《3D打印技术》课时17 3D建模基础

3D建模基础3D模型的概念3D建模与3D打印的关系建模软件的分类建模软件的发展状况三维模型的概念所谓三维模型是物体的多边形表示,通常用计算机或者其它视频设备进行显示。显示的物体可以是现实世界的实体,也可以是虚构的物体。任何物理自然界存在的东西都可以用三维模型表示。教育教学学习三维模型经常用三维建模工具这种专门的软件生成,但是也可以用其它方法生成。作为点和其它信息集合的数据,三维模型可以手工生成,也可以按照一定的算法生成。尽管通常按照虚拟的方式存在于计算机或者计算机文件中,但是在纸上描述的类似模型也可以认为是三维模型。三维模型广泛应用在任何使用三维图形的地方。实际上,它们的应用早于个人电脑上三维图形的流行。许多计算机游戏使用预先渲染的三维模型图像作为sprite用于实时计算机渲染。现在,三维模型已经用于各种不同的领域。在医疗行业使用它们制作器官的精确模型；电影行业将它们用于活动的人物、物体以及现实电影；视频游戏产业将它们作为计算机与视频游戏中的资源；在科学领域将它们作为化合物的精确模型；建筑业将它们用来展示提议的建筑物或者风景表现；工程界将它们用于设计新设备、交通工具、结构以及其它应用领域；在最近几十年,地球科学领域开始构建三维地质模型。三维模型本身是不可见的,可以根据简单的线框在不同细节层次渲染的或者用不同方法进行明暗描绘（shaded）。但是,许多三维模型使用纹理进行覆盖,将纹理排列放到三维模型上的过程称作纹理映射。纹理就是一个图像,但是它可以让模型更加细致并且看起来更加真实。例如,一个人的三维模型如果带有皮肤与服装的纹理那么看起来就比简单的单色模型或者是线框模型更加真实。除了纹理之外,其它一些效果也可以用于三维模型以增加真实感。例如,可以调整曲面法线以实现它们的照亮效果,一些曲面可以使用凸凹纹理映射方法以及其它一些立体渲染的技巧。三维模型经常做成动画,例如,在故事片电影以及计算机与视频游戏中大量地应用三维模型。它们可以在三维建模工具中使用或者单独使用。为了容易形成动画,通常在模型中加入一些额外的数据,例如,一些人类或者动物的三维模型中有完整的骨骼系统,这样运动时看起来会更加真实,并且可以通过关节与骨骼控制运动。3D建模与3D打印之间的关系我们在进行3D打印之前首先要有3D模型。一般我们可以通过外部搜索获取,但是很多时候我们没有办法根据自己的想法和创意打印我们想要的模型。这时候建模就显得格外重要,可以说建模是3D打印的灵魂。同时通过打印我们也能够了解到基于各种技术的3D打印机的特性,根据这些不同的特性我们在建模的时候可以进行有针对性的优化,这样使我们的模型打印的效果会更加的好。教育教学学习3D建模除了可以帮助我们进行一般模型的创建,也可以完善我们在的学习打印的过程中所发现的现有机器的一些弊端。我们甚至可以用它来创建属于我们自己的3D打印机结构。在我们初步学习3D打印机的时候最先着手的就是基于FDM技术的机型。然而目前市面上最常见的FDM的3D打印机的结构有龙门结构,三角结构,和矩形结构。这几种结构多多少少都有一定的缺陷。首先我们了解一下基于龙门结构的prusei3,这种机型非常适合我们初学者入门。装配相对简单,调试容易稳定性也很强。但是最早的prusei3一般选用的是近程挤出,我们这里先不了解什么是近程挤出我们只谈谈它的缺点。根据我们初中时学的物理得知相等条件下,越重的物体其惯性也就越大。然而我们的prusei3相对其他结构的打印机来说就有这个缺点。所以后来的一些玩家开始把它改成远程挤出以此来克服它的某些缺点。那么问题就来了,对于一个初学者的我们或者一个只会打印的爱好者来说。想要获得这部分的改变建模就显得格外重要。虽然我们也可以从网上搜索到一些其它的玩家所制作的模型但是实际情况多多少少会受到我们打印机限制的影响。因为不可能所找到的模型就一定和你的打印机相匹配。基于三角结构的三角洲同样有它的弊端,比喻打印高度利用率不高。虽然我们目前还没有更好的办法来解决这个问题但是这些问题都是我们在使用机器时候所了解到的。随着我们对机器的深入了解和3d打印技术的不断发展这些问题我们都能够有效的克服,然而想要克服这些问题除了我们对3d打印及其机械原理的了解,更重要的是建立在我们能够建模的基础上,只有我们自己掌握了建模的技术我们才可以根据自己内心的想法对机器进行一些符合自己理念的改变。除了这些改变我们还可以根据自己的积累重新绘制一个打印机的模型,比喻我们现有桌面端的FDM的机型一般的打印面积为200*200*200。但有些时候我们可能需要打印更大的模型。除了一些其它的方法比喻我们后期将要学习到的magics来对模型进行处理,但是它仍然有一定的局限性。这个我们在后期就可以明显得观察得到。最好的方法就是我们能够拥有一个能打印更大面积的3d打印机。而当我们掌握了建模技术同时又学会了3D打印这些都不在话下。所以一句话建模对3D打印至关重要。建模软件的分类目前市面上有很多建模软件，我们可以根据其应用和特性进行简单的分类:一、实体建模；二、曲面建模；三、多边形建模；四、雕刻类建模教育教学学习实体建模是指从绘制二维草图,创建成三维实体并应用其他特征最后生成所要的零件的过程。