Основы компьютерной графики: 3D-моделирование и 3D-печать

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное 

образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

В. В. ЛИСЯК

ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ:

3D-МОДЕЛИРОВАНИЕ И 3D-ПЕЧАТЬ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2021 

 

УДК 004.415.2(075.8)
ББК 32.973(Я73)

Л639 
Печатается по решению кафедры систем автоматизированного 

проектирования Института компьютерных технологий 

и информационной безопасности Южного федерального университета

(протокол № 6 от 21 января 2021 г.)

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор кафедры естествознания 

и безопасности жизнедеятельности

Таганрогского института им. А. П. Чехова (филиал) 

ФГБОУ ВО «РГЭУ (РИНХ) В. И. Божич

кандидат технических наук, доцент кафедры системного анализа 

и телекоммуникаций Института компьютерных технологий 

и информационной безопасности ЮФУ С. А. Кучеров

Лисяк, В. В.

Л639
Основы компьютерной графики: 3D-моделирование и 3D-печать : 

учебное пособие / В. В. Лисяк ; Южный федеральный университет. –
Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального уни-
верситета, 2021. – 109 с.

ISBN 978-5-9275-3825-6
В пособии рассмотрены категории 3D-принтеров, их производители и 

современные технологии 3D-печати. Представлен материал по методам и 
средствам создания 3D-моделей произвольных объектов и приводится ана-
литический обзор современного доступного программного обеспечения, 
обеспечивающего решение задачи создания 3D-моделей.

Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения 

по направлениям «Информатика и вычислительная техника», «Информа-
ционные системы и технологии» и «Прикладная информатика».

УДК 004.415.2(075.8)

ББК 32.973(Я73)

ISBN 978-5-9275-3825-6

© Южный федеральный университет, 2021
© Лисяк В. В., 2021 
© Оформление. Макет. Издательство 

Южного федерального университета, 2021

 

 

Предисловие

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Фактически всё, что будет рассмотрено в учебном пособии, можно

назвать прототипированием. Прототипирование (Prototyping) – процесс
создания физического объекта при помощи 3D-принтеров методом по-
слойного нанесения его структуры в соответствии с математической мо-
делью. Процесс образования объекта предполагает поэтапное наращива-
ние материала до получения готового изделия. Технология быстрого,
полного прототипирования снимает все ограничения относительно внут-
ренней структуры объекта. Благодаря точности 3D-принтеров и совер-
шенства программ создания модели объекта, все компоненты будущего
изделия будут расположены по заданным координатам.

В настоящее время 3D-печать является довольно распространен-

ным способом печати моделей различной структуры и сложности.

Одной из важнейших составляющих процесса трёхмерной печати,

являются программы подготовки и создания моделей объектов печати.

В этом разделе приводится краткий обзор программ 3D-модели-

рования, которые могут удовлетворить как новичков, интересующихся
3D-графикой, так и профессионалов в этой области. При этом надо пони-
мать, что для создания модели требуемого качества, иногда возникает
необходимость использования ряда программ.

Подготовка модели к печати на 3D-принтере ответственный про-

цесс, который связан с применением, по крайней мере, двух разных про-
грамм. Одной из них является программа создания модели объекта печа-
ти, результат работы которой, как правило, хранится в формате STL. Вто-
рой обязательной программой является программа, которая транслирует
описание модели в STL-файле в язык управления 3D-принтером. Так как
принтер печатает объект послойно, то в созданной модели объекта необ-
ходимо выделить такие слои или, как говорят, нарезать модель на слои.
Эту задачу и решает вторая программа, которая называется слайсером.
Подготовленный слайсером код передаётся в принтер специальной про-
граммой, которая также отслеживает процесс изготовления объекта в ре-
альном времени.

При выборе программного обеспечения, наиболее подходящего под

задачи пользователя, необходимо хорошо ориентироваться в предметной

 

Предисловие

4

области и знать базовые функции и возможности 3D-программ, которые
обязательно предусматривают наличие следующих средств:

•
создания трёхмерной модели сцены и объектов в ней;

•
рендеринга (визуализации);

•
обработка и редактирование изображений;

•
вывода изображений на поверхность визуализации.

