Программа для оптимизации 3д моделей
Модели 3D, Poser, 3DsMax, Archicad, Artcam, Zbrush
ДНЕВНИК ПРОРОКА МАНЬКИНА
Подготовка файлов в ZBrush для 3D печати — оптимизация, масштабирование
Хотим поделиться с вами основными принципами подготовки файлов в 3D-печать. Для примера возьмем детали будущей шарнирной куклы.
Процесс подготовки состоит из нескольких этапов: правильное расположение деталей, оптимизация, масштабирование, экспорт в печатный формат.
Располагать детали нужно компактно, но не впритык. Включите «пол» и поставьте все детали на него вертикально. Поскольку печать идет горизонтальными слоями, самыми проблемными местами будут те, где поверхность идет практически горизонтально: будут видны полосы слоев. В случае, который мы описываем и иллюстрируем, это были крышка черепа и надключичные области торса. Чуть изменив угол наклона можно немного уменьшить этот эффект.
Сбоку стоит цилиндр для отображения масштаба. Что касается масштабов, то в этом вопросе лучше перебдить, чем недобдить. При экспорте из3DMax или иногда из ZBrush бывают разные непредсказуемые случаи. Например, бывали ситуации, когда 3D-дизайнер выставляет размер, экспортирует файл в STL, отправляет файл на печать. Специалисты по 3D-печати открывают файл и обнаруживают совершенно другой масштаб. Например, вы отправили кольцо 17.5 мм, а мы вам звоним и говорим, что кольцо размером 5 мм. Чтобы избежать таких ситуаций, лучше добавлять объект типа цилиндра, который будет показывать масштаб. Отправляя нам файл, обязательно укажите размер этого объекта, чтоб мы могли сравнить ваши размеры и отображаемые у нас. После сравнения размеров, в случае, если все в порядке, цилиндр удаляется.
Но есть решение. Перед тем, как выставлять размеры, нажмите кнопку «Обновить параметры». Сначала обновляете, а потом вводите свои данные.
Оптимизируем
Вкладка Zplugin, панель Decimation Master, жмем кнопку Pre-process Current. ZBrush немного подумает и проанализирует меши. После этого начинаем оптимизировать.
Масштабируем
Та же вкладка, панель 3D Print Exporter. Жмем кнопку Update Size Ratios и переводим в миллиметры.
Выставляем нужные размеры. Например, если у вас самый высокий объект — измерительный цилиндр, и вы выставляете ему высоту 29 см, то остальные величины подстраиваются. Далее нажимаем кнопку STL и сохраняем в соответствующем формате.
Пример того, как можно подготовить модель bjd-лошади для 3D-печати:
Дизайн-проекты, ремонт, Разработка в 3Д ,чертежи, 3d Моделирование, 3d модели на заказ, модели для 3d принтеров,
Биодизайн, или бионический метод проектирования предполагает использование в разрабатываемых конструкциях эффективных решений позаимствованных в природе. В целом, это плавные линии, распределенная структура тонких сплошных или трубчатых конструкций. Биодизайн — частный случай топологической оптимизации, средства достижения оптимального сочетания механической прочности и легкости, путем хорошо просчитанного распределения материала в детали, как правило — с усложнением ее структуры.
Как это работает
Современные средства проектирования позволяют не только прогнозировать степень деформации детали, но и оптимизировать ее, в соответствии с заданными рамками массы и прочности. В общем случае, подготавливается модель-заготовка, из которой в дальнейшем удаляется лишний материал. Этот процесс носит название топологической оптимизации. Еще один термин, часто употребляемый в данном контексте — “генеративный дизайн”, он обозначает проектирование, частично выполняемое программными алгоритмами. Результатом топологической оптимизации является сложная структура, на основе которой формируется модель детали для производства. Такая деталь обладает требуемой прочностью при минимальной массе, но сложна в изготовлении традиционными способами, оптимальным будет аддитивное производство.
Примеры реализации
Изделия, выполненные с помощью генеративного дизайна, имеют непривычный футуристический вид и часто служат для демонстрации возможностей аддитивных технологий.
