Моделирование детских пазловых игрушек в программе "Компас-3D"

муниципальное казенное образовательное учреждение

«Черницынская средняя общеобразовательная школа»

Октябрьского района Курской области

ИТОГОВЫЙ ПРОЕКТ

на тему

«Моделирование детских пазловых игрушек в программе "Компас-3D"»

по дисциплине

«Информатика»

Обучающийся: Лыткин Никита

Класс 9А

Руководитель проекта: Пятницков С.В. 29 марта 2023 г.

с.Черницыно

3
6
10
11
12
13
22
25
26

Содержание

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………..

ГЛАВА I. Теоретический обзор материала по теме исследования

1.1. Детские настольные игры…...……………………………………………………….…

1.2. Программы для 3D-моделирования (название, краткое описание) ………………...

1.3. История создания программы «Компас-3D» ………………………………………..

ГЛАВА II. Описание исследования и его результаты

2.1. Правила работы в программе «Компас-3D» …………………………………….…..

2.2. Конструирование моделей детских пазловых игрушек ………………………….…

2.3. Технологическая карта на изготовление моделей детских пазловых игрушек с использованием программы «Компас-3D». Экономическое обоснование …….………

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………...............................................

СПИСОК ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ………………………………..

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Люди давным-давно научились изображать разнообразные предметы, которые встречаются в повседневной жизни. Чтобы в точности передавать все геометрические параметры объектов, были разработаны правила составления чертежей, на которых объемные фигуры получают свое отображение в многочисленных проекциях.

В течение многих лет объем изображали художники, однако полотно, на котором писались картины, всегда оставалось двумерным, и на объект можно было смотреть только с одного ракурса. С развитием технологий появилось значительно больше возможностей в области моделирования.

3D моделирование — это процесс визуализации объекта в трехмерном пространстве с помощью компьютерных программ. При помощи компьютерных программ можно строить 3D-модели, которые более наглядно представляют объекты и даже окружающее пространство

Понятие 3D, так прочно обосновавшееся в нашей жизни, является сокращением от английского 3-dimensional (в трех измерениях). Как известно еще со школьных уроков геометрии, чтобы квадрат стал кубом, к обычной длине и ширине необходимо добавить высоту, которая и выступает в качестве третьего измерения.

За 3D-модель можно смело принимать любую скульптуру, а этот жанр искусства появился несколько тысячелетий назад. Архитекторы очень часто прибегают к построению макетов, чтобы более точно представлять конструкцию здания.

В современном мире, где технологии с каждым днем упрощают человеческую жизнь, 3D-моделированием занимаются компьютеры. Строить объемные изображения можно буквально на «пустом месте», руководствуясь приблизительными данными о визуализации объекта (к примеру, спроектировать персонажа видеоигры, у которого нет прототипа в реальном мире). Данный прием называется компьютерным моделированием.

Существует еще такой вариант, как создать 3D-модель, основываясь на многочисленных фотографиях объекта с различных ракурсов.

3D-моделирование применяется во многих областях человеческой жизни. Перечислим некоторые из них:

• Архитектура. Никто не отрицает преимуществ макетов, однако, если заказчик вдруг пожелает увеличить размер комнаты или добавить пару-тройку этажей, архитектору придется заново конструировать картонную модель. А используя компьютерные программы, можно управиться за несколько кликов;

• Игры и кино. Анимация в наше время по своему качеству начинает превосходить реальный мир. Любого человека можно сделать персонажем компьютерной игры, перенеся все особенности реальной внешности в виртуальный мир;

• Военная тактика. 3Д-моделирование местности помогает стратегам лучше спланировать маневры, соотнести риски и принять наиболее правильное решение;

• Дизайн. Здесь можно представлять все, что угодно: от модных платьев и украшений до интерьеров помещений. Так как творец по своей природе – очень беспокойная и переменчивая натура, то перед непосредственным созданием дизайнер должен быть на 100% уверен, что точно представляет готовое изделие. А 3D-моделирование выступает лучшим помощником в этом деле.

Все виртуальные миры и персонажи созданы с помощью одного и того же принципа — полигонального моделирования (Рис. 1).

