моделей автомобилей, людей, животных, растений, то есть сплайновое моделирование является более точным и при масштабировании (изменении размера) качество объекта не меняется.

3. Скульптуринг. Как скульптор с реальной глиной, пользователь при создании цифровой модели взаимодействует с объектом точно так же, виртуальный материал можно скручивать, сжимать, тянуть, толкать, пока не будет создана необходимая модель.

3Д-моделирование создает объемные объекты при помощи компьютерных программ, добавляет визуализацию в виде звука, видео и т.д.

Разнообразные виды моделирования широко используются в информационных технологиях, медицине, дизайне, архитектуре и других областях человеческой деятельности.

1.4. Технология 3Д-печати

Технологии 3Д-печати зависят от используемых материалов и метода нанесения слоев. Отличаются они качеством, трудоемкостью и стоимостью созданных предметов.

Стереолитография

Специальное вещество - фотополимер заливают в емкость с жидкостью. По команде компьютера лазерный луч начинает «рисовать» в этой жидкости изделие слой за слоем. Фотополимер в точке соприкосновения с лучом твердеет, формируя модель.

Порошковая печать

Спекание порошковых материалов – еще один метод 3Д-печати. Слои модели вычерчиваются тонким слоем порошкообразного материала и спекаются под воздействием лазера, платформа опускается, и наносится новый слой порошка. Так повторяется до получения цельной модели.

Ламинирование

Лазерным лучом или специальным лезвием тонкие листы материала разрезаются, а потом соединяются между собой для создания модели. В качестве материала может использоваться пластик, бумага, керамика или металл.

Послойное наплавление

Для изготовления очередного слоя материал, чаще всего пластик, нагревается в печатающей головке до полужидкого состояния и выдавливается в виде нити на предыдущем слое, соединяясь с ним. Головка перемещается, постепенно «рисуя» каждый новый слой.

Так как наш 3Д-принтер FLASHFORGE основан на этой технологии, то для эксперимента мы остановились именно на этом виде 3Д-печати.

1.5. Применение трёхмерного моделирования в современном мире

3Д-моделирование - это проектирование трёхмерной модели по определённому чертежу с помощью специализированных компьютерных программ. Наличие 3Д-принтера выводит моделирование на новый уровень, позволяя создавать необходимые человеку предметы для использования в различных направлениях человеческой деятельности (Приложение 5).

Реклама и маркетинг

Маркетологи используют 3Д-визуализацию объектов, создавая анимационные рекламные ролики для привлечения внимания потребителей. Говорящие продукты питания, узоры, любимые зверушки в считанные мгновения появляются на стенках рекламируемого гаджета. Преимущества использования трехмерной визуализации в рекламе:

-3Д-объект выглядит более привлекательно, чем в реальной жизни, лучше передает качества предлагаемого продукта;

-создание вымышленных героев;

-создание макета рекламного баннера и его заблаговременный просмотр.

Кинематограф, анимация, компьютерные игры

Современному человеку уже не представить любимую игру без трехмерных персонажей, а очередной фильм без 3Д-графики.

3Д-визуализация - процесс создания вымышленного или максимально приближенного к реальности объемного изображения. Главное преимущество трехмерной визуализации состоит в создании макетов впечатляющих образов, удивительных картин и замысловатых персонажей, которые только может вообразить человек. Можно создавать объекты любых форм и размеров, экспериментировать с цветами, изменять, трансформировать. Возможности данной технологии неограниченны.

Процесс создания визуальной модели объекта в этой сфере состоит из нескольких этапов:

Моделирование: создание 3Д-объектов.

Текстурирование: нанесение текстур на трехмерную модель.

Риггинг: создание «виртуального» скелета будущего персонажа.

Анимация: «оживление» трехмерной модели.

Рендеринг: переформатирование графической модели в запись.

Композитинг: вставка персонажа в кадр или сцену, добавление спецэффектов, устранение дефектов и т.д.

Медицина

Кроме развлечений 3Д-моделирование применяют в медицинских целях, это компьютерная томография и протезирование. Сканирование в 3Д-формате помогает обнаруживать дефекты тканей, органов, которые не проявляются при применении других обследований, выявлять проблемные больные органы, проводить серьезные медицинские операции.

3Д-протезирование позволяет создать имплантат с заданными параметрами, смоделировать слуховые аппараты, протезы конечностей, создать искусственный сердечный клапан.

Архитектура, строительство, дизайн интерьера

3Д-визуализация дома - важный этап перед началом строительных работ. Данная технология позволяет посмотреть на готовый объект, при необходимости внести изменения.

При создании дизайна интерьера также используется трехмерная визуализация, здесь каждая деталь представляется в виде объемных изображений.

Без 3Д-моделирования не обходится презентация проекта по ландшафтному или внутреннему дизайну помещения. Это позволяет заказчику и дизайнеру просмотреть каждую деталь проекта под разными углами.

Наука и промышленность

Для проектирования технических изделий также применяется 3Д-моделирование, при котором создается визуализация объекта, максимально приближенного к реальному устройству, можно оценить его наглядно. Трехмерная модель будущего механизма облегчает и ускоряет работу инженера-конструктора, избавляя его от процесса черчения.

При заказе необычного дизайна бытовых предметов процесс визуализации помогает продемонстрировать дизайнерское решение.

В наше время повышается уровень востребованности 3Д-технологий, они развиваются, усложняются и все больше внедряются в нашу повседневную жизнь. Трехмерное моделирование позволяет создать модель, максимально приближенную к реальности, детализировать его, исправить все недочеты модели.

Часть 2. Практическая работа

2.1. Создание моделей в программе

Мы заинтересовались созданием моделей с помощью пакета Blender.

Это не случайно.

Трёхмерное изображение на плоскости отличается от двухмерного тем, что включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость с помощью специализированных программ. Blender — свободный, профессиональный пакет для создания трёхмерной компьютерной графики, включающий средства моделирования, анимации, рендеринга, постобработки и монтажа видео со звуком, компоновки с помощью «узлов» (Node Compositing), создания интерактивных игр. В настоящее время пользуется большой популярностью среди бесплатных 3Д-редакторов в связи с его быстрым развитием и небольшим размером.

Возможности приложения BlenДer

3Д моделирование. Доступно проектирование объектов на основе полигонов, примитивов, кривых Безье, NURBS-кривых, булевых операций, SubДivision Surface и инструментов для скульптуринга.

Анимация. Используются такие инструменты, как анимация по ключевым кадрам, скелетная анимация, сеточная деформация, инверсная кинематика, ограничители, редактирование весовых коэффициентов вершин.

Текстурирование и наборы шейдеров. Программа оснащена рядом инструментов для текстурирования и позволяет накладывать несколько текстур на один объект.

Возможность рисования. Можно создавать наброски различными типами кистей прямо в окне приложения.

Визуализация. Есть несколько встроенных инструментов визуализации, а также интеграция с различными внешними рендерами.

Скульптуринг. Включается в специальном режиме Sculpt MoДe.

Игровой движок. Применяется для создания интерактивных 3Д-приложений.

3Д-печать. BlenДer адаптирован для 3Д-печати. В нем есть плагин для теста модели на пригодность к печати, а также импорт в формат STL и OBJ.

Сохранение. Может сохранять модели в общепринятом формате «.stl».

Интерфейс программы BlenДer

Окно приложения BlenДer (Приложение 6) настраивается в зависимости от выполняемых задач и предпочтений пользователя. Можно менять настройки: кроме обычных клавиш использовать NumpaД или пользоваться кнопками в интерфейсе.

Окно приложения разделено на 4 области. Их количество и размер меняются. Можно создавать свои вкладки, переименовывать как их, так и существующие, настраивать области по своему усмотрению.

Алгоритм создания модели

1. На сцене приложения BlenДer создать кольцо (Приложение 7): в верхней строке меню Add → Mesh → Torus.

2. После появления кольца открыть окно слева внизу Add Torus и сделать настройки размера и количества слоев, так как после щелчка мыши к этим настройкам уже не вернутся.

3. Поверхность модели остается угловатой, надо ее сгладить. Tab → правая клавиша мышки → Shade Smooth.

4. Сохранить макет модели.

5. Перенести макет в компьютерную программу FlashPrint 5, которая совместима с нашим 3Д-принтером.

6. Настроить скорость и температуру печати, все! Нажать «Пуск»!

Мы научились создавать модели с помощью компьютерной программы Blender – лучшей из тех, что мы изучили. Программу Blender можно скачать бесплатно с сайта www.blender.org.

2.2. Создание объектов с помощью 3Д-принтера

3Д-принтер - инструмент развития робототехники – это специальное устройство для вывода трехмерных данных. Создает заданные физические объекты.

3Д-принтер FLASHFORGE, который мы используем (Приложение 8), имеет несколько полезных функций:

Поддержка разных типов пластика: современные модели поддерживают как ABS, так и PLA пластики, которые могут использоваться для разных задач. Печатающая головка принтера автоматически нагревается до нужной температуры при выборе определенного типа пластика.

Наличие дисплея является неотъемлемой опцией для 3Д-принтеров, поддерживающих разные типы пластиков, с его помощью легко следить за состоянием нагрева, контролировать процесс изготовления детали.

Возможность регулировки скорости подачи пластика особенно актуальна, чтобы объекты получались аккуратными.

Функция режима «Стоп» весьма полезна, когда нужно сделать короткий перерыв в работе и оставить принтер без присмотра.

Работа должна приносить пользу, поэтому мы начали с создания самых простых геометрических 3Д-фигур. Они помогут учителям нашей школы при объяснении нового материала на уроках. Объемной называется фигура, точки которой не находятся на одной плоскости.

К объемным геометрическим телам относятся: шар, конус, параллелепипед, цилиндр, пирамида и сфера. В процессе работы с приложением BlenДer мы самостоятельно изучили и приобрели навыки работы в 3Д-редакторе BlenДer, разработали удобный алгоритм создания 3Д-модели. Программа позволяет несколько простых фигур (например, шар, куб, цилиндр) изменять и объединять в один сложный объект, сохраненные файлы можно переносить и открывать в других программах и на других компьютерах. Этим мы и воспользовались, так как в нашей школе есть 3Д-принтер FLASHFORGE, он совместился только с компьютерной программой FlashPrint 5, у которой меньше возможностей, чем в BlenДer.

Свой эксперимент мы провели во время внеурочной деятельности «3Д-моделирование». Принтер работает по технологии послойного наплавления пластика, у нас заправлена пластиковая нить белого цвета. После загрузки с компьютера в принтер цифровой модели тора, принтер начал его печать. И вот он, наш тор! (Приложение 9).

Немного огорчает тот факт, что принтер печатает только одним цветом, это очень ограничивает возможности нашего творчества.

Мы учимся печатать различные объекты. Занимаясь 3Д-моделированием, развиваем свои навыки информатики, математики, физики, технологии, творческие способности.

2.3. Анкетирование учеников школы

Мы решили узнать, насколько новая технология уже вошла в жизнь каждого, и провели опрос, в котором приняли участие 57 учеников нашей школы (Приложение 10).

Первый вопрос. «Вы видели, как печатает 3Д-принтер?» Результаты ответов показали, что две трети школьников знают о 3Д-печати и видели, как происходит печать.

Второй вопрос. «Держали ли Вы когда-нибудь в руках вещь, напечатанную на 3Д-принтере?» Три четверти школьников никогда не держали в руках результат 3Д-печати. Значит, знакомство с технологией все-таки больше теоретическое.

Более половины опрошенных ребят хотели бы изучать 3Д-моделирование и меньше одной десятой, кому это не интересно.

Желание иметь возможность самим печатать необходимые вещи подтверждается тем, что три четверти опрошенных считают, что в будущем 3Д-принтеры появятся в каждом доме.

Результаты анкетирования ребят подтверждают актуальность выбранной нами деятельности.

III. Заключение

Промышленность, медицина, архитектурный дизайн, маркетинг, создание компьютерных игр, фильмов… В настоящее время 3Д-принтеры решают всё больше задач в абсолютно различных сферах жизни. При разработке моделей с помощью компьютерной трехмерной графики соединяются многие науки: информатика, физика, математика, биология, развиваются исследовательские навыки, мышление, логика.

Мы познакомились с возможностями 3Д-моделирования при создании трёхмерных компьютерных объектов. Для этого изучили информацию о возможных методах 3Д-печати, исследовали возможности различных программам, разработали алгоритм для создания 3Д-модели и создали реальные объемные тела. Результат: 3Д-модели и умение работать в различных программах трехмерной графики.

В ходе исследования убедились, что 3Д-моделирование - очень интересный, увлекательный и познавательный процесс. Над созданием объектов трудятся настоящие программисты, но каждый школьник может придумать свой объект.

Свои компьютерные модели мы представляем одноклассникам на уроках математики, физики, технологии, на классных часах, во внеурочной деятельности, этим привлекаем их интерес к современным технологиям, изучению программирования, развитию абстрактного мышления.

Многие ребята нашей школы заинтересовались 3Д-моделированием, приходят к нам на занятия внеурочной деятельностью, где мы под руководством преподавателя Оксаны Владимировны Заозеровой демонстрируем возможности компьютерных программ. Учитель-психолог Ольга Владимировна Гаврилова сделала заказ на мелкие фигуры для занятий с детьми, учитель математики Ольга Валентиновна Грибова ждет геометрические тела, также планируем для полезного проведения времени на оздоровительных школьных площадках сделать шахматные фигурки.

За 3Д-моделированием наше будущее, это перспективное направление прогресса человечества. Уверены, что наше увлечение станет будущей профессией, и даже если нет, то навыки, приобретенные на занятиях 3Д-моделирования, пригодятся нам в дальнейшем и в учебе, и в работе.

В нашей школе уже существует «3Д-моделирование», как внеурочная деятельность. Мы считаем, такие занятия нужно ввести в каждой школе, они очень полезны, ведь за программистами, инженерами, технологами - будущее нашей страны.

В ходе исследовательской работы мы многое узнали о технологии 3Д-печати, о ее видах. Освоили программу 3Д-моделирования BlenДer и, конечно, было очень интересно узнать мнение сверстников о возможностях 3Д-печати.

Однако осталось ещё много неизученного, например, об опасностях 3Д-печати запрещенных предметов (оружия), создание 3Д-мультика. Поэтому мы планируем продолжать исследовать эту тему, а также создать страницу на сайте нашей школы для демонстрации и обмена опытом с ребятами других школ.

IV. Литература

История 3 D геометрии // URL: https://www.hse.ru/news/communication/150125816.html

3D моделирование // URL: https://proudalenku.ru/3d-modelirovanie/

Области применения 3D модели // https://3d-stl.store/articles/stati_12.html

Области применения 3D-технологий в современном мире //URL: https://ucvt.org/blog/oblasti-primeneniya-3d-tehnologij-v-sovremennom-mire

Программы, технологии и процесс 3D-моделирования//URL: https://stankiexpert.ru/tehnologii/3d-modelirovanie.html

Мини-курс «Blender для новичков». [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://www.youtube.com/watch?v=5KY7PXalXKU.