BMW S1000RR
Вот, например, BMW, для демонстрации перспектив технологии, сделала концепт-байк на основе S1000RR, но с легкой 3D-печатной металлической рамой. Если говорить о более утилитарных применениях — BMW уже использует 3D-печать в производстве “Роллс-Ройсов” и родстеров i8.
Мост MX3D
Голландцы из MX3D закончили производство несущей основы моста, который планируется установить в Амстердаме в 2019 году. При изготовлении моста использовалось ПО Autodesk и технология WAAM — наплавление металлического прутка промышленным роботом-манипулятором.
Российская промышленность
Мосты мы пока не печатаем, но в утилитарных областях топологическая оптимизация успешно применятся. Например, работает в этом направлении «Центр компьютерного инжиниринга» СПбПУ, используя ПО собственной разработки. Подробнее о решаемых задачах можно прочитать на сайте центра, здесь отметим, что речь идет в основном об аэрокосмической отрасли.
Программное обеспечение — комплексные системы
На рынке присутствует значительное количество программных продуктов, посредством которых можно производить расчеты по топологической оптимизации. Как правило, эту функциональность предоставляют пакеты, производящие моделирование деформаций и прочностные расчеты. Начнем с “больших” комплексов, применяемых для проектирования и расчетов в машиностроении.
Siemens NX
NX — универсальная комплексная система для проектирования, инженерных расчетов и подготовки управляющего кода для станков с ЧПУ — CAD, CAE и CAM. Топологическая оптимизация в рамках модуля NX CAE ориентирована на взаимодействие деталей в CAD-сборке.
В рабочее пространство помещается деталь подлежащая оптимизации, к ней присоединяются другие, которые не будут затронуты процессом, но участвуют во взаимодействии. Указание креплений и приложенных нагрузок производится именно в рамках сборки.
Siemens Solid Edge
Solid Edge — CAD-система твердотельного и поверхностного моделирования, прежде всего предназначенная для работы с деталями и сборками, но обладающая встроенным модулем инженерного анализа. Разработчик позиционирует Solid Edge как средство быстрого проектирования и прототипирования, «заточенное» под аддитивное производство.
Оптимизация производится в несколько шагов, без необходимости тонких настроек: загрузить «болванку», указать отверстия и места приложения нагрузки, задать требуемую долю снижения массы и запас прочности. Полученная деталь может быть напрямую отправлена в печать или доработана штатными средствами Solid Edge.
CATIA 3DEXPERIENCE
Платформа 3DEXPERIENCE, по состоянию на начало 2018 года, состоит из 104 модулей, которые называются ролями. Это решения для различных задач проектирования, управления процессом разработки, симуляции, визуализации. Одна из этих ролей — Function Driven Generative Designer.
Эта роль не только позволяет произвести оптимизацию топологии детали в соответствии с указанными требованиями, но и доработать полученный объект — упростить, убрать неровности.
SOLIDWORKS
Оптимизация топологии была добавлена в SOLIDWORKS 2018. Она доступна в модуле SOLIDWORKS Simulation редакций Professional и Premium. Инженер указывает нагрузки, условия оптимизации — например, наилучшее отношение жесткости к массе, и запускает исследование топологии. По завершении процесса, для подготовки к производству, выполняется сглаживание сетки оптимизированной детали.
Autodesk Fusion 360
Облачная платформа для проектирования, инженерных расчетов и подготовки к производству на станках с ЧПУ — CAD/CAE/CAM. В максимальной подписке, которая называется Ultimate, доступен модуль Advanced Simulation. Он отвечает за моделирование деформаций, работу с анизотропными материалами и оптимизацию топологии — Shape optimization.
Возможности для настройки оптимизации не очень широки, но для основной задачи — создания детали с минимальной массой и необходимой прочностью — достаточны.
ANSYS Mechanical
Основные функции этого программного продукта:
— статические расчеты;
— динамический анализ;
— тепловые расчеты;
— акустические расчеты.