Рис.1. Полигональное моделирование Рис.2. Полигоны

Полигонами (Рис. 2) называются вот эти треугольники и четырехугольники.
Чем больше полигонов на площадь модели, тем точнее модель. При полигональном моделировании мы получаем визуальный образ. Если полигональная модель выполнена в виде замкнутого объема, например, скульптуры, то благодаря современной технологии 3D-печати они могут быть воплощены в жизнь.

Полигональное моделирование нужно не только для творческих людей (художников, дизайнеров, скульпторов). Еще одной крупной сферой применения 3D моделей является медицина, а именно – хирургия. Можно вырастить протез кости взамен раздробленной. Конечно, используя полигональное моделирование, можно построить все восстанавливающие и усиливающие элементы, но невозможно контролировать необходимые зазоры, сечения, учесть физические свойства материала и технологию изготовления (особенно плечевого сустава). Для таких изделий применяются методы

Рис.3. промышленного проектирования.

По правильному они называются: САПР (Система Автоматизированного ПРоектирования) или по-английски CAD (Computer-Aided Design). Это принципиально другой тип моделирования. И именно о нем я буду рассказывать. Этот метод отличается от полигонального, тем, что тут нет никаких полигонов и все формы являются цельными и строятся по принципу профиль + направление (Рис. 3).

Базовым типом является твердотельное моделирование. Из названия можно понять, что, если мы разрежем тело, внутри оно не будет пустым. Твердотельное моделирование есть в любой CAD-системе. В CAD мы получаем электронно-геометрическую модель изделия. Твердотельное моделирование отлично подходит для проектирования всего, что получается путем промышленного производства.

Не всегда задуманную топологию и сложность формы можно реализовать в твердотелке, и тогда на помощь приходит неотъемлемая часть промышленного проектирования — поверхностное моделирование.

Актуальность выбранной темы обусловлена практически повсеместным использованием трехмерного моделирования в различных отраслях и сферах деятельности, знание которого становится все более необходимым для полноценного развития личности.

Объектом исследования является программа «Компас-3D» применительно к созданию моделей детских пазловых игрушек.

Предмет исследования: методы построения моделей детских пазловых игрушек с помощью программы «Компас-3D».

Цель исследования: научиться моделированию объёмных объектов в программе 3-D моделирования "Компас-3D" и подготовить для печати на 3D принтере детские пазловые игрушки.

Задачи исследования:

1. Познакомиться с многообразием детских настольных игр

2. Изучить программы для 3D-моделирования

3. Сконструировать трехмерные модели детских пазловых игрушек с использованием программы «Компас-3D»

4. Подготовить для печати на 3D-принтере модели детских пазловых игрушек

5. Провести экономическое обоснование на изготовление моделей детских пазловых игрушек с использованием программы «Компас-3D»

Решение поставленных задач потребовало привлечения следующих методов исследования:

1. Работа с различными источниками информации по теме исследования

2. Описание, систематизация материала, анализ, сравнение

3. Конструирование

Формы фиксирования результатов:

1. Скриншоты этапов работы

2. Описание последовательности выполнения моделей

3. Обработка полученных результатов моделирования и подготовка их к печати.

Оснащение и оборудование: программа «Компас-3D», принтер ZENIT 3D.

Гипотеза: 3D-моделирование, как и детские настольные игры, тренирует математические способности, воспитывает сосредоточенность, учит самостоятельно делать выводы и планировать, а ещё - развивает память, усидчивость, пространственное мышление.

Теоретическая и практическая значимость данной работы определяется тем, что 3D-моделирование является эффективным инструментом школьного обучения, способствует развитию межпредметных связей между математикой, геометрией, стереометрией, информатикой. Главная функция детских настольных игр — объединение людей разных возрастов и интересов: и школьники, и пенсионеры зачастую с одинаковым азартом стараются обыграть друг друга.

 ГЛАВА I. Теоретический обзор материала по теме исследования

1. Детские настольные игры

Двадцать-тридцать лет назад — ещё до наступления интернет-эпохи — настольные игры (настолки) для детей обходили по популярности большинство других видов досуга. Сейчас мода на настолки возвращается. И это хорошо: возможно, именно благодаря настольным играм дети предыдущих поколений раньше начинали мыслить логически и умели быстро принимать верные решения с минимальной помощью взрослых. Пожалуй, главная функция детских настольных игр — объединение людей разных возрастов и интересов: и школьники, и пенсионеры зачастую с одинаковым азартом стараются обыграть друг друга. Но если взрослым просто интересен процесс игры, то у детей настольные игры развивают целый ряд полезных навыков, а именно: математические способности, формируют грамотную устную речь и навыки коммуникации, умение мыслить стратегически, пространственное мышление, учат детей спокойно относиться к поражению, развивают усидчивость и способность концентрироваться, да и просто снижают стресс и улучшают настроение.

