ГеММа-3D и быстрое прототипирование

Михаил Лавров

Естественно желание любого дизайнера, конструктора, технолога и, конечно, руководителя проекта подержать в руках новое изделие еще в процессе его проектирования. К сожалению, в большинстве случаев это желание пока остается недостижимым: сроки и цена изготовления модели-прототипа изделия слишком велики. На изготовление деталей более-менее сложной формы по традиционной технологии вырезания из заготовки будут уходить недели, а то и месяцы работы квалифицированных рабочих на дорогостоящем оборудовании с ЧПУ.

Выход здесь один — заменить технологию. Уже более 20 лет в мире развиваются технологии быстрого прототипирования (Rapid Prototyping, или RP) геометрических объектов. Общий подход всех RP-технологий состоит в следующем:

• CAD-модель пространственного объекта разбивается на слои малой толщины – получаем набор плоских «картинок»-сечений;
• каждое сечение «рисуется» средствами специальной установки. Все сечения «складываются» в стопку. В результате получаем твердую копию исходной математической модели с точностью до толщины слоя.
• RP-технологии различаются в зависимости от типа установки и материала, на котором рисуются сечения, например:
• FDM – сечение рисуется разогретой полимерной нитью;
• LOM – сечение рисуется лазером по тонкому верхнему листу, наклеенному на стопу (бумаги, алюминиевой фольги и т.д.);
• SLA – сечение рисуется лазером по тонкому верхнему слою фотоотверждаемого полимера.

Наибольшую точность воспроизведения исходной формы модели при высоком быстродействии и относительно низкой цене изготовления обеспечивает технология SLA (Stereo Litography Apparatus). Впервые она появилась на рынке RP-технологии, когда в конце 80-х годов американская фирма 3D Systems выпустила свою установку SLA-250. В последнее время появился и отечественный производитель. Качественные SLA-установки выпускаются и эксплуатируются в ИПЛИТ РАН.

В состав SLA-установки входят:

• лазер с системой отклонения луча, обеспечивающей «рисование» слоев;
• ванна с жидким фотополимером;
• платформа с рабочим столом, на котором, собственно, и выращивается прототип изделия.

Принцип действия SLA-установки понятен из регулярно повторяющейся процедуры послойного выращивания:

• исходное положение: за счет перемещений платформы верхняя кромка уже выращенной части изделия расположена ниже уровня жидкого фотополимера ровно на толщину слоя;
• выращивание слоя: отклоняющая система по заданной программе перемещает луч лазера. Освещенные лучом участки поверхности фотополимера быстро (2-3 с) отверждаются и «прилипают» к столу или ранее выращенной части прототипа;
• переход на следующий слой: платформа опускается ровно на толщину выращенного слоя.

Характерные размеры «инструмента» для SLA-выращивания прототипа – луча лазера: эффективный диаметр луча (ширина зоны отверждения) равна 0,1-0,3 мм; толщина выращиваемого слоя равна 0,05-0,4 мм. Столь малые размеры «инструмента» обеспечивают высокую точность выращивания. При этом на первый план выходит качество специализированного пакета для построения сечений и наборов линий их заполнения. «Вручную» описать такой набор просто невозможно: для простейшего случая заполнения квадрата 100Ѕ100 мм при диаметре луча 0,1 мм потребуется 999 линий с общей длиной около 100 м. Очевидно, что необходим специализированный пакет программ для максимально автоматизированного выполнения этих операций.

Наиболее широко известен реализующий эти операции пакет MAGIC фирмы 3D Systems. В качестве исходных данных пакет использует модель поверхности в универсальном и простом STL-формате. Работа с ним быстра и удобна. Он прекрасно справляется с большинством поставленных задач.

Основной проблемой здесь является качество подготовки математической модели объекта. Быстрое прототипирование объекта в наибольшей степени нужно на начальных стадиях проектирования, когда качества математической модели хватает разве что для вывода на экран тоновой картинки изделия. В большинстве случаев такая модель содержит лишние куски, «морщины» в поверхностях или «дырки» в оболочках. При переводе в STL-формат ошибки модели не только не исчезают, но и усугубляются. С большинством подобного рода ошибок MAGIC успешно справляется, в противном случае заказчику приходится править исходную математическую модель.

В рамках проекта ГеММа-3D разработано программное обеспечение послойного синтеза в SLA-технологии, позволяющее работать с исходными математическими моделями любого качества. Это утверждение мы подкрепляем универсальным алгоритмом исправления ошибок, использующимся в большинстве операций пакета.

Наряду с мощным аппаратом автоматического исправления ошибок геометрии в пакете предусмотрены средства визуального поиска ошибочной ситуации (выделение цветом, штриховкой и прочих локальных зон с ошибками геометрии). Пакет интегрирован в среду ГеММа-3D. Поэтому в качестве диалоговых средств исправления ошибок используются все возможности 2D- и 3D-редакторов системы.

Работа пакета может быть представлена как последовательное преобразование геометрических данных от исходной математической модели к промежуточной внутренней 3D-модели и далее – к 2,5D-модели послойного синтеза.

Исходная математическая модель может иметь вид STL-файла, файла в форматах DXF, IGES или набора поверхностей (оболочки) во внутреннем формате системы ГеММа-3D. Для работы пакета SLA-технологии исходные гладкие поверхности и оболочки преобразуются к STL-формату с помощью встроенной команды триангуляции.

Внутренняя 3D-модель имеет STL-подобную структуру. На ее уровне выполняется редактирование поверхностей выращиваемого тела. Команды редактирования ориентированы на работу с мелкими искажениями формы поверхности тела. Реализованы команды сшивки и пересечения границ, заполнения щелей, удаления лишних участков поверхности. При необходимости добавления крупных участков внутренняя 3D-модель может быть в любой момент дополнена недостающими поверхностями исходной модели. Предусмотрен вывод отредактированной поверхности тела в стандартный STL-файл.

Идеальная 3D-модель не должна иметь ни одного разрыва поверхности. Практика работы с пакетом послойного синтеза показала, что доводить модель до идеала не нужно. В абсолютном большинстве случаев мелкие искажения будут исправлены в процессе перехода к 2,5D-модели. На рисунке приведена модель выхлопного коллектора, выращенная по информации из IGES-файла. Исходная модель содержит около 1300 поверхностей. После срабатывания команды автоматической сшивки осталось 23 поверхности и 38 границ разрыва. После перехода к 2,5D-модели осталось только два «плохих» сечения с незамкнутыми контурами, которые в считанные минуты были исправлены в диалоговом режиме.

Внутренняя 2,5D-модель представляет собой совокупность наборов контуров всех выращиваемых сечений. Преобразование 3D-2,5D выполняется в процессе построения набора сечений и выделения зон различного типа заполнения каждого сечения. Различаются зоны верхней и нижней границы тела, внутреннего плотного и решетчатого (QUICK CАST) заполнения сечений. В процессе преобразования используется аппарат автоматического анализа структуры контуров. Поэтому переход 3D-2,5D может выполняться при любой степени готовности 3D-модели. Лишние участки контуров будут удалены, а разрывы зашиты. Если автоматическая сшивка контуров сечения все-таки не удалась, выдается предупреждение о возможных ошибках формы.

Любой контур каждого сечения доступен для работы в 2D-редакторе системы ГеММа-3D. Все, что не удалось сделать в автоматическом режиме, может быть исправлено в диалоговом. Более того — построить 2,5D-модель теоретически возможно и без 3D-модели. Конечно, решившийся на такой способ построения пользователь должен обладать неимоверной усидчивостью и талантом художника-мультипликатора.

Наличие двух геометрических моделей разной природы для одного и того же тела обеспечивает максимальную гибкость в исправлении ошибок формы. Если «плохих» сечений с незамкнутыми контурами слишком много, имеет смысл найти и исправить место нарушения формы в 3D-модели. Саму ошибку гораздо проще найти и определить ее характер, рассматривая не нагромождение граней, а линии отдельного сечения. Если число плохих сечений измеряется единицами, проще отредактировать сами сечения.

Предусмотрено несколько вариантов преобразования 3D-2,5D, позволяющих наилучшим образом разрешить противоречие между сохранением формы и размеров выращиваемой модели. Так, на выращенной модели плана этажа мы видим переплеты рам, хотя толщина переплета меньше диаметра луча лазера и в 2,5D-модели должна отсутствовать.

В большинстве случаев работа с пакетом послойного синтеза сводится к последовательности обращений к пяти командам:

1. Указать моделируемый объект. Возможно указание как готового STL-файла, так и гладкой оболочки. В процессе чтения файла или триангуляции оболочки автоматически формируется и модифицируется под заданную точность внутренняя 3D-модель.
2. Выбрать способ построений, зависящий от типа установки и применяемого фотополимера. Как правило, выбор сводится к указанию строки на экране. Для желающих поэкспериментировать с процессом выращивания прототипа предусмотрена гибкая структура описания параметров. Число параметров описания процесса обычно 100-300, но может достигать и 1000. Для защиты от случайной небрежности пользователя доступ к параметрам затруднен.
3. Построить набор сечений и выделить в них зоны различного заполнения. В процессе исполнения этой команды происходит автоматическое преобразование 3D-модели в 2,5D.
4. Построить опоры – вертикальные стенки, поддерживающие выращиваемое тело на столе установки. Обычно используется команда автоматического построения, хотя предусмотрен и полный набор команд диалогового редактирования.
5. Сформировать программу выращивания. Объем программы в двоичном виде измеряется мегабайтами, а то и десятками мегабайт. Поэтому традиционный подход ГеММа-3D к формированию программы (постпроцессирование АРТ-файла) не применяется. Есть возможность разработать модули прямого кодирования и контрольной визуализации программы под формат данных конкретной установки.

Пакет послойного синтеза более года эксплуатируется на SLA-установках ИПЛИТ РАН. Практика показала надежность его работы при объеме STL-моделей до 1 млн. треугольных граней (достаточно для покрытия сферы диаметром 200 мм треугольниками со стороной 0,5 мм). Модель такого объема занимает около 100 Мбайт оперативной памяти компьютера. Большие объемы данных диктуют дополнительные требования к ПЭВМ: оперативная память не менее 512 Мбайт, быстродействие процессора – не менее 1000 МГц.

Пакет послойного синтеза поставляется как дополнение к системе ГеММа-3D версии 8.0.

«САПР и графика» 6'2002