Как сопоставляются 3d моделирование и конструирование
Существует две основные технологии 3d моделирования - полигональное моделирование и параметрическое (оно же твердотельное от англ. hard surface).
В первом случае компьютер представляет модели как набор точек, соединенных ребрами, которые в свою очередь образуют плоские (обычно треугольные или ромбовидные) полигоны, из которых формируется кусочно-плоская поверхность модели.
Во втором - модель описывается набором формул, и поверхности, образуемые таким образом могут быть например математически непрерывно-дифференцируемыми, формировать идеальные дуги/окружности, а также в точности соответствовать любой форме.
Полигональное 3d моделирование позволяет очень легко создавать сложную геометрию, и используется обычно в мире CGI. Параметрическое же за счет своей точности обычно используется для инженерных работ, о которых далее и пойдет речь.
Однако, тем не менее, и инженерам в определенный момент может быть полезно полигональное моделирование, обычно оно может применяться, когда нужна не конструкционная деталь, к которой при этом может не быть четких требований (например это может быть элемент декора). В таком случае лучшим решением будет blender3d - он полностью открытый, по нему много материалов и у него очень активное сообщество.
Какие есть САПР
В этом контексте выделяют три основных типа САПР, отличных по функционалу:
-
CAD - ПО для проектирования детали, сборки из деталей и тп
-
CAE - ПО для проведения инженерных расчетов (над спроектированной деталью/сборкой)
-
CAM - ПО для производства на станках ЧПУ (спроектированной детали/сборки)
Многие современные САПР совмещают в себе в той или иной степени весь описанный функционал, однако зачастую оптимально использовать несколько программ для разных задач.
Code CAD
Эта технология позволяет вести нормальное версионирование модели и разрабатывать своего рода конструкторы для параметризуемых типовых деталей; это может быть очень полезно в случае наличия широких линеек изделий либо при работе с кастомизацией под клиента, а также в банальном масштабировании разработки и создании собственной библиотеки гибких ассетов.
На данным момент у меня нет знакомых, которые бы ее использовали, но попробовать думаю вполне интересно.
cadhub - Сообщество людей, изучающих code-cad (описание модели кодом)
cadquery github page cadquery dock - python фреймворк для параметрического 3d моделирования, использует ядро opencascade
CAD
Существуют отечественные САПР Компас 3D и T-Flex; обе в целом норм и могут работать на Linux, но вот большой вопрос с лицензированием (ПО не бесплатное, можно попробовать поставить crack).
Есть довольно классный облачный кроссплатформенный Onshape, у которого даже есть бесплатные лицензии, но доступен он только с vpn. Довольно необычно и интересно выглядит кроссплатформенная Plasticity, лицензии хоть и не бесплатные, но довольно приятные по условиям, да и в сети оч много crack’ов. Очевидно хорошо САПР’ы Autodesk, например Fusion360, который имеет ограниченную по функционалу годовую триалку с возможностью продления для некоммерческого использования, а также запускался умельцами под Linux’ом (тык). Если вам нужен оффлайн САПР от Autodesk - присмотритесь к Autodesk Inventor, который правда не работает под линуксом от слова совсем. Примерно то же самое, что про САПРы Autodesk могу сказать и про SolidWorks, Siemens NX, SolidEdge и Catia. Лучшим полностью открытым САПР, наверное, является FreeCAD, который к тому же по слухам очень похорошел с выходом версии 1.0.
CAE
Computer-aided engineering - общее название для ПО, предназначенного для расчетов, анализа и симуляции поведения разработанной вами модели в тех или иных условиях. Многие пакеты САПР, имеющие возможности CAD, также имеют и возможности CAE. Однако, имеет смысл использовать и дискретные CAE системы, такие как Ansys и Comsol. Эти две среды являются наиболее распространенными; первый более популярен среди инженеров, второй среди ученых.