Настольные игры для детей и взрослых — не что иное, как симуляция жизни, маленькая модель какого-то из ее проявлений. Это может быть мир экономики или волшебства, путешествие по космическим просторам или по листку в клеточку. Подобно книгам и интернету, «настолки» могут быть не только развлечением, но и мощным развивающим средством. В увлекательной форме они дают новые знания в самых разных областях, эффективно тренируют память, логическое мышление, внимание, реакцию, учат выстраивать стратегии и взаимодействовать с другими игроками. Изучая, какие бывают детские настольные игры, и выбирая подходящую, нужно ориентироваться на несколько общих критериев. Хорошая игра должна: подходить ребенку по возрасту; содержать достоверную информацию, без опечаток и ляпов; изготавливаться из безопасных материалов; вызывать интерес и положительные эмоции у малыша; иметь удобную упаковку для хранения и транспортировки. При соответствии всем этим параметрам развивающий эффект от обучающей игры обеспечен. А какие знания и навыки получит ребенок — будет зависеть от ее содержания и цели.

Рис. 4. Игра «Монополия для детей»

В се современные «настолки» можно разделить на несколько крупных категорий в зависимости от характера игрового поля, необходимых деталей, фигурок; от количества участников и задач, которые перед ними ставятся. Есть игры, стилизованные в соответствии с полом ребенка: например, обычные шашки, где вместо черных фишек — розовые, предназначены специально для девочек. Игры для мальчиков предполагают спортивную или автомобильную тематику.

Игры «ходилки». Каждый игрок выбирает себе фишку, которая будет передвигаться по клеточкам на карте согласно числу, выпавшему на игральной кости. Поле может быть оформлено в духе известных сказок или мультфильмов, содержать дополнительные задания для участников, поэтому чем больше детей играет, тем интереснее. Победа или поражение в ходилке чаще всего зависит от удачи, а не от сообразительности

противников, но бывают и исключения. Например, в популярной стратегической игре «Монополия для детей» (Monopoly Junior) (Рис. 4) и ей подобным («Марракеш», «Моя веселая ферма», «Зоолоретто», «Дети Каркассона») ребенку нужно тщательно продумывать каждый свой шаг. Развиваются умение планировать, оценивать риски и выгоду, просчитывать действия соперников.

Главное преимущество игры «ЛОТО» (Рис. 5) — возможность наполнить ее огромным количеством полезной информации. Если самым маленьким предлагается заполнять готовые карточки с изображениями овощей,

Рис. 5. Игра « ЛОТО »

ц ветов, рыб, птиц, то детям 7–8 лет будет интересно играть в тематические лото, составленные для них педагогами, — литературное, математическое, по иностранному языку. Любой предмет с помощью этой игры можно подать в увлекательной соревновательной форме.

Рис. 6. Игра « ДОМИНО »

Детская версия домино (Рис. 6) — с рисунками вместо точек на костяшках. Обычно на них изображаются животные, сказочные персонажи, растения, виды транспорта. Нужно выкладывать костяшки таким образом, чтобы одинаковые картинки соприкасались друг с другом.

Н а первый взгляд ничего сложного, но чтобы выиграть, ребенку придется, исходя из имеющихся у него сочетаний картинок, анализировать, какие фишки могут быть у противника, а каких нет. Прикидывать, сколько одинаковых изображений уже выложено, а сколько еще осталось. Все эти подсчеты нужно производить быстро, держать в голове возможные комбинации и не выдавать эмоций противнику. Игра тренирует память, устный счет, логическое мышление и учит владеть собой.
В традиционные игры с использованием стандартного игрового поля — шашки (Рис. 7) , шахматы, нарды — при желании можно начинать играть с 6 лет.

Рис. 7. Игра «Озорные шашки»

Они хороши тем, что подходят для любого уровня развития, а сложность игры увеличивается вместе с ростом мастерства игрока. Это проверенные временем средства для тренировки логического мышления, памяти, стратегического планирования.

П азлы (Рис. 8) – одна из игр, которые остаются интересными детям в любом возрасте. Если малышам в 2 года подойдут картинки, разрезанные на 4 части, то дошкольникам в 5 лет рекомендуется собирать пазлы из 40–60 деталей размером не менее чем 3х3 см. Картины из самых мелких частей можно

Рис. 8. Пазлы

п редлагать детям в возрасте 7–9 лет. Головоломка развивает внимание, усидчивость, терпение, мелкую моторику, воображение.

Игры с бумагой и карандашом (Рис. 9). Самые ценные и интересные игры не продаются в магазине. Они разворачиваются на листочке в клеточку с помощью карандаша, а участников, как правило, двое. Крестики-нолики. В классическую версию с полем 3х3 клетки можно играть с 4-летним

Рис. 9. Игра « Крестики-нолики »

малышом, а есть и более сложный вариант, заставляющий попотеть даже взрослых. Его суть в том, что поле игры не ограничено, а в ряд нужно поставить 5 крестиков или ноликов. Развивает внимание, скорость реакции, логику. Танчики. Простая и очень азартная игра. Лист бумаги нужно сложить пополам, каждый участник, не показывая другому, на своей половине рисует заданное количество «танчиков»: два овала друг на друге, снизу большой, сверху — маленький. Лист разворачивается — это поле для игры. Первый участник рисует одному из своих танков «дуло», а на его конце делает жирную точку. Лист снова складывают пополам и с нажимом заштриховывают эту точку с обратной стороны бумаги. Поле разворачивают и находят появившийся на стороне противника отпечаток. Цель — чтобы он оказался на одном из вражеских танков, который считается подбитым и стрелять уже не может. Дуло можно рисовать в любую сторону, прикидывая, какой «танчик» получится достать. Игра развивает глазомер и смекалку. Быки и коровы. Играть можно с младшего школьного возраста. Участники берут по листку бумаги, и каждый загадывает одно слово из заданного количества букв (например, из 4). Начинающий произносит вслух и записывает на своем листке любое другое 4-буквенное слово. Если какая-то из букв есть в загаданном слове и стоит на том же месте, соперник объявляет: «Один бык». Если буква совпадает, но стоит на другом месте, он говорит: «Одна корова». Если вообще нет попаданий, значит «нет быков, нет коров». Постепенно, называя все новые и новые слова, игроки на основе ответов противника выявляют отдельные буквы. Цель — первым разгадать слово оппонента. Игра развивает память, логическое мышление, расширяет словарный запас.

Настольные игры с реальными соперниками, а не с бездушным компьютером или невидимым оппонентом приносят детям огромную пользу. И дело не только в тренировке высших психических функций. Ребята получают ценный опыт: они узнают, что такое радость победы, и учатся достойно переносить поражения.

1.2. Программы для 3D-моделирования (название, краткое описание)

ZBrush 

Программа ZBrush от компании Pixologic — это мощный профессиональный инструмент для создания и редактирования трехмерной графики. В первую очередь программа направлена на работу с так называемой «цифровой глиной», из которой можно буквально вылепливать объекты при помощи разнообразных инструментов. Такая цифровая лепка идеальна для создания людей, животных, и вообще всего органического. Тем не менее, ZBrush может использоваться для твердотельного 3D-моделирования и оснащен для этого специальными инструментами. Огромный набор специальных кистей направлен на достижение максимальной реалистичности при создании 3D-моделей, а инструменты наложения текстур и визуализации дополняют функционал программы. ZBrush практически не использует возможности видеокарты, что существенно влияет на скорость работы. Вместо этого основным ресурсом для приложения является оперативная память компьютера, недостаток которой может сказываться на производительности.

TinkerCAD

Tinkercad — это онлайн-сервис по разработке 3D-проектов для начинающих. Использовать продукт можно только после регистрации аккаунта. Официальный сайт содержит массу обучающих материалов, что не составит труда, если специалист решил освоить данный софт. Моделирует электрические схемы, коды и 3D-проекты.

Blender

Blender — это бесплатное программное обеспечение для создания и редактирования трехмерной графики. Программа справляется с анимацией и реалистичными ландшафтами, но уступает в скульптинге персонажей. На сегодняшний день это полноценный 3D-редактор, в котором пользователя встречает полностью программируемый интерфейс и уникальная внутренняя файловая система. Оболочка программы на первый взгляд может показаться неудобной и непонятной, но после настройки горячих клавиш работать в Blender становится просто и удобно. На официальном сайте находятся в общем доступе обучающие курсы. В качестве языка программирования приложение использует Python, владея которым можно создавать собственный инструменты, редактировать интерфейс и сам принцип работы программы.

Maya

Maya является самой распространенной программой для создания спецэффектов, анимаций. Создает реалистичные картинки, подстраивается под любого пользователя, богата своим интерфейсом, однако очень требовательна к устройству, с которого будет происходить работа. Maya ценится за огромный набор инструментов для анимации, текстурирования, а также создания разнообразных спецэффектов. Это серьезный редактор трехмерной графики, в нем грамотно реализована функция визуализации готовых моделей.

3Ds Max

3Ds Max — это программное обеспечение для 3D-моделирования, анимации и рендеринга, созданное и разработанное для игр и визуализации дизайна. Программное обеспечение очень полезно для проектирования зданий, инфраструктуры и строительства, а также для разработки продуктов и планирования производства.

Кроме того, 3Ds Max помогает пользователям создавать массивные игровые миры, детализированных персонажей, настраивать окружение здания, создавать сцены, в которых много людей, имитировать физические свойства жидкостей, таких как вода, масло и лава. Программа легка в изучении на начальных этапах, позже могут понадобится дополнительные курсы или материалы, обучающие уроки есть в общем доступе.

1.3. История создания программы «Компас-3D»

«Ко́мпас»  — семейство систем автоматизированного проектирования, универсальная система автоматизированного проектирования, позволяющая в оперативном режиме выпускать чертежи изделий, схемы, спецификации, таблицы, инструкции, расчётно-пояснительные записки, технические условия, текстовые и прочие документы. Изначально система ориентирована на оформления документации в соответствии с Единой системой конструкторской документации (ЕСКД), Единой системой технологической документации (ЕСТД), Системой проектной документации для строительства (СПДС) и международными стандартами, но этим возможности системы не ограничиваются. Разрабатывается российской компанией «Аскон». Название линейки является акронимом от фразы «комплекс автоматизированных систем». Первый выпуск «Компаса» (версия 1.0) состоялся в 1989 году. Первая версия под Windows — «Компас 5.0» — вышла в 1997 году. С 1992 года компания «Аскон» начинает сотрудничать со школами. Образовательная политика АСКОН с 1996 года приобретает завершенные очертания: в вузах активно применяется КОМПАС-График, для преподавания черчения в школах — КОМПАС-Школьник. 2000 год ознаменовался настоящим прорывом: в первой версии КОМПАС-3D позволял создавать трехмерные модели деталей, а затем передавать их в различные системы подготовки программ для станков с ЧПУ и в расчетные пакеты. С 2008 года после участия в национальном проекте «Образование» в каждой школе России начинается установка системы трехмерного моделирования КОМПАС-3D. 2011 год можно отметить выходом первой некоммерческой версии программы «КОМПАС-3D Home». В том же году произошёл выход на международный уровень: открытие европейского представительства АСКОН в Мюнхене, ФРГ. В дальнейшем выпуск новых версий программ позволило компании «Аскон» всё больше завоёвывать рынок информационных технологий. В основе «КОМПАС-3D» лежит российское геометрическое ядро C3D (создано C3D Labs, дочерней компанией АСКОН) и собственные программные технологии, что позволяет заявить о полностью импортонезависимой системе.

ГЛАВА II. Описание исследования и его результаты

2.1. Правила работы в программе «Компас-3D»

Создание объёмных фигур начинается с простого чертежа. В программе 3D-моделирования «Компас-3D» чертёж выполняется в режиме эскиза на плоскости и является типичным примером так называемого 2D-моделирования. Чертежи выполняются с помощью различных элементов линейной геометрии, программа содержит множество простых и сложных элементов и команд. Полученные эскизы являются контурами для формирования объёма. Выполненный чертёж в простом случае может являться основанием всей фигуры, как например квадрат для фигуры куба. В более сложных геометрических фигурах построение производится обычно последовательно и поэтапно. Сначала визуально (или для удобства где-нибудь на бумаге) сложная фигура разбивается на простые геометрические тела, построение которых возможно в рамках одного эскиза и одной операции формирования объёма. Затем последовательно создаются эскизы на плоскостях соприкосновения простых тел, снова формируется объём и т.д. Формирование объёма контуров эскизов и является 3D-моделированием. Основным методом формирования объёма является элемент выдавливания с его опциональными вариациями: линейный элемент выдавливания, элемент вращения и более сложные элементы по траектории и по сечениям. Кроме того, объёмное тело в общем случае можно формировать не только созданием объёма, но и его удалением, т.е. вырезанием. Например, в прямоугольном куске металла необходимо сделать в определённом месте вырез. Можно конечно последовательно создавая прямоугольники и придавая им объём, получить искомый результат. А можно просто создать один прямоугольный объёмный объект, определить положение выреза и одной командой этот вырез произвести. Для этих целей в «Компасе-3D» служит метод вырезания выдавливанием, с теми же опциями что и просто элемент выдавливания, с той лишь разницей указанный объём вырезается (удаляется) из уже имеющегося.

2.2. Конструирование моделей детских пазловых игрушек

Я поставил перед собой цель изучить основы 3D-моделирования и работы с программой «Компас-3D» и по возможности воплотить полученные знания в материальных объектах путём печати на 3D принтере. Мои занятия проходили в составе группы одноклассников под руководством педагога дополнительного образования Пятницкова Сергея Владимировича. При построении многих моделей с начала учебного года программа «Компас-3D» была изучена всесторонне.

При конструировании моделей по выбранной мною теме хочу остановиться на двух моментах: детские игрушки и пазлы. Из детских игрушек больше всего понравилось воплощение образов реальных и выдуманных животных, что может помочь вхождению маленьких созданий в столь большой и разнообразный мир. При этом использование пазловой структуры позволит развивать детям воображение, мелкую моторику рук, усидчивость, а полученные в результате фигурки будут побуждать к получению в дальнейшем более полных знаний.

Я не художник и не чертёжник, а для воплощения задуманного требуются чертежи стилизованных фигурок животных с хотя бы приблизительными размерами. Пришлось провести обширный поиск в интернете и оказалось, что это не очень распространённая, а может быть и частично закрытая тема. Приведу ряд чертежей, которые удалось обнаружить (Рис. 10-16).

Рис. 10. Петух

Рис. 11. Дельфин

Р ис. 12. Летучая мышь

Рис. 13. Кит

Рис. 14. Белка

Рис. 15. Утка

Рис. 16. Кот

Я выбрал летучую мышь, утку, кита и кота. Теперь поподробнее.

Летучая мышь.

Первое что нужно сделать – это перенести выбранные чертежи в программу «Компас-3D». Чертежи не отличаются особым качеством, ряд размеров не стыкуется друг с другом или не имеет привязки (исходной точки). Поэтому пришлось творчески подойти к воплощению полученной информации.

Основным разделом меню программы при построении является раздел «геометрия».

Рис. 17. Чертёж летучей мыши

Проанализировав чертёж летучей мыши (специальной привёл увеличенную копию) (Рис. 17) я сделал для себя ряд выводов: наблюдается явная симметрия, поэтому построив половину, вторую часть получаем зеркальным отражением; трудно сказать что подразумевал автор чертежа, указывая такое изобилие размеров, а именно радиусов изгиба в верхней части чертежа, часть из которых я просто опустил при построении что в принципе не сказалось на общей картине. Вот что в итоге получилось (Рис. 18).

П ринцип построения заключается в следующем: по размерам строятся ключевые точки, которые соединяются между собой отрезками, дугами и кусками окружностей.

Рис. 18. Чертёж летучей мыши в программе

Весь процесс расписывать нет смысла, остановлюсь на ряде отличительных моментов.

Н ижняя точка чертежа для удобства задания размеров поставлена в точку «0» начала координат. Идём вправо и видим дугу R23 (радиусом 23мм), вторая точка которой имеет следующие координаты: 32,3 мм (половина от размера на чертеже) по оси Х и 14.5 мм по оси Y. Строим точку (Рис. 19), как сказано выше всё необходимое есть в разделе

Рис. 19. Построение точки и отрезков

Рис. 20. Построение дуги

«геометрия». Здесь пойдём на маленькую хитрость: мы имеем одну точку – начало координат и вторую – только что построенную. В этом случае можно указать только расстояние между точками, нам же нужны расстояния второй точки от осей. Для этого построим временные реальные оси в виде маленьких отрезков, проходящих через начало координат, которые будут служить для привязки этих и других размеров. Указываем размеры – координаты второй точки заданы. Строим дугу по двум точкам и радиусу 23 мм (Рис. 20). Размеры, которые проставлены и далее, команды для их простановки из раздела «размеры».

Второй элемент на чертеже построим немного по-другому. Строим вторую точку (Рис. 21). Тут также можно использовать дугу, но есть вариант построения с помощью

Рис. 21. Построение точки и отрезка

Рис. 22. Построение окружности

окружности, который в некоторых случаях более предпочтительный. Строим окружность по двум точкам и радиусу 16 мм (Рис. 22). Здесь и далее при необходимости убрать любые ненужные элементы построения, используем команду «усечь кривую» из раздела «изменение геометрии» (Рис. 23).

Т ак кривую за кривой строим половину контура и с помощью команды «зеркально отразить» из того же раздела «изменение геометрии» получаем вторую часть фигуры.

Рис. 23. Удаление ненужной части окружности

Т .о. построение эскиза летучей мыши готово. Остаётся придать объём с помощью с помощью команды «элемент выдавливания» (Рис. 24).

С кругляем внешний периметр (Рис. 25) и притупляем (детская игрушка всё же), так же

Рис. 24. Создание объёма

скруглением, все острые вершины (Рис. 26).

Рис. 25. Скругление периметра

Рис. 26. Скругление вершин

Д ля создания пазловой структуры полученной игрушки разделим её на четыре части с помощью создания эскизов на тыльной стороне фигуры и отрезков. Само разделение происходит с помощью команды «сечение» из раздела «элементы тела». Последовательно рисуем эскиз, отрезок в нужном месте, отсекаем и сохраняем как отдельную деталь. На следующем рисунке я показал все отрезки рассечения исходной

Рис. 27. Формирование пазлов сечением

детали, что даёт четыре пазла (Рис. 27).

Т ип соединения пазлов, который используем, называется «ласточкин хвост» (Рис. 28).

Рис. 28. Соединение «ласточкин хвост»

Размеры элементов соединения выбраны самостоятельно и скорректированы после пробных распечаток.

Покажем формирование внешних (Рис. 29-31) и внутренних (Рис. 32-34) элементов соединения. Всё делается в два основных этапа: создание эскиза и формирование объёма выдавливанием (либо его удаление вырезанием). Грани полученных элементов скругляются.

Рис. 29. Эскиз элемента соединения

Рис. 32. Эскиз элемента соединения

Рис. 30. Объём элемента соединения

Рис. 33. Удаление объёма элемента соединения

Рис. 31. Скругление граней

Рис. 34. Скругление граней

Так формируются элементы крепления пазлов на всех игрушках.

Кот.

При конструировании использованы методы из описания модели игрушки летучей мыши. Однако игрушка кота более рельефна, опишу некоторые моменты более подробно.

Чертёж кота (Рис. 16) также не лишён массы недостатков, поэтому при переносе его в программу «Компас-3D» пришлось проявить сообразительность и добавить кое-что от себя (Рис. 35).

Ф игура летучей мыши получилась плоская, что конечно упростило её построение. Но модели кота я решил придать больше правдоподобия за счёт регулирования объёма высотой при выдавливании отдельных элементов фигуры.

Рис. 35. Чертёж кота в программе

Используя полученный в программе чертёж и уже известную команду «усечь кривую», я получал эскиз отдельных частей фигуры, придавал каждой свой объём, скруглял и сохранял как отдельную деталь. В результате получилось четыре детали: голова, туловище, лапа, хвост. Все они объединяются в модели сборки, включающая в себя все детали (при необходимости и копии, например, модель лапы одна, а в сборке будут две) и данные об их взаимном расположении и связи.

Самая сложная в построении объёма модель головы кота, её покажу подробнее.