ANSYS Mechanical позволяет моделировать деформацию конструкций под нагрузкой, рассчитывать влияние вибраций и возникновение резонансов. Для проведения автоматизированной топологической оптимизации необходимо импортировать модель-заготовку детали, указать точки крепления и приложения нагрузок, задать граничные условия, такие как минимальная толщина. Возможно моделирование как традиционных материалов, так и анизотропных — композиты, 3D-печатные детали.
Более простое и доступное программное обеспечение
Перейдем от «тяжелого» промышленного ПО к решениям, отличающимся меньшей функциональностью, более низким порогом вхождения и сравнительно доступной стоимостью.
solidThinking Inspire
В сравнении, например, с Ansys Mechanical — это более дружелюбное ПО, рассчитанное на решение нескольких узких задач — моделирования взаимодействия деталей в сборках, простого эскизного проектирования, топологической оптимизации. Объекты, с которыми необходимо работать, могут быть как созданы в Inspire, так и импортированы из других CAD-систем.
Помимо топологической оптимизации, Inspire способна формировать сетчатое заполнение вместо сплошного, эта функция пригодится при необходимости еще больше снизить массу детали.
Autodesk Netfabb Ultimate
Эта программа известна многим пользователям 3D-принтеров, как удобное средство «ремонта» сетки и разделения модели на части. Функциональность Netfabb 2018 значительно шире — там, например, есть создание ветвистых поддерживающих структур для FDM-печати, моделирование деформации металлических деталей для SLS и SLM, а в редакции Ultimate добавлены топологическая оптимизация и генерация сетчатого заполнения.
Для чего и для кого
Сейчас средства топологической оптимизации, в основном — компоненты больших CAD/CAM/CAE пакетов разработки Siemens, Dassault Systèmes, Autodesk. И применяется эта технология, если не говорить о чисто демонстрационных целях, в основном при 3D-печати металлическими сплавами. Генеративный дизайн, в сочетании с прочностным анализом, решает задачу уменьшения массы изделия при сохранении прочности, что актуально не только в аэрокосмической отрасли. В любом производстве экономия материала приведет к меньшим затратам, особенно когда речь идет о дорогостоящих металлических порошках.
Назвать простыми для освоения и финансово доступными большинство описанных программных продуктов сложно. Но есть и более простые решения, например — solidThinking Inspire. Можно предположить, что, со снижением стоимости оборудования и расходных материалов для печати металлами и инженерными пластиками, сравнительно несложные средства топологической оптимизации получат более широкое распространение.
Чтобы получить консультацию по выбору софта и приобрести ПО для CAD/CAM/CAE, обращайтесь в Top 3D Shop. Мы поможем с выбором программных продуктов и оборудования для решения любых задач прототипирования и производства.
Иногда в работе приходится сталкиваться с 3D моделями, имеющими излишнюю полигональность. Это может произойти по следующим причинам:
• Модель получена в результате сканирования
• Модель создана в таких программах как Zbrush, Maya и т.п
• Автор при экспорте в STL по какой-то причине задал наивысшее количество полигонов
В результате при работе с такой моделью мы имеем следующие проблемы:
• Сложность ее редактирования. Например, разделения на части или объедение с другой моделью
• Увеличение времени загрузки модели в слайсер. В некоторых слайсерах до сих пор есть ограничение на количество полигонов 3D моделей.
• Увеличение времени слайсинга.
Рассмотрим способы уменьшения количества полигонов 3D моделей с помощью Autodesk 3Ds Max и Rhinoceros.
Начнем с Autodesk 3Ds Max.
Запускаем 3Ds Max и вызываем команду Import.
В появившемся окне снимаем все галочки(иначе процесс импорта возможно будет очень долгим). Особенно замедлить процесс импорта могут операции Weld(слияние вершин) и Unify Normals(выравнивание нормалей).
При переходе в каркасный режим отображения можно увидеть что количество вершин в 3D модели завышено в несколько раз.
В стеке модификаторов вызываем модификатор Prooptimiser. При желании можно воспользоваться старой версией модификатора под названием Optimise.
Нажимаем на кнопку Calculate(расчет). После просчета можно будет увидеть количество вершин в модели и уменьшить их в процентном соотношении(100%- текущее количество вершин в модели). Модификатор показывает количество вершин до и после применения модификатора.
