Доступная 3D печать для науки, образования и ус... Александр Кузнецов

81
Проект извлекает выгоду из массового финансирования, идущего из двух явных направлений: с одной стороны это добровольные взносы пользователей, а с другой, это официальные спонсорские соглашения.
Поставщики принтеров и производители нити (прежде всего LulzBot, который оказывает ежемесячное финансирование, а также TrinityLabs, SeeMeCNC, RepRapDiscount, Wasp и другие), способствуют финансированию проекта. Такие компании считают существование проекта Slic3r критичным пунктом своего бизнеса и поддерживают его, как открытый ресурс – это способ понизить финансовое напряжение, так как разработка решений собственными усилиями была бы дороже и не разделялась бы среди нескольких субъектов. Кроме того, открытый проект получает выгоду от добровольных взносов сообщества

82
Нерешенные вопросы и будущие разработки
Опорные материалы являются одним из самых важных приоритетов проекта Slic3r, с тех пор как в профессиональной и коммерческой области 3D принтеры стали демонстрировать лучшие результаты. Опорные материалы – это каркас, который автоматически создается, чтобы поддерживать нависающие формы, которые не будут напечатаны без какой-либо поддержки под ними. Например, балконы здания или человеческий нос нуждаются в опорном материале.
Машина с двойным экструдером позволяет печатать опору из другого материала (например, растворимая в воде нить PVA или деревянная нить, которая является хрупкой и легко удаляется). Однако очень часто опорный материал это тот же самый материал, из которого состоит объект: в этом случае программное обеспечение должно найти лучший компромисс между эффективностью опоры и ее устраняемостью. Цель – возможность вручную удалить опору без инструментов, без следов и без видимых швов на напечатанном объекте.
Говоря о более далеких целях, Slic3r нуждается в оптимизации для более высокой производительности во встроенных платформах. В планах еще есть приличная и законченная графическая среда (IDE) где оператор может наглядно менять и пересматривать маршрут инструмента. Среди целей есть поддержка как дуг и NURBS (обобщение кривых Безье), так и более скоростных технологий прототипирования, например, DLP и SLS (пока мало изучены в мире открытых ресурсов, в том числе из-за отсутствия программ для них). Запланированы эксперименты по увеличению однородности объектов путем улучшения скрепляемости слоев и снижения проблем деформации. Еще один открытый вопрос заключается в точности линейных размеров: из-за нескольких факторов, в том числе неравномерности термической усадки используемых материалов, размерные ошибки часто значительны, особенно для отверстий, имеющих маленький диаметр. Необходимы более совершенные модели для компенсации теплового поведения.
Переводчики: alex_itz, Woolpit, aks_id, kindra

83
3D моделирование с OpenSCAD – Часть_1
Себастьян Бюттрих
IT лаборатория, Университет Информационных Технологий Копенгагена, Дания
sebastian@itu.dk
На пути от идеи к законченному 3D отпечатку, нужно совершить несколько шагов. Начать с проекта в CAD файле или сканирования уже существующего объекта, затем преобразовать в файл STL, возможно потребуется пост-обработка/восстановление, и наконец, преобразовать в исполняемый принтером файл g-кода.
Ваши первые шаги в 3D печати могут основываться на 3D проектах, найденных в Интернете, но став серьезнее, Вы захотите разработать свой собственный проект или улучшить существующие проекты, вместо того, чтобы просто копировать работу других. Здесь мы сосредоточимся на этапах разработки, т.е. создание 3D моделей и экспорт STL файлов.
Есть много доступных программных средств, и следующие два адреса – хорошие отправные точки, чтобы освоить их:
•
https://www.reprap.org/wiki/Useful_Software_Packages
•
https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_3D_computer_graphics_software
Разработка в OpenSCAD