需要注意的是,建模不仅仅是对创建零件形状和标注尺寸,更重要的是要表达设计意图。实体建模曲面建模也称为NURBS建模,NURBS是Non-UniformRationalB-Splines的缩写,是"非统一均分有理性B样条"的意思。具体解释是:Non-Uniform(非统一)--是指一个控制顶点的影响力的范围能够改变。当创建一个不规则曲面的时候这一点非常有用。同样,统一的曲线和曲面在透视投影下也不是无变化的,对于交互的3D建模来说这是一个严重的缺陷;Rational(有理)--是指每个NURBS物体都可以用数学表达式来定义;B-Spline(B样条)--是指用路线来构建一条曲线,在一个或更多的点之间以内插值替换的。曲面建模简单地说,NURBS就是专门做曲面物体的一种造型方法。NURBS造型总是由曲线和曲面来定义的,所以要在NURBS表面里生成一条有棱角的边是很困难的。就是因为这一特点,我们可以用它做出各种复杂的曲面造型和表现特殊的效果,如人的皮肤,面貌或流线型的跑车等。曲面建模既NURBS建模,是由曲线组成曲面,再有曲面组成立体模型,曲线有控制点可以控制曲线曲率、方向、长短。属于目前两大流行建模方式之一,另一种是多边形建模。曲面建模多边形就是由多条边围成的一个闭合的路径形成的一个面。顶点Vertex:线段的端点,构成多边形的最基本元素。边Edge:就是一条连接两个多边形顶点的直线段。面Face:就是由多边形的边所围成的一个面。Maya允许由三条以上的边构成一个多边形面。三角面是所有建模的基础。在渲染前每种几何表面都被转化为三角形面,这个过程称为镶嵌,一般原则,尽量使用三边或四边面。法线Normal:表示面的方向。法线朝外的是正面,反之是背面。顶点也有法线,均匀和打散顶点法线可以控制多边形的平滑外观。多边形建模雕刻类建模与上面讲到的所有建模有着本质上的区别。用通俗的话来讲,雕刻类建模就是用鼠标模拟雕刻师手中的工具,切、削、磨、刻已达到最终成像的的效果。这里软件的优势在于基本不用考虑模型的布线问题,而且对于现实中有雕刻基础的学生而言上手尤为容易。当然局限性也是有的,雕刻类软件由于不考虑布线,所以在模型文件动态运动上基本是一塌糊涂,当然我们先做学习的是3D打印的建模,所以实际上尤其擅长静态作业的雕刻类软件是非常厉害的。但是相比于其他类型软件的上手容易,实际上雕刻类软件对于非艺术专业的学生而言有着一定的进入门槛,是一个考验手感的软件。比较著名的雕刻类软件有ZBRUSH。雕刻类建模建模软件的发展现状长久以来,工程设计与加工都基于二维工程图纸。CAD技术应用前期,首先实施“甩图板”工程,就是将传统的纸质图纸转化成计算机中的二维电子图档。从纸质图纸到电子化的图档,这是数字化应用的一大进步,但是此时的CAD仅仅是计算机辅助绘图（ComputerAidedDrawing）,而非计算机辅助设计（ComputerAidedDesign）,主要原因在于三维建模技术没有完全实用化。教育教学学习人类生活在三维世界中,创造性的产品设计活动首先在人脑中完成。为了表达这些产品,必须用合适的方法加以描述,以便与其他人员沟通,使之投入加工生产。在计算机三维建模技术没有实用化时,只能将三维产品构思按照制图法绘制图纸来表达。用二维平面图中的点、线来描述三维世界中的实体,实在是人们不得已而为之的一种方法。计算机三维建模技术成熟,相关建模软件实用化后,这种局面被彻底改变了。发展现状在CAD技术发展初期,几何建模的目的仅限于计算机辅助绘图。随着计算机软、硬件技术的飞速发展,CAD技术也从二维平面绘图向三维产品建模发展,由此推动了三维建模技术的发展,产生了三维线框建模、曲面建模以及实体建模等三维几何建模技术,以及在实体建模基础上发展起来的特征建模、参数化建模技术（具体请参看本书“第2章三维建模基础知识”的介绍）。下图显示了产品三维建模技术的发展历程。曲面建模和实体建模的出现,使得描述单一零件的基本信息有了基础,基于统一的产品数字化模型,可进行分析和数控加工,从而实现了CAD/CAM集成。发展现状目前，CAX软件系统大多支持曲面建模、实体建模、参数化建模、混合建模等建模技术。这些软件经过四十年的发展、融合和消亡，形成了三大高端主流系统，即法国达索公司的CATIA.德国SIEMENS公司的Unigraphics（简称UGNX）和美国PTC公司的Pro/Engineer（简称Pro/E）。三维建模是现代设计的主要技术工具，必将取代工程制图成为工程业界的“世界语”。如前所述，三维建模比二维图纸更加方便、直观，包含的信息更加完整、丰富，能轻松胜任许多二维图纸不能完成的工作，对于提升产品的创新、开发能力非常重要。三维建模系统的主要发展方向如下。发展方向标准化:主要体现在不同软件系统间的接口和数据格式标准化，以及行业标准零件数据库、非标准零件数据库和模具参数数据库等方面。集成化:产品各种信息（如材质等）与三维建模系统的集成。智能化:三维建模更人性化、智能化，如建模过程中的导航、推断、容错能力等。发展方向网络化:包括硬件与软