CAM
CAM (англ. computer-aided manufacturing) - ПО для подготовки управляющих программ ЧПУ станков для производства спроектированной с помощью CAD модели.
Подавляющее большинство коммерчески доступных современных ЧПУ станков (станков с числовым программным управлением) управляются командами в формате gcode.
Disclaimer: в этом разделе обозреваются далеко не все технологии производства, которые вы можете применять; в частности не затронуты относительно доступные фрезерование и вакуумная формовка.
3d printing
3d принтеры обычно не являются исключением, и управляются также при помощи gcode, который может генерироваться как средствами CAM системы, интегрированной в САПР, так и при помощи специальной программы - слайсера (использование такового обычно более целесообразно).
Существует довольно много технологий 3d печати, почитать о них вы можете самостоятельно тык, тут же мы рассмотрим более пристально лишь самые доступные из них.
FDM
Технология послойного наплавления нити - именно с ней у большинства людей ассоциируется 3d печать в первую очередь. На момент апреля 2025 года достаточно неплохие модели можно приобрести начиная от 13к рублей (тык), а от 25к начинаются действительно крутые аппараты (тык).
Такие принтеры довольно хорошо проходят для прототипирования - они просты в обращении, печатаемые модели могут обладать достаточно неплохой прочностью, а процесс печати может быть достаточно точным, пусть и ограниченным по уровню детализации.
Существует довольно много слайсеров, подходящих для fdm 3d печати, но на данный момент самым продвинутым из них является OrcaSlicer. Он поддерживает множество различных способов автоматизации подбора параметров печати и много необычных полезных настроек тык тык, таких как например bricklayers.
SLA
Стереолитография - процесс аддитивного производства, результат в котором достигается по средствам полимеризации смолы. Позволяет получит намноооого лучшую детализацию, нежели чем технология FDM. Существуют довольно неплохие конструкционные смолы, но они могут стоить определенных денег. Вопреки распространенному мнению, SLA печать может быть также довольно быстрой, при этом такие принтеры не сильно дороже, чем fdm, так, достаточно хорошие модели могут стоить от 25к тык. Однако, расплачиваться придется неудобством использования - по хорошему к такому принтеру нужна УФ камера для дозапекания моделей, ультразвуковая ванна или специальная мойка с изопропиловым спиртом для удаления остатков полимера с модели. С хорошими по свойствам фотополимерными смолами работать разрешается только в перчатках и респираторе, и простой водой они не отмываются. А более мягкие же по условиям эксплуатации смолы обладают заметно худшими качествами. Не рекомендую использовать такие принтеры в жилом помещении.
У многих производителей есть свои слайсеры (при этом такие принтеры управляются не gcode’ом), однако в случае наличия у вашего принтера поддержки рекомендую более общие решения - Chitubox, Lychee и PrusaSlicer.
Лазерная резка/гравировка
Чуть-чуть более дорогое удовольствие, очень быстрый, эффективный и простой метод для работы с листовыми материалами (акрилом, поликарбонатом, фанерой).
Если слайсеры для 3d печати на входе обычно требуют stl модель, то ПО для работы с лазерными граверами на входе зачастую требует раскрашенную в разные цвета svg, где цвета, используемые в ней, означают проделываемую операцию (например красный - резка, а от черного до светло-черного - гравировка с разной интенсивностью).
Теоретические вопросы
Ну, во-первых, для того, чтоб быть хорошим конструктором, вам необходимо в совершенстве владеть разделом механики курса общей физики, тк это необходимая база; субъективно мне больше всего нравится этот плейлист, но вам могут больше подойти другие.
Помимо этого, вам могут пригодиться такие дисциплины, как например детали машин и сопромат, однако для простых проектов это может и не понадобиться.
Учебники по конструированию я, к сожалению, не читал, так что рекомендовать что-то не могу.
Пособие по конструированию изделий, изготавливаемых по технологии FDM - довольно хорошее современное обильно иллюстрированное издание, хотя некоторые моменты (хоть таких и не много) могут и не быть актуальными для современных продвинутых слайсеров.