Иногда 3D модель представляет собой облако вершин и при уменьшении количества вершин возможен глюк как на рисунке.
Для исправления необходимо перед нажатием на кнопку Calculate поставить галку у параметра Merge vertices(объединение вершин).
Это замедлит процесс просчета, но в результате получится модель, как на рисунке.
Уменьшайте количество полигонов до тех пор, пока это не будет влиять на форму объекта. Так в примере при уменьшении до 10%(в 10 раз) форма почти не меняется, а при уменьшении до 3%(в 33 раза) видны изменения.
Рекомендую преобразовать 3D модель в Editable Poly перед дальнейшей работой.
Теперь давайте запустим Rhinoceros.Открываем файл с 3D моделью (stl входит в перечень поддерживаемых файлов). По уже понятным нам причинам в появившемся окне убираем все галки
После окончания импорта 3D модель появится в видовых экранах.
Запускаем команду Reduce Mesh(уменьшение полигонов).
В появившемся окне указываем количество процентов, на которые нужно уменьшим 3D модель. Можно регулировать точность операции(при этом увеличивается время просчета).
Для 3D модели как в примере рекомендуется вначале применить команду
Weld(слияние вершин)
После этого уже не составит труда разделить модель и распечатать на 3D принтере
Cегодня речь пойдет не о какой-либо модели 3D принтера, и не о процессе 3D печати. Мы хотели бы рассказать о том, как сделать процесс подготовки модели перед 3D печатью эффективнее.
Все мы знаем, что большое рабочее поле это хорошо. Но что делать, когда мы начинаем пробовать создавать управляющие программы для громадной детали и программа уходит в вечное ожидание на этапе рассечения слоёв или экспорта кода в файл. Были случаи, когда программа готовилась более суток. Чтобы понять что происходит, нужно немного вникнуть в алгоритм процесса, который происходит внутри «Черного ящика» слайсера. Немного, потому что достаточно знать, что самое сложное и затратное дело, в процессе подготовки программы, это рассечение модели по слоям и формирование по этим сечениям траекторий.
Вся сложность в качестве.
В качестве модели.
В качестве печатной детали.
В оптимальности качества.
В желаемом качестве.
Иногда это очень растяжимое понятие… и так далее. Но у нас не минутка философии.
Перейдем к конкретике. Примером из жизни.
В результате 3д-сканирования, неаккуратного, незаконного и неэкономного моделирования, различных преобразований и конвертирования, возникают случаи, когда сетка модели становится пропорционально плотной, с большим количеством лишних полигонов. Это значительно увеличивает «вес» stl-файла. Документ начинает занимать много памяти и увеличивает время формирования кода управляющей программы, приводит к зависанию слайсера и переходу его в низ списка процессов операционной системы. В таких случаях, модель необходимо оптимизировать, т. е. уменьшать плотность сетки без потери качества геометрии и качества деталей.
Амуниция
Программное обеспечение для подготовки управляющей программы – тяжелый, сложный, неудобный, но на наш взгляд жутко эффективный, Slic3r.
К делу
Установите и запустите Blender. Для импорта модели зайдите File –> Import –> stl, выберите необходимую модель.
Для оптимизации модели воспользуемся модификатором Decimate. Этот модификатор позволяет уменьшить количество полигонов в сетке модели с минимальными изменениями геометрии.
Переключитесь в режим Object mode (1), в панели Editing (2) выберите вкладку Modifiers (3), добавьте Add Modifier –> Decimate (4)
Опции
Ratio. Коэффициент от 0,0 до 1,0. Соотношение детали до и после оптимизации. 0,0 (0%) — все грани удалены. 1,0 (100%) — все грани остались без изменения. По мере того, как коэффициент изменяется от 1 до 0, количество полигонов в сетке уменьшается.
Качество
Для того, чтобы оценить уровень детализации, до которого модель будет упрощаться без потери качества (визуально печатная деталь соответствует математической 3D — модели). Если совсем вдаваться в подробности, то необходимо учитывать соотношение физического размера печатаемой модели, диаметра сопла и высоты слоя. Ниже, количественно, показано к чему приводят такие процедуры оптимизации.