В настоящее время на рынке программного обеспечения 3D-графи-

ки существует множество программ трёхмерного моделирования с разнообразными 
возможностями.

 

1.1. Чарльз Халл – соучредитель 3D-Systems

5

1. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ  3D-ПЕЧАТИ

Материал раздела знакомит с историей появления и развития трёх-

мерной печати, а также приводится, возможно, спорный прогноз будущего 
развития этого направления в аддитивном производстве. При подготовке 
материала раздела использовались источники [1–4].

1.1. Чарльз Халл – соучредитель 3D-Systems

Первый 3D-принтер изобретён американцем Чарльзом Халом и это

изобретение имело настолько большие последствия для развития в производстве 
новых технологий, что стоит познакомиться с личностью Халла.

Чарльз Халл – соучредитель, исполнительный 
вице-президент и главный директор по технологиям 
компании 3D-Systems. В 1984 г. запатентовал 
аппарат для стереолитографии. Родился в
1939 г. в США.

Экономический кризис 1980-х гг. заставил

предприятия искать новые технологии, и становилось 
понятно, что будущее связано с компьютеризацией 
производства. Необходимы были специалисты, 
способные соединить IT-технологии и конвейерное производство.

В 1983 г. Чарльз Халл работал в компании Ultraviolet Products

(UVP), где занимал должность вице-президента по разработкам. Компа-
ния ориентировалась на производство ламп, оборудования и разработку
светочувствительных полимеров. Разработки UVP применялись, напри-
мер, в мебельном производстве и позволяли заменить лаки и краски для
дерева на полимеры, которыми покрывали деревянный материал с после-
дующим его отвердением под действием ультрафиолета. В результате
получалось прочное пластиковое покрытие с успехом, заменяющее дере-
вянный шпон.

Однажды Халлу пришла мысль, что можно наносить не один слой

полимера, а несколько, последовательно воздействуя на них ульрафиолетом
под управлением компьютера. Тогда можно сформировать пластиковое

 

1. История создания 3D-печати

6

покрытие произвольной формы. Так родилась идея, благодаря которой в
дальнейшем был совмещён процесс компьютерного моделирования и фо-
тохимии. Эта идея захватила Халла и он интенсивно конструировал обору-
дование, анализировал полимеры и писал компьютерные программы.

Спустя несколько месяцев пришла первая удача – наконец появил-

ся рабочий вариант установки, в которой ультрафиолетовая лампа осве-
щала емкость с фотополимером. Компьютерный код Халл написал само-
стоятельно, поэтому первые изделия были простой формы. 9 марта 1983 г.
считается датой рождения 3D-печати. В этот день устройство за 45 минут
«жужжания» произвело небольшую чашу, которую Халл держал в руке и
говорил – «У меня получилось, теперь мир никогда не будет прежним».

Халл работал по технологии стереолитографии (SLA). Его доволь-

но габаритный принтер печатал трёхмерную деталь в процессе нанесения
фотополимерного материала на подвижную платформу. При этом ключе-
вой информацией для реализации процесса являлась цифровая 3D-модель
детали. Подвижная платформа поднималась на 0,1–0,2 мм, наносился но-
вый слой полимера, затем слой облучался ультрафиолетовой лампой и
процесс повторялся до готовности изделия.

Год спустя Халл получил патент США под названием «Аппарат для

создания трёхмерных объектов с помощью стереолитографии», который
был зарегистрирован 8 августа 1984 г. В патенте стереолитография была
описана как технология создания твёрдых предметов с помощью последо-
вательной печати и обработкой ультрафиолетом тонких слоев материала.
Автором разработки в патенте был Халл, но правообладателем изобретения 
была компания UVP. Свое изобретение Халл назвал стереолитогра-
фией, так как хотел, чтобы название включало термин «литография», как
синоним печати, и греческое слово «стерео», что означает «пространственный». 
Тогда он просто сложил два этих слова в одно.

В 1986 г. Халл и президент UVP зарегистрировали первую компанию

по производству 3D-принтеров и назвали её 3D-Systems, а уже в 1987 г. был
изготовлен первый серийный 3D-принтер под названием SLA-1.

Позднее Халл распространил свой метод и на любые затвердевающие 
материалы и запатентовал еще много новых решений и технологий, в
том числе новый формат данных STL для цифровых моделей. Однако
настоящий успех изобретение 3D-печати получило позже, уже в XXI в.

1.3. Скотт Крамп – создатель метода послойного наплавления

7

В настоящее время компания 3D-Systems является крупнейшим

мировым производителем 3D-принтеров, а Чарлз Халл продолжает трудиться 
в ней, совмещая должности исполнительного вице-президента и
главного инженера. В 2014 г. Халл вошел в Национальный зал славы
изобретателей США, встав в один ряд с Генри Фордом, Никола Тесла и
братьями Райт.

1.2. Карл Декард – создатель метода

селективного лазерного спекания

В 1986 г., когда Халл зарегистрировал компанию 3D-Systems по

производству 3D-принтеров, Карл Декард изобрёл метод селективного
лазерного спекания (SLS).

Карл Роберт Декард – доктор философии, док-

тор медицинских наук, американский изобретатель.

Широкую известность приобрёл за разработку

метода селективного лазерного спекания в 3D-печа-
ти. Умер в возрасте 58 лет в 2019 г.

Подробнее с методом SLS познакомимся в раз-

деле «Технологии 3D-печати». Кратко разработанный
Декартом процесс заключается в следующем. В про-
цессе используется лазерный луч, который спекает

расходный материал в виде порошка, например пластика или металла. При
этом порошок разогревается в рабочей камере почти до температуры плав-
ления. После спекания слоя рабочая поверхность камеры опускается на
0,1–0,2 мм, наноситься очередной слой порошка, который выравнивается
и спекается лазером. Далее процесс повторяется до готовности изделия.

1.3. Скотт Крамп – создатель метода послойного наплавления

В настоящее время наиболее применяемой технологией трёхмерной

печати является послойное наплавление (fused deposition modeling, FDM).
FDM-технологию изобрёл и развил Скотт Крамп. В 1988 г. он получил на
неё патент.

1. История создания 3D-печати

8

С. Скотт Крамп – изобретатель технологии по-

слойного наплавления (FDM). Вместе со своей женой
и соучредителем Лизой Крамп в 1989 г. основал ком-
панию Stratasys, Ltd..

Подробнее с методом FDM познакомимся в раз-

деле «Технологии 3D-печати». Кратко разработанный
Крампом процесс заключается в следующем.

Печать с использованием FDM-технологии ос-

нована на формировании слоёв изделия посредством

выдавливания (экструзии) расходного материала, например термопласти-
ка, из печатного блока (экструдера). Позиционирование экструдера вы-
полняется в трёх плоскостях за счёт использования высокоточных шаго-
вых двигателей. Управление перемещением экструдера осуществляется
соответствующим программным обеспечением.

Упомянутые выше 3D-принтеры являлись промышленными доро-

гостоящими устройствами, например, одни из первых принтеров стоили
от 50 до 220 тыс. долл. Поэтому примерно до 2005 г. о них знал лишь не-
многочисленный круг специалистов. Необходимо было что-то предпри-
нимать для вывода трёхмерной печати на коммерческий уровень.

Для решения этой задачи в 2006 г. был создан проект под названи-

ем RepRap (Replicating Rapid Prototyper), что можно перевести, как само-
воспроизводящийся механизм для быстрого изготовления прототипов.
Целью проекта была разработка самокопирующего 3D-принтера, функци-
онирующего по технологии FDM (послойное наплавление) и имеющего
открытый код программного обеспечения. Предполагалось, что самоко-
пируемость и открытость программного кода дадут мощный толчок в раз-
витии коммерческого успеха 3D-печати.

Основателем проекта RepRap является Адриан Боуер – преподава-

тель из Великобритании. Боуер в этот технический проект заложил фило-
софскую концепцию, которую сам характеризовал как «дарвиновский
марксизм». Со словом марксизм ассоциировалось положение Маркса о
том, что каждый человек должен владеть средствами производства. По-
этому проект RepRap можно назвать не революционной (не насильствен-
ной) передачей народу индивидуальных средств производства. С поняти-
ем «дарвинизм» Боуер связывал процесс, когда любой владелец может

1.3. Скотт Крамп – создатель метода послойного наплавления

9

менять конструкцию устройства и предлагать её, как вариант. При этом
хорошие варианты будут «выживать», а неудачные исчезать, т.е. виден
подход Дарвина.

Разработки RepRap обычно требуют лицензирования, поэтому поль-

зователь имеет правовую основу для копирования, модификации и распро-
странения разработки. Таким образом, в качестве основной цели проекта
RepRap являлось широкое внедрение аддитивных технологий с максималь-
ным вовлечением индивидуальных пользователей в процесс производства.
Так появились доступные рядовому пользователю 3D-принтеры со стоимо-
стью от 500 долл. и открытым программным кодом. При этом компании
уделяли особое внимание рабочим характеристикам, дизайну и цене
принтеров.

В плане продвижения идей RepRap прежде всего отметим компа-

нию MakerBot. Их лучшим принтером до сих пор остаётся модель
MakerBot Replicator 2, несмотря на выпуск ещё в 2012 г. Эта модель явля-
ется практически законченным коммерческим продуктом. Однако со вре-
менем компания MakerBot пересмотрела свою концепцию и отказалась от
принципа открытости программного кода. Одновременно с продвижением
на рынок принтеров компания MakerBot работала над созданием бесплат-
ного ресурса Thingiverse, который состоял из библиотеки, включающей
множество моделей для трёхмерной печати.

Отметим также компанию Formlabs, которая в числе первых выпус-

кала доступный принтер для технологии SLA (стререолитография). На
свою первую модель принтера Formlabs привлекала деньги за счёт
краудфандинга. Это один из методов привлечения денег на проект посред-
ством специальных интернет-площадок. При этом привлечь деньги можно в
долг, либо в обмен на долю в будущей прибыли или при определённом ве-
зении получить их безвозмездно. Таким образом, компании удалось создать
доступный и производительный 3D-принтер и повысить его качество.

В настоящее время планомерно повышается качество принтеров,

работающих по технологиям FDM и SLA, но при этом их стоимость
также возрастает. Многие компании совершенствуют технологии спека-
ния порошков (SLS) и печати металлом. Вместе с совершенствованием
технических средств и технологий проводятся исследования в области
расходных материалов. Сегодня наряду со стандартными пластиками

1. История создания 3D-печати

10

(ABS и PLA) применяются прочные и тугоплавкие материалы, такие как
карбон и другие.

Современные персональные 3D-принтеры по многим параметрам

догоняют профессиональные принтеры. Кроме родоначальников трёх-
мерной печати (Stratasys, 3Dsystems) сегодня на рынке промышленной
3D-печати работают много мелких и несколько крупных корпораций.

Особенно успешно в этом направлении развивается всемирно из-

вестная компания Hewlett-Packard, которая создала модель HP Jet Fusion
3D 4200 (рис.1), ставшую «хитом» в профессиональном сообществе. Этот
принтер от аналогичных моделей других производителей отличает повы-
шенная практически на порядок скорость печати (4500 мм/час). При этом
возможна печать очень прочных и точных изделий с относительно низкой
себестоимости печати. Такие высокие характеристики были достигнуты в
результате применения специально разработанной технологии Multi Jet
Fusion (MJF) – многоструйное сплавление.

Рис. 1.1. Модель HP Jet Fusion 3D 4200

Однако одним из главных недостатков трёхмерной печати всё-таки

продолжала оставаться невысокая скорость печати изделий.

1.4. Джозеф ДеСимон – основатель компании Carbon

Значительное повышение скорости печати связано с появлением

технологии CLIP компанией CARBON, поднявшей 3D-печать на каче-
ственно новый уровень. Работающие по этой технологии принтеры ком-
пании могут производить модели в 100 раз быстрее по сравнению с клас-
сической технологией SLA. Создателем и руководителем работ по про-
движению технологии CLIP является Джозеф ДеСимон.