В.И. Анухин “Допуски и посадки” – книга дает базированные знания в области работы с допусками, посадками и размерными цепями.
В.И. Анурьев “Справочник конструктора-машиностроителя” (в трех томах) - настольная книга инженера, справочник, в котором затрагивается большое количество тем (но для изучения с нуля не так хорошо подходит, как Орлов)
П.Ф Дунаев “Конструирование узлов и деталей машин” - о книге тепло отзываются на форумах, мне она тоже показалась довольно годной. Написана книга довольно конкретно, без лишней воды, обильно иллюстрирована.
Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике (в семи томах) - объемный иллюстрированный справочник всевозможных “механизмов”.
Орлов П.И. Основы конструирования (в трех томах)] - по отзывам с форумов лучшая книга для прочтения в качестве учебника; к сожалению, не нашел качественный скан в интернете, но заказал себе бумажную версию, мб дойдут руки до того чтоб самому отсканить, а так дам почитать если что кому.
Ютубчик
Alex Burkan - очень прикольный и необычный материал, тот самый железный человек с ютуба
Amperka - канал одного старого магазина DIY, есть забавные и интересные видосы
brother-live - много забавных видосов про переиспользование всякого мусора
Sergey Dorosh - очень интересный инженерно-конструкторский канал
trashrobotics - мегаимбовый чел, который делает зачастую очень необычные вещи
Michael Rechtin - автор делает разные прикольные летающие и ездящие самоделки
Александр Писанец - парень делает прикольные проекты
Олег Г - солнцемобиль, мускулолет, авиамодели, аэролодки, паратрайк…
Цифровая фабрика - канал, посвященный 3d печати; у автора очень хороший уровень знаний
K3D Tech // Dmitry Sorkin - чел мега круто шарит за 3d печать, делает свой опенсерсный топовый 3d принтер K3D Vostok, при чем проектирует его насколько я знаю неожиданно во FreeCAD.
FAQ
- Как происходит обмен файлами между несколькими CAD/CAE/CAM программами?
Практически все популярные программы поддерживают одни и те же форматы - например параметрический .step, полигональный .stl, цветной полигональный .obj
- Какой CAD мне после всего прочитанного использовать?
Вопрос все еще холиварный, если вы начинающий - то можете поставить autodesk fusion360, по нему очень много материалов в сети на русском языке и он достаточно приветливый для новичков, если вы уже что-то умеете - то выбирайте под свои собственные критерии сами
- Насколько важно конструктору изучать детмаш, сопромат и тп?
Если вы занимаетесь чистым DIY, то это вам скорее всего не нужно, но если же вы хотите быть крутым инженером, который делает сложные крутые проекты - вам все это обязательно понадобится, но не стоит забывать и про практику в САПР на простых вещах, пока вы учитесь сложным. Но тут надо учитывать и некоторые факторы окружения, так, например, если у вас их преподают на парах, то можете использовать Компас или T-flex
- Какие моменты, связанные с процессом изготовления, надо учитывать при проектировании детали
Это зависит как от самой технологии, так и от возможностей CAM, которую вы используете. Так, например, для FDM 3d печати и лазерной резки надо оставлять припуски на детали, хотя в первом случае это может и не понадобится, тк OrcaSlicer умеет при правильной настройке программно учитывать это необходимость. Еще один забавный аспект FDM 3d печати - различная прочность детали в разных направлениях, вызвано это отличием в прочности скрепления слоев и прочности самого пластика. Это тоже можно исправить, используя bricklayers в связке с усиленным потоком. Однако, различные типы заполнения модели тоже могут обеспечивать на равномерную по всем направлениям прочность. Также важно учитывать то, насколько тонкие (и вытянутые) детали можно изготовить с помощью технологии, как технология справляется со свисающими элементами и тп