Как не надо делать
Теперь зайдем с другой стороны. Слишком низкий коэффициент уменьшает качество детализации: Ratio 0.05 – 0.03. Для модели небольшого размера (20-30 мм) подойдет Ratio 0.05-0.03, т. к. высота слоя и диаметр сопла физически не позволят напечатать необходимую детализацию, которая сохраняется при более высоких коэффициентах. А мы все помним, что диаметр сопла 0.3мм, а на выходе пластиковая нить еще чуть больше. А это значит что все острые грани будут иметь радиус минимум 0.15мм.
И в финале немного снимков того, к чему могут привести чрезмерные увлечения заветным параметром Ratio.
Ratio: 0,015. Слишком низкий коэффициент
В общем вы поняли.
Хотения и надежды.
Искренне верим, что этот материал будет вам полезен, вы начнете/продолжите эффективно использовать возможности своего 3D принтера.
Некоторые программы, к примеру, ZBrush, предрасположены к созданию большого количества многоугольников, из-за чего преодолеть рациональный лимит очень просто. К счастью, есть способы, позволяющие быстро и эффективно сократить количество полигонов. Этот процесс также известен под названием «упрощение объекта». Большинство программ для 3D-моделирования обладают этой функцией, но вы также можете воспользоваться не менее эффективной альтернативой – MeshLab. Это приложение доступно для операционных систем — Windows, OSX и Linux.
На рисунке показаны результаты упрощения модели простой игрушечной машины, у которой изначально было 480 000 полигонов. Сократив их до 120 000, мы не заметили особенной разницы в качестве. Но с каждым последующим упрощением объект становился всё грубее и грубее.
Оптимизация 3D модели при помощи MeshLab
Если вы ещё не загрузили и не установили MeshLab, то сделайте это и импортируйте свою модель.
В главном меню выберите следующие вкладки Filters > Remeshing, simplification and construction > Quadratic Edge Collapse Detection. Далее, открыв новую панель с наборов функций нажмите на кнопку «Help», Вы получите дополнительную информацию о каждой из доступных опций.
Доступны следующие параметры настройки:
Target number of faces (заданное количество поверхностей ) установите самостоятельно.
Quality threshold (порог качества) значение от 0 до 1. Заметьте, чем оно выше, тем труднее MeshLab придерживаться исходной формы модели. В документации чётко не указано, какими будут последствия использования высокого значения порога. Вместе с тем, значения 1 вполне достаточно для отличных результатов.
От автора: «От установок порога качества зависит — насколько может ухудшиться форма полигонов модели. Чтобы сохранить первоначальные формы потребуется большее количество правильных поверхностей. Поэтому значение в диапазоне 0-1 является наиболее оптимальным. 0 — принимает любой тип поверхностей, 0,5 – убирает мелкие полигоны ращмером < 0,5. Все изменения происходят с сохранением пропорций»
Preserve Boundary of the Mesh (сохранение границ полигональной сетки). Выбираем Yes. Разработчики объясняют это тем, что упрощение объекта не означает разрушение его границ. Этот параметр не влияет на водонепроницаемые полигональные сетки.
Optimal position of simplified vertices ( оптимальное положение вершин ) выбираем Yes.
Комментарий от создателя MeshLab: «Когда деформируется край полигона, оптимальная позиция выбранных вершин позволяет минимизировать предполагаемые ошибки. Если эта опция отключена, то края будут привязываться к одной из двух вершин треугольника. Таким образом, новая полигональная сеть станет сокращённым вариантом исходной. Эта опция установлена по умолчанию.
Planar simplification ( упрощение планарной структуры), также нужно выбрать — Yes.
Пояснение от разработчика: «Вы обеспечите дополнительные ограничения для упрощения, что позволит сохранить текущую форму треугольников. Таким образом, можно значительно улучшить форму треугольников на совершенно плоских участках полигональной сетки. Как и параметр порога качества, эта настройка влияет на соотношение точность/сложность. Эта функция отключена, ведь она полезна только в отдельных ситуациях – когда в модели есть совершенно плоские участки».
Читайте также: