3D w 360 czyli jak w pełnym zakresie pracować z nowymi technologiami - Lekcja 1

3D w 360 czyli jak w pełnym zakresie pracować z nowymi technologiami - Lekcja 1
Technologie 3D to nie tylko coraz bardziej popularny druk filamentowy (opisywany szczegółowo wraz z budową drukarki w "Młodym Techniku", począwszy od numeru 9/2015), ale także wiele innych procesów, w których wykorzystuje się obrabiarki numeryczne, czyli CNC (Computerized Numerical Control). Aby uzyskać tu realny obiekt (przestrzenny wydruk, frezowany element, prototyp, autorski model), konieczne jest komputerowe opracowanie go w trójwymiarze. Do tego nie wystarczy już bezpośrednio rysunek na płaszczyźnie czy mapa bitowa - tu trzeba orientować się w 3D! Na początek zatem o tym, jak zacząć - bez zbędnego stresu i niepotrzebnych wydatków. To pierwsza z sześciu lekcji. Dzięki niej będzie można wykonać wiele projektów, dostosowanych precyzyjnie do własnych potrzeb.

Początki CNC

Pierwszymi w dziejach maszynami sterowanymi za pomocą programu były wynalezione w 1805 r. przez Josepha Marie Jacquarda krosna. Otwory w odpowiednich miejscach papierowej karty („pamięci”) kierowały zaczepami, wybierającymi nitki osnowy w wybranym kolorze dla danego wzoru na tkaninie. Maszyny te wkrótce stały się tak popularne, że ich twórca mógł cieszyć się zasłużoną sławą i uznaniem.

Umiejętności nabyte dzięki tej lekcji przydadzą się nie tylko w przypadku użytkowania własnoręcznie wykonanych ploterów CNC o trzech osiach (fot. Raiden)

Za początek technologii CNC przyjmuje się jednak rok 1952, kiedy to w USA została uruchomiona pierwsza komercyjna maszyna CNC - ciekawe, że nadal nośnikiem danych były perforowane, papierowe karty! Rozwój technologii przyspieszył czterdzieści lat temu, gdy "dziurawe bazy danych" zastąpiono mikrokomputerami - początkowo zewnętrznymi, a później wbudowanymi w maszyny. Gdy wbudowana pamięć jest niewystarczająca do obsługi procesów, stosuje się tak naprawdę technologię DNC (Direct Numerical Control), czyli sterowanie obrabiarką za pomocą zewnętrznych komputerów (choć zwykle używa się jednak ogólnego terminu CNC).

Druk w trójwymiarze pierwszy raz pojawił się w 1986 r., za sprawą Charlesa Hulla. Jednak dopiero kilka lat temu dotarł do takiego etapu swojego rozwoju, w którym stał się rzeczywiście powszechnie dostępny. Z każdym rokiem ceny drukarek spadają, przy jednoczesnym ulepszaniu samej technologii. Wpływa to na szybki rozwój społeczności 3D oraz na jakość i różnorodność tworzonych projektów. Parafrazując klasyka, można powiedzieć, że 3D trafiło pod strzechy!

Obróbka CNC pozwala na szybkie, precyzyjne i wysoce powtarzalne wykonanie złożonych kształtów. Zwykle proces skomputeryzowanego wytwarzania przedmiotu składa się z fazy wspomaganego komputerowo projektowania (CAD), przetwarzania projektu na język sterowania maszyn (CAM) i samego wykonania elementu (CNC).

 

Urządzenie 3D to jeszcze nie wszystko…

Nie wystarczy być jedynie posiadaczem nowoczesnego urządzenia i materiałów, żeby w pełni z tego korzystać. Potrzebny jest odpowiedni projekt - w 3D oczywiście! Można taki pozyskać na dwa sposoby. Pierwszy oznacza znalezienie odpowiedniej wersji w Internecie (tu kluczową rolę odgrywa wcześniej wspomniana społeczność). Jest tam multum gotowych i darmowych projektów, choćby na www.thingiverse.com - jednej z najpopularniejszych stron z modelami do druku 3D. Drugi, ambitniejszy, a niekiedy praktycznie jedyny sposób stanowi własnoręczne zaprojektowanie potrzebnego wzoru. Narzędzia do projektowania są ogólnodostępne - i często darmowe.

Umiejętności nabyte dzięki tej lekcji przydadzą się nie tylko w przypadku użytkowania własnoręcznie wykonanych ploterów CNC o trzech osiach (fot. Raiden)…
Umiejętności nabyte dzięki tej lekcji przydadzą się nie tylko w przypadku użytkowania własnoręcznie wykonanych ploterów CNC o trzech osiach (fot. Raiden)…

 

Autodesk Fusion 360

…czy drukarek filamentowych (na zdjęciu - opisywana w MT drukarka 3D typu Velleman K8200, pochodząca z oferty sklepu AVT).

Ten artykuł wprowadza w podstawy obsługi jednego z najczęściej używanych, nieodpłatnych programów do projektowania w trójwymiarze. Fusion 360 jest za darmo udostępniany na licencji edukacyjnej. Ta opcja w zupełności wystarczy do indywidualnego tworzenia projektów 3D. Jak dotąd oprogramowanie nie ma jeszcze polskiej wersji językowej, ale dla większości użytkowników zapewne nie będzie to stanowiło problemu. Program służy nie tylko do tworzenia obiektów 3D, ale pozwala również na przeprowadzenie różnych symulacji dla stworzonych modeli oraz generowanie eleganckich wizualizacji projektów.

Instalacja nie jest skomplikowana, więc pozwolę sobie pominąć jej opis, choć warto tu wspomnieć, że po zainstalowaniu program poprosi o zalogowanie się do konta. Konto zakłada się za pośrednictwem przeglądarki na stronie producenta. Przez procedurę zakładania konta użytkownik jest prowadzony krok po kroku - myślę, że nie sprawi to kłopotu nawet średnio zorientowanemu użytkownikowi PC.

 

Program zainstalowany - znaczy, zaczynamy!

Po zalogowaniu się do programu, oczom przyszłego projektanta ukazuje się dość przejrzysty i przyjazny interfejs. Na wstępie skupmy się na głównym pasku narzędziowym, podzielonym na kategorie.

Zaczniemy od zapoznania się z: Create Sketch (tworzenie szkicu), Line (rysowanie linii prostych oraz łuków), Sketch Dimension (wymiary szkiców), Conic Curve (tworzenie krzywych), Center Rectangle (prostokąt o określonym położeniu środka), 2-Point Rectangle (prostokąt o określonym położeniu narożnika) - opcje opisane w kolejności od lewej. Oczywiście nie są to wszystkie możliwości - więcej znajdziemy w rozwijalnych z ikon listach. Każdą z nich możemy przenieść na „wierzch”, klikając na trzy kropki, które pokażą się po najechaniu na opcję i wybraniu odpowiedniego wariantu. Zobaczymy wtedy również krótki opis wybranej opcji.

Naukę projektowania warto zacząć od dwuwymiarowego szkicu na jednej z trzech płaszczyzn (wybierając Create Sketch). Klikając na daną płaszczyznę, pojawi się siatka. Na tym obszarze możemy już rysować. Wybór umiejscowienia rysunku i wynikającego z niego położenia modelu może być istotny - zwłaszcza w późniejszych częściach kursu.

Na początek zaprojektujmy własny breloczek do kluczy lub walizki - przygodę z przestrzennym projektowaniem zaczyna się zwykle właśnie od tak prostych brył. Kształt może być dowolny - w opisanym przykładzie użyłem elipsy. Model tworzony będzie etapami - każdy fragment bryły powstanie najpierw jako osobny szkic 2D, który następnie zostanie "wyciągnięty" do trzeciego wymiaru. Zmiana koloru wypełnienia płaskiego szkicu oznacza, że jest zamknięty. To niezbędne, by przejść do dalszych prac - już w trójwymiarze.

Pierwszy obiekt 3D - podstawa breloka.
Na powierzchni projektowanego modelu. tworzymy własny napis.
W odpowiedniej odległości od krawędzi rysujemy otwór.
Po zaokrągleniu krawędzi uzyskujemy ukończony projekt - temat pierwszej lekcji.
Symulacja docelowego wyglądu przedmiotu, stworzona w omawianym programie.

 

Trzeci wymiar!

Wybierzmy opcję Extrude - czyli pierwszą ikonę z następnej kategorii (oddzielonej pionową, szarą linią na pasku narzędzi). Od razu rzuca się w oczy automatyczne przejście z płaszczyzny do widoku aksonometrycznego. W tym widoku będziemy często używać kółka myszy. Wciskając je i poruszając myszą, można przesuwać się po wirtualnym polu projektowym. Po wciśnięciu klawisza Shift i kółka, ruch myszą obraca model w wirtualnej przestrzeni. Na początku może być to odrobinę problematyczne (łatwo się zgubić) - potrzebny będzie trening. Do pożądanego widoku pomoże wrócić „mapa” w prawym górnym rogu. Pod lewym klawiszem myszy kryje się zwykłe zaznaczanie. Opcji spod prawego klawisza na razie starajmy się unikać, ponieważ mogą na początku utrudnić pracę z programem.

Po opanowaniu tych podstaw poruszania się w interfejsie programu, zaczynamy faktyczne projektowanie 3D. Klikamy na stworzony kształt, by pojawił się kursor nad środkiem narysowanego kształtu. Łapiemy go i przeciągamy w górę lub w dół. Podczas wyciągania kształtu w górę, obok pokazuje się okno, w którym możemy wprowadzić dokładną wysokość bryły. Stworzymy w ten sposób podstawę breloku. Wystarczy, że wyciągniemy ją na 2 mm w górę. Chcąc teraz dodać własny napis do uzyskanej bryły, użyjemy kolejnych szkiców.

 

Personalizacja projektu

Wybierając opcję Create Sketch, można rozpocząć szkicowanie na dowolnej ścianie stworzonej bryły (nawet poza głównymi płaszczyznami). Warto podkreślić, że program nie pozwala w prosty sposób rysować na nierównej powierzchni - np. na bocznej ścianie naszego breloka. Wybierzmy jedną z płaskich ścianek i kliknijmy opcję Text z rozwijanej listy Create Sketch. Przy stworzeniu napisu otwiera się okienko pomocnicze, które pomoże ustawić parametry wstawianego tekstu. Pojawią się też dwa punkty w miejscu stworzenia napisu. Jeden służy do obracania całego tekstu (można to też ustawić w okienku pomocniczym), natomiast drugi punkt można złapać i przesunąć, ustawiając wyrazy w odpowiednim miejscu. Napis powinien być możliwie gruby (wytłuszczony) - w przeciwnym razie ryzykujemy, że stanie się częściowo nieczytelny po wydrukowaniu. Wyciągamy go tak samo, jak podstawę modelu.

Brakuje już tylko otworu do zawieszenia breloka. Tworzymy kolejny szkic (jak poprzednio) i rysujemy okrąg w miejscu otworu. Po narysowaniu ponownie korzystamy z opcji wyciągnięcia - tyle, że tym razem zmieniamy kierunek tak, aby tworzona właśnie bryła przechodziła przez podstawę. Program wykrywa przenikanie nowej bryły przez poprzedni obiekt i automatycznie zmienia kolor wypełnienia tworzonego kształtu na czerwony. Oznajmia tym samym, że nie dospawa nowej bryły, lecz wytnie ją w poprzedniej.

Drukowanie - wirtualny projekt staje się właśnie realnym przedmiotem.

Możemy jeszcze dopracować brelok, operacjami na modelu znajdującymi się w kategorii MODIFY. Skorzystajmy z opcji zaokrąglania krawędzi. Wybieramy ostatnią z domyślnych opcji z zakładki modyfikacji. Mając wybrane narzędzie, klikamy na krawędzie projektowanego obiektu, które chcemy zaokrąglić i wprowadzamy wartość promienia zaokrąglenia. Operację da się wykonać zarówno na zewnętrznych krawędziach podstawy, jak i na krawędziach otworu.

Możemy teraz wydrukować zaprojektowany model, musimy tylko zapisać projekt. Domyślnie plik zapisuje się w chmurze. By to zrobić, należy wybrać kategorię MAKE (trzecią od prawej). Po rozwinięciu listy trzeba zaznaczyć opcję 3D Print. Pojawi się też okienko pomocnicze, w którym można zmienić jakość ("rozdzielczość"), z jaką zostanie zapisany model. Nic poza tym nie zmieniajmy. Wybrawszy projekt do zapisu, wystarczy wcisnąć przycisk OK. Model zapisuje się w formacie .stl, otwieranym następnie w odpowiednim programie konwertującym go na plik interpretowany przez drukarkę (Cura itp.). Najpewniejszym sprawdzeniem poprawności przygotowanego projektu będzie oczywiście jego wydrukowanie.

Poprawnie wydrukowany model zapewnia satysfakcję z wykonania pierwszej pracy projektowej.

 

Podsumowanie

Przedstawiony w tym kursie model nie jest szczególnie skomplikowany, ale stanowi całkiem dobry krok do dalszej samodzielnej nauki projektowania. W dodatku opracowanie i wykonanie nawet takiego prostego breloka może sprawić naprawdę dużą satysfakcję. Zachęcam do trenowania z zaprezentowanymi opcjami - to jeden z najlepszych sposobów na opanowanie programu. W oczekiwaniu na następną część naszego kursu warto eksperymentować i tworzyć własne modele. Tych ledwie kilka poznanych funkcji programu w zupełności do tego wystarczy!

O innych metodach, pozwalających na tworzenie bardziej skomplikowanych obiektów, będzie można przeczytać w kolejnych wydaniach "Młodego Technika". Zachęcam także do dzielenia się relacjami ze swoich prac (a nawet ewentualnymi wątpliwościami, które postaram się rozwiać) na facebookowych stronach naszego miesięcznika oraz na autorskich - MODELmaniak.pl.

Powodzenia w trójwymiarze!

Bartłomiej Jakobsche