В дереве построения (Рис. 36) есть пять повторяющихся пар: эскиз – элемент выдавливания. Получается по одной паре на создание овала лица, рта, носа, глаз и ушей. Сам процесс очень прост. Создаётся эскиз, с общего эскиза кота копируется необходимый элемент с привязкой к центру координат (Рис. 37) и на созданном эскизе этот элемент вставляется. Придаешь объём этому элементу или вырезаешь (Рис. 38) (например, рот). По мере необходимости нужные грани скругляются, о чём говорит наличие соответствующих строк в дереве построения.

Рис. 36. Дерево построения

Пишу и вижу: забыл самое главное – усы. Сейчас сделаю (Рис. 39-40)

Рис. 37. Копирование контура рта с общего эскиза

Рис. 38. Формирование рта на модели головы кота

Рис. 39. Эскиз усов кота

Рис. 40. Формирование объёма усов кота

Теперь соберём воедино все детали.

Создаём файл сборки. Меню файл – создать – сборка.

В разделе «компоненты» выбираем команду «добавить компонент из файла», выбираем на диске файл, являющийся туловищем, и вставляем его в начало координат (Рис. 41). Аналогично добавляем голову кота поближе к месту установки (Рис. 42).

Рис. 41. Добавление туловища в сборку

Рис. 42. Добавление головы в сборку

Теперь необходимо поставить голову на место. Простое перемещение любого компонента или его вращение можно производить с помощью команды «переместить компонент» из раздела меню «размещение компонентов». Автоматическое перемещение и привязка компонентов друг к другу осуществляется с помощью команды «совпадение» из того же раздела.

В нашем случае используем последовательно три закладки из параметров команды «совпадение», которые применяются к тыльной стороне компонентов (Рис. 43).

Рис. 43. Параметры команды совпадение

1. Параллельность (3 закладка) заставляет компоненты выравниваться по плоскости (каждый компонент в своей плоскости)

2. На расстоянии (5 закладка) когда этот параметр «0» выравнивает компоненты в одной плоскости

3. Совпадение (1 закладка) любые две грани, плоскости, кривые программа максимально приближает и сдвигает относительно друг друга, чтобы обеспечить их максимальное соприкосновение. В нашем случае два компонента – туловище и голова имеют корни в одном эскизе и поэтому совпадение даже таких кривых поверхностей идеально.

В результате голова стала на место. Также устанавливаются и другие части модели кота (Рис. 44). Также производится резка полученной модели сечениями, в данном случае получается три пазла (Рис. 45). Элементы соединения и их установка аналогичны описанным при конструировании пазловой модели летучей мыши.

Рис. 44. Модель кота (сборка)

Рис. 45. Рассечение целой фигуры на пазлы

Поскольку перенос выбранных чертежей животных в программу «Компас-3D» производился сразу всех, то приведу скриншоты оставшихся – кита и утки (Рис. 46-47).

Рис. 46. Чертёж кита в программе

Рис. 47. Чертёж утки в программе

Дальнейшее описание по объёму уже выходит за рамки проекта, поэтому мне пришлось остановиться.

2.3. Технологическая карта на изготовление моделей детских пазловых игрушек с использованием программы «Компас-3D». Экономическое обоснование

Таблица 1. Технологическая карта на изготовление моделей детских пазловых игрушек с использованием программы «Компас-3D»

Деталь / Параметры (на 1 ед.дет.)*	Используемый пластик	Толщина оболочки детали (мм)	Скорость печати (мм/с)	Процент заполнения	Поддержка		Время печати
Игрушка «летучая мышь»	PLA	0,60	42	50	есть		45 мин
Игрушка «кот»	PLA	0,60	42	50	есть		57 мин
ИТОГО						1 ч 42 мин

* каждая игрушка состоит из пазлов, и является единой сборной моделью, которые могут печататься отдельно, поэтому временные и материальные затраты для печати игрушек уже просуммированы

Определим себестоимость изделия (игрушек) по формуле:

С = П + ОТ +Э, где

С – себестоимость изделия,

П - материальные затраты на пластик для печати моделей,

ОТ - отчисление на оплату труда,

Э - материальные затраты на стоимость электроэнергии.

Расход пластика на каждую модель можно получить на этапе подготовки модели (слