Двумерное моделирование и детали для роботовАдепты 3Д-печати купаются в лучах медийной славы, суля журналистам новое пришествие роботов и возрождение высокотехнологичного ремесленничества через персональное цифровое производство. Однако технологии доступного цифрового производства одной 3Д-печатью совсем не ограничиваются. Пока 3Д-принтеры прокладывают свой путь с модных выставок в реальные цеха, мастерские и лаборатории, станки для автоматического изготовления плоских деталей из электронных чертежей давно стали обыденностью там, где есть необходимость получить сложное изделие промышленного качества быстро и недорого, штучно или небольшой серией.

Художники, инженеры и учёные используют станки с числовым программным управлением (ЧПУ) при раскрое листов дерева, кожи, пластика, поролона, картона, металла для изготовления красивых декоративных элементов, мебели, корпусов для электронных устройств, рекламных вывесок, номерков для гардероба, деталей для ракетных двигателей.

Станок для гидроабразивной резки металла и изготовленная на нем стальная бабочка в НПО«Энергомаш» [1]

Из известных технологий, применимых для резки плоских материалов, можно перечислить фрезерование, лазерную резку, плазменную резку, гидроабразивную резку, криогенную резку.Фрезерование подразумевает раскрой материала при помощи быстро вращающегося прочного режущего инструмента, фрезы (внешне напоминает сверло); некоторые историки называют автором первого фрезерного станка американского изобретателя и промышленникаЭли Уитни, хотя другие исследователи с этим не согласны, но все сходятся на том, что первые фрезерные станки появились в 1814 — 1818 годы [2],[3]. При лазерной резке материал расплавляется, выгорает или испаряется в нужном месте под действием тонкого луча лазера; разные лазеры работают с разными материалами — более слабые справятся только с пластиком и деревом, более мощные разрежут металл. При плазменной резке металлразрезается при помощи газа, который под действием электричества превращается в раскаленную плазму. Гидроабразивная резка рассекает материал струёй воды, смешанной с твердыми частицами специального абразивного материала, подаваемой под сильнейшим напором; сможет разрезать лист стали толщиной 200 миллиметров. Криогенная резка —

относительно новая технология, появилась в 1990 годы [4], права на технологию принадлежат американской компании Nitrocision; материал разрезается тонкой струёй жидкого азота под высоким давлением, позволяет резать широкий спектр разнообразных материалов, включая пластик, сталь, керамику, бетон и даже пищу.

Общий принцип работы станков, использующих ту или иную технологию раскроя, в целом одинаков: рабочий режущий блок перемещается над листом исходного материала по двум координатам и рассекает его миллиметр за миллиметром, постепенно вырезая нужную форму. В современных станках с ЧПУ перемещение головки контролируется программой из управляющего блока (отсюда числовое программное управление), траектория перемещения генерируется автоматически из электронного чертежа.

Большой фрезерный станок в Фаблаб МИСиС

Станки для раскроя листовых материалов отличают по технологии резки, набору материалов,с которыми они умеют работать, размеру рабочей области, цене. На рынке представлено оборудование от дорогостоящих промышленных станков, которые может позволить себе только крупное производственное предприятие, до настольных моделей, доступных изобретателю-одиночке. Многие энтузиасты предпочитают создавать станки с ЧПУ самостоятельно по открытым чертежам или используя собственную конструкцию (например,проект Lasersaur lasersaur.com – станок с ЧПУ для лазерной резки дерева и пластика с открытыми чертежами конструкции и исходным кодом управляющего блока). Доступные услуги по раскрою листовых материалов довольно широко представлены на рынке

небольшими компаниями, которые занимаются производством рекламной продукции: чаще всего это лазерная резка или фрезерование дерева и пластика, лазерная резка металла; они также обычно принимают мелкие заказы от физических лиц.

Большой фрезерный станок по дереву и станок для лазерной резки дерева и пластика входят в типовой список оборудования, рекомендованного для лабораторий в формате Фаблаб и Центров молодёжного инновационного творчества (ЦМИТ) [5]. Там к ним могут получить свободный доступ учителя школ и преподаватели вузов, школьники и студенты. Организаторы лаборатории могут захотеть расширить набор оборудования и включить в него, например, станки для производства деталей из металла.

Используя лишь плоские детали, вполне возможно создавать сложные пространственные конструкции и механизмы, нужно лишь продумать, как элементы будут расположены друг относительно друга и каким образом они будут крепиться. 3Д-моделирование и 3Д-печать в этом смысле накладывают меньше ограничений на полёт фантазии инженера, так как позволяют создавать детали произвольной формы во всех трёх привычных нам пространственных измерениях. С другой стороны, 3Д-печать пока еще не может конкурировать с резкой листовых материалов в разнообразии доступных материалов, скорости и стоимости работы, размере изготавливаемых конструкций, особенно, если речь идет о распространенных недорогих 3Д-принтерах. В том случае, если плоская деталь вырезана из металла, её можно согнуть — это увеличит пространство возможностей.

3Д-принтер собран из плоских деталей, вырезанных лазером из листа фанеры. ПроектШкольный 3Д-принтер в Астраханском молодежном инновационном центре

Урок 2: моделирование и производство плоских деталейХотя принципы работы режущего блока на станке с ЧПУ для каждой из технологий имеют кардинальные отличия, на процесс создания электронного чертежа художником или изобретателем это почти никак не влияет. Конечно, при моделировании необходимо учитывать особенности материала и характеристики выбранного оборудования, но в конечном итоге всё можно свести к рисованию двумерных контуров в специальной компьютерной программе.

Программы для создания электронных чертежей можно условно разделить на 3 группы: редакторы векторной графики «для дизайнеров и художников», системы двумерного автоматического проектирования (2Д САПР) «для инженеров», системы трёхмерного автоматического проектирования (3Д САПР) с возможностью экспорта выбранной проекции объёмной детали в файл с двумерным чертежом.

Художники и дизайнеры используют редакторы векторной графики для разнообразных задач — создания графики для интернета, иконок для приложений, макетов рекламной продукции, полиграфии. Большинство представленных в них возможностей таких, как управление цветом, необходимо для создания красивых качественных изображений, однако, их базовые возможности по созданию контуров вполне подходят для создания электронных чертежей и цифрового производства. Популярные редакторы векторной графики — проприетарные CorelDraw, Adobe Illustrator, с открытым исходным кодом Inkscape.

Системы автоматического проектирования целесообразно использовать в проектах, где значительную роль играет инженерная составляющая. Помимо базовых функций черчения контуров, они могут содержать возможности создания параметрических моделей, генерировать конструкторскую документацию. 3Д САПР может позволить задать физическиепараметры конструкции и провести её виртуальные испытания на прочность. Популярные 2ДСАПР: проприетарные Autodesk Autocad, BricsCAD, с открытым исходным кодом QCAD, LibreCAD.

Ознакомимся с основными принципами работы простого и дружелюбного редактора векторной графики Inkscape, а также посмотрим, как его можно использовать для цифрового производства плоских деталей.

Электронный чертёж в редакторе векторной графики Inkscape и готовые детали, вырезанныелазером из листа оцинкованной стали

Редактор векторной графики Inkscape является программным обеспечением с открытым исходным кодом, его можно свободно скачать с сайта inkscape.org и абсолютно легально установить на любое количество компьютеров. Inkscape работает в операционных системах Linux, Mac OS X и Windows.

Работа в любом редакторе векторной графики, в том числе в Inkscape, похоже на создание аппликации: художник добавляет на рабочую область объекты различной формы, далее по мере необходимости редактирует их форму, размещает их друг относительно друга наиболее подходящим образом.

Пожалуй, наиболее важный инструмент любого векторного редактора — возможность рисовать кривые Безье, названные в честь французского инженера Пьера Этьена Безье.

Запустим Inkscape, на левоей панели выберем инструмент «Рисовать кривые Безье и прямые линии» и нарисуем произвольную ломаную линию. Далее выберем инструмент «Редактировать узлы контура или рычаги узлов» и потянем левой кнопкой мыши за любой сегмент ломаной. Как видим, она превратилась в кривую линию. Форма изгиба может произвольной и довольно сложной, но она всегда определяется координатами всего четырёх точек: координаты концов линии, а также координаты двух касательных отрезков, которые невидимы в других режимах работы.

Помимо произвольных ломаных и кривых линий, в рабочую область легко добавлять базовыегеометрические фигуры такие, как эллипсы и прямоугольники. Выберем инструмент «Рисовать круги, эллипсы и дуги» и нарисуем на холсте круг или эллипс.

Для любого объекта на холсте можно задать цвет заливки, а также цвет, толщину и тип контура обводки, все эти параметры доступны для выбранного объекта в меню «Объект / Заливка и обводка»

Попробуйте добавить другие фигуры — прямоугольник и текст. Их можно произвольно перемещать по холсту, а также изменять размер при помощи инструмента «Выделять и трансформировать объекты».