84
Наиболее популярными бесплатными и открытыми программами являются Blender, POV-
Ray, Wings3d и OpenSCAD. OpenSCAD подходит для всего, что легче рассчитать и генерировать программно нежели изобразить от руки, мышью или светокопированием (трассировкой лучей).
Что касается последних, то Blender или POV-Ray могут стать Вашим выбором.
Таким образом, когда стоит задача конструирования объектов, все размеры которых точно заданы или объектов, отрисовка которых обременительна или даже невозможна, но легко описываемых формулами, параметрами или числовой последовательностью, OpenSCAD – Ваш инструмент. Его подход к 3D проекту основывается на математике и программировании.
Цитата с веб-сайта https://openscad.org:
«В отличие от большей части бесплатного программного обеспечения для создания
3D моделей (такое как известное приложение Blender), оно не фокусироется на
художественных аспектах 3D моделирования, а вместо этого фокусируется на аспектах
CAD. Таким образом, это приложение может быть тем, что Вы ищете, когда планируете
создать 3D модели деталей машины, но со значительной степенью уверенности это не,
то, что Вы ищете, если Вас большее интересует создание компьютерных анимационных
фильмов».
OpenSCAD – бесплатное программное обеспечение, доступное под Linux/UNIX, MS Windows и Mac OS X, по лицензии GNU GPL v.2
В OpenSCAD два основных способа моделирования:
1.
Конструктивная блочная геометрия (CSG) – сборка из цельных трехмерных объектов, элемент за элементом, из скрипта.
2.
Экструзия 2D контуров – берутся готовые 2-мерные фигуры, например, из файла
DXF или просто 2-мерные формы и из этого производится 3D объект, например, поворотом или подъемом.
Затем, получившийся 3D файл может быть экспортирован в файл формата STL или OFF.
STL значит СТереоЛитография. Большинство программ САПР поддерживают экспорт в этот формат. Файл STL представляет объект, который можно назвать «водонепроницаемым»: объект без отверстий или искажений. Можно, конечно, вообразить и зарисовать и более смелые объекты, но только «водонепроницаемый» объект – объект, который может быть заполнен материалом – может в действительности быть распечатан.
Нужно отметить, что в процессе экспорта в STL могут возникнуть проблемы, и всегда лучше проверить результаты при помощи инструмента пост-обработки и "ремонта", такого как Meshlab.

85
Основные элементы синтаксиса OpenSCAD – переменные, модули, функции, включения и требования.
Переменные описываются так
myVar = 5+4
и могут быть сгруппированы в вектора/точки как:
myVector = [5,4,8]
Переменные задаются один раз во время компиляции, не изменяются в течение всего периода исполнения.
OpenSCAD понимает скалярные арифметические операторы, операторы сравнения, операторы булевой логики и длинный список общеупотребимых математических функций. Вы можете создать 2D (круг, квадрат, многоугольник) и 3D (кубы, сферы, цилиндры) примитивы, каждый из которых принимает в качестве входных аргументов такие параметры как упомянутые выше точки, зачастую дополняемые разрешающей способностью, параметрами поверхности и дополнительными инструкциями.
Шпаргалка по OpenSCAD на https://www.openscad.org/cheatsheet/ дает хорошее краткое
изложение всех элементов языка OpenSCAD
Следующий пример кода демонстрирует перевод преобразования и трех основных булевых логических операций:

86
Пример кода трех основных преобразований:
Подробности OpenSCAD User Manual на wikibooks: https://en.wikibooks.org/wiki/OpenSCAD_Us er_Manual и этот сайт предоставит Вам всю необходимую информацию для разработки сложных объектов.
Примечание: Все ссылки в этой статье были проверены в апреле 2013.
Переводчики: Woolpit, mishavolkin, alex_itz
Основные булевы операции

87
3D моделирование с OpenSCAD – Часть 2
Мариус Кинтел
Разработчик OpenSCAD, Австрия
marius@kintel.net
Пара слов от автора
OpenSCAD вырос из сообщества RepRap, точнее из деятельности в области 3D печати в
Metalab (https://metalab.at), клубе программистов-энтузиастов в Вене, Австрия.
Идея OpenSCAD возникла, потому что мы нуждались в свободном программном инструменте разработки для быстрого и многократно повторяющегося создания механических деталей.
Использование существовавших в то время инструментов было слишком трудозатратным и изменение детали, часто требовало её полной переделки. Коммерческие САПР, решавшие эти проблемы, существовали, однако помимо запредельной стоимости, они не были открытым ПО, и мы чувствовали, что мир нуждается в лучшем инструменте проектирования с открытым исходным кодом. Основная идея OpenSCAD состояла в том, чтобы позволить людям описывать свои 3D модели, начав с основных строительных блоков, и затем многократно их повторяя, строить с их помощью. Дополнительно мы хотели, чтобы программа была подходящей для описания параметрических форм и положений для того, чтобы упростить настройки и адаптацию, без необходимости проходить через трудоемкие и скучные задачи реконструирования.
Вначале мы поняли, что OpenSCAD будет иметь серьезные ограничения в плане создания геометрических фигур, поэтому мы решили дать пользователям возможность выбрать программу моделирования более сложных строительных блоков. Затем OpenSCAD может импортировать эти файлы для дальнейшего моделирования, в то же время вы в любой момент можете вернуться назад и изменить основную геометрию без необходимости переделывать работу, уже проделанную в OpenSCAD. Сохранение исходного кода в качестве пользовательского интерфейса также обладает важным свойством, заключающимся в том, что люди захотят поделиться своими проектами, а также конструктивными идеями. Это также делает возможным менять, повторно использовать, или другими способами базироваться на существующих идеях и проектах других людей.
Параметрические разработки
Одно из сильных мест OpenSCAD – поддержка параметрических разработок.
Параметрический в данном контексте означает, что Вы можете создать логические строительные блоки, которые принимают определенные параметры, а возвращают созданный

88 3D компонент, отвечающий этим параметрам. Примерами таких параметров могут быть размеры объекта, отверстия гайки и болта, описания объекта (например, число зубчиков шестеренки) или элементы проекта (текст штамповки на разработке).
В OpenSCAD стандартные блоки называются модулями. Модуль – тип шаблона, который задается один раз и может использоваться многократно с различными параметрами. Следующий код определяет модуль TopPlate, который описывает параметрическую пластину с четырьмя резьбовыми отверстиями. Параметры модуля – это размеры пластины и размеры винтов. Затем вызываются два экземпляра модуля TopPlate :
Библиотеки
Множество задач моделирования, особенно при создании механических деталей или комплектующих, состоит из повторного использования стандартных элементов таких как крепежи, отверстия, прорези и т.д. В дополнение к определяющим модулям, которые упрощают повторное использование компонента в одном проекте, также возможно использование

89 внешних библиотек. OpenSCAD включает набор общих компонентов в библиотеке названной
MCAD.
Следующий пример основывается на предыдущем, но с добавлением накидных гаек под винт к существующим отверстиям и использование модуля библиотеки MCAD nuts_and_bolts, чтобы получить верные размеры гайки, соответствующей размеру винта:

90
По причине открытой природы OpenSCAD совместное использование библиотек реализуется простым расшариванием исходного кода модулей. Множество разработчиков моделей создали свои библиотеки компонентов и выложили их онлайн. На Thingiverse есть много библиотек OpenSCAD:
https://www.thingiverse.com/search?q=openscad+library
Примеры использования
Так как OpenSCAD произошел от ранней 3D печати и движения RepRap, пользовательская база является все еще самой сильной среди этих сообществ. В результате, некоторые из самых выдающихся примеров использования OpenSCAD – это разработка самих 3D принтеров.
Некоторые примеры:
•
RepRap Prusa версия 3:
https://github.com/josefprusa/Prusa3
•
АО Lulzbot 100 (частично):
https://download.lulzbot.com/AO-100/hardware/printed_parts/source/
•
Lulzbot TK-0:
https://github.com/mswillia/TK-0
•
RepRap Mendel90:
https://hydraraptor.blogspot.co.uk/2012/12/mendel90-updates.html
Найти разработки OpenSCAD можно в самом большом репозитарии Thingiverse:
https://www.thingiverse.com/tag:openscad
Переводчики: Woolpit, mishavolkin, alex_itz

91

92
Доступная
3D печать для
науки

93
Визуализируем математику, используя 3D
принтеры
Оливер Нил, Элизабет Славковски
Математическое отделение, Университет Гарварда, Кембридж, Массачусетс, США
knill@math.harvard.edu, writetoliz@yahoo.com
Визуализация
В математике визуализация всегда была важным компонентом обмена информацией.
Фигуры и модели помогли выразить идеи раньше, чем официальный математический язык смог описать структуры. Числа были записаны как метки на костях, оставленные камешком, затем высечены на камне, надписаны на глине, вплетенные в разговор узелки, написанные на папирусе или бумаге, затем распечатанные на бумаге или представлены на экране компьютера. В то время как числа расширяют язык, изображения позволяют визуализировать понятия, представление объекта в пространстве сохраняет его значимость. Уже в древней Греции, использовались деревянные модели конусов Аполлона, чтобы преподавать коническое сечение. Ранние исследования в математике часто были визуальными: фигуры на Вавилонских глиняных табличках иллюстрируют пифагоровы тройки, московский математический папирус изображает рисунки, которые помогли вывести формулу объема для усеченного конуса. Аль Хорезми чертил фигуры, чтобы решить квадратное уравнение. Визуализация не только пояснительная, образовательная или эвристическая, она имеет практическое значение: Пифагоровы треугольники, представленные веревками, помогли измерению и разделению земель в
Вавилонии. Линейка и циркуль, добавленные к конструкторской математике на бумаге, могут использоваться для создания проекта механизмов. Греческие математики, такие как Аполлоний,
Аристарх, Евклид или Архимед осваивали искусство через представление математических фигур
1
Хотя картинки не заменяют доказательств – Клайн
2
дает убедительное наглядное доказательство что все треугольники являются равносторонними, – они помогают передать догадки о результатах и идеях
3 4
. Визуализация особенно важна в образовании и может подвести к новому пониманию. Много примеров механических свойств можно найти в учебнике "Математическая механика"(“The Mathematical Mechanic”)
5
. Как педагогический инструмент она помогает учителям на разных уровнях математики, от начальной и средней школы, через высшее образование к современным исследованиям
6 7
8
. В диссертации Славковского
9
исследована осуществимость технологии в классе. Мы взглянули на работу Архимеда
10
, используя эту технологию.

94
Визуализация помогает демонстрировать красоту математики и продвигаться к более многочисленной публике. Фигуры могут вдохновить на новые идеи, создать новые теоремы или помочь в вычислениях; например – диаграммы Фейнмана или Динкина или таблицы Янга.
Большинство математиков описывают творческие идеи и догадку исходя из изображений, даже если эти фигуры не появятся на бумаге или в учебнике. Художники, архитекторы, режиссеры, инженеры и дизайнеры черпают вдохновение в визуальной математике. Хорошо проиллюстрированные книги, как
11 12 13 14 15 16
– реклама математики с фигурами и иллюстрациями. Такие публикации помогают уравновесить впечатление, что математику трудно передать не математикам. Математические выставки, такие как в Музее науки и техники в
Бостоне или Музей математики в Нью-Йорке играют важную роль в создании доступной математики. Они все визуально изображают или даже практически реализуют математику. В то время как возникли различные технологии, которые позволяют выводить на экран пространственный и динамический контент в сети, такие как Javascript, Java, Flash, WRML, SVG или WebGl, возможности управлять объектом руками все еще несопоставимы. 3D принтеры позволяют нам создать это с относительно небольшим усилием.
3D печать
Индустрия быстрого прототипирования и 3D печати, в частности, появились около 30 лет назад
17 18 19 20 21
и некоторыми считается частью промышленной революции, в которой производство становится цифровым, личным и доступным
22 23 24
. Впервые реализованная в 1994 году с печатью восковым материалом, технология перешла на другие материалы, такие как акрилатные фотополимеры или металлы и в настоящее время входит в ранг потребительских технологий.
Центры печати могут печатать в цвете, различными материалами и в высоком качестве.
Развитие 3D-печати является последним звеном в цепочке методов визуализации. Мы живем в захватывающее время, потому что мы переживаем не одну, но две революции одновременно: информационную революцию и промышленную революцию. Эти изменения также влияют на математическое образование
25
. 3D печать в настоящее время используется в медицине, авиапромышленности, для создания прототипов роботов, в создании произведений искусства и ювелирный изделий, чтобы построить нано-структуры, велосипеды, корабли, схемы, для производства художественных работ, роботов, оружия, домов и даже используется для украшения тортов. Его использование в сфере образования была исследована в
9
. Поскольку физические модели важны для практического активного обучения . Технология 3D печати в образовании использовалась с некоторого времени
26
и рассмотрена для
27
устойчивого развития для получения образования К-12 в проектах STEM
28
(science, technology, engineering and mathematics – наука, технология, инженерия, математика – прим. ред.), а также начального математического образования
29
. Нет никаких сомнений, что это будет иметь огромное влияние в сфере образования
30 31

95
Распечатанные модели позволяют иллюстрировать понятия в различных математических областях, таких как вычисления, геометрия или топология. Это уже привело к новым перспективам в математическом образовании. Литература о 3D печати сметается, так же как литература о компьютерах, когда ПК вышли на потребительский рынок. Например, книги
32 33 34
Что касается любой появляющейся технологии, её публикации могут быстро устареть, но они останутся ценным свидетельством захватывающего времени, в котором мы живем.

перейти в каталог файлов