Важный нюанс — большинство базовых геометрических объектов, кроме линий, добавляемых на холст, в процессе работы сохраняют некоторые специальные свойства исходных фигур. Например, текст можно редактировать даже после того, как он будет растянут или повернут на произвольный угол на рабочей области, у прямоугольника можно в любой момент изменить радиус скругления углов и так далее.

Любой объект, расположенный на холсте, можно превратить в простой контур, состоящий из набора кривых Безье. Нужно выделить объект на холсте и выбрать меню «Контур / Оконтурить объект». После этого в режиме редактирования узлов можно убедиться, что бывший эллипс легко превращается в произвольную кляксу. В Inkscape важно переводить всеобъекты в контуры перед тем, как сохранить чертёж в файл для цифрового производства.

Мы ознакомились с тем, как создавать в редакторе произвольные контуры, объекты и контуры из объектов. Теперь рассмотрим несколько специальных нюансов и функций, которые могут оказать полезными именно для цифрового производства.

Во-первых, при проектировании деталей в первую очередь стоит озаботиться их реальными размерами. Откроем меню «Файл / Свойства документа» и в открывшемся диалоге на первойвкладке установим параметр «Единица измерения» в миллиметры.

Теперь в этом же диалоге на вкладке «Сетки» создадим прямоугольную сетку с шагом 1 миллиметр по X и по Y.

Возвращаемся к чертежу и видим, что контролировать реальный размер наших деталей сталогораздо удобнее — рабочая область рисунка стала похожа на лист линованной миллиметровой бумаги.

Нарисуем что-нибудь полезное или интересное, на этот раз контролируя точные размеры фигуры.

Подготовим чертёж к экспорту для производства - переместим фигуру в начало координат, переведем все объекты в контуры.

Теперь в меню «Файл / Сохранить копию» выбираем подходящий для нас формат из довольно большого списка доступных вариантов. Конкретный выбор будет зависеть от того, с каким программным обеспечением привык работать персонал выбранного вами сервиса для производства. Для инженерных САПР (в них любят работать компании, предоставляющие услуги лазерной резки металла) универсальным форматом обмена двумерными чертежами является DXF; также в этой среде популярен формат Autocad DWG, но он является закрытым и далеко не каждая программа сможет с ним работать. На производстве, занимающемся изготовлением рекламной продукции, предоставляющем услуги лазерной резки пластика, могут любить CorelDraw; для обмена векторыми рисунками между Inkscape и CorelDraw наиболее предпочтительным является формат PDF.

Контур из Inkscape экспортирован в файл DXF и открыт в 2Д САПР LibreCAD

Отправляем электронный чертёж на производство, получаем результат.

Ссылки[1] Как производят лучшие ракетные двигатели в мире (экскурсия по НПО «Энергомаш»), Виталий Егоров, 31 декабря 2014, http://zelenyikot.livejournal.com/60140.html

[2] Roe, Joseph Wickham (1916), English and American Tool Builders, New Haven, Connecticut: Yale University Press, LCCN 16011753. Reprinted by McGraw-Hill, New York and London, 1926 (LCCN 27-24075); and by Lindsay Publications, Inc., Bradley, Illinois, (ISBN 978-0-917914-73-7).

[3] Woodbury, Robert S. (1972) [1960], History of the Milling Machine. In Studies in the History ofMachine Tools, Cambridge, Massachusetts, USA, and London, England: MIT Press, ISBN 978-0-262-73033-4, LCCN 72006354. First published alone as a monograph in 1960.

[4] Сайт компании Nitrocision nitrosicion.com, раздел System history, http://www.nitrocision.com/N/index.cfm?PageNumber=1153

[5] Эксперты РВК и МИСиС при содействии АИРР разработали рекомендации для создания российских ЦМИТ, 15 июня 2012, http://www.rusventure.ru/ru/press-service/news/detail.php?ID=10829&sphrase_id=50892

Полезные ресурсы[1] Фаблаб МИСиС http://fablab77.ru[2] Фаблаб Политех (СПбГПУ) http://fablab.spbstu.ru[3] Астраханский молодёжный инновационный центр http://www.fablabastrakhan.ru[4] Станок для лазерной резки c отрытыми чертежами Lasersaur http://www.lasersaur.com[5] Редактор векторной графики Inkscape http://www.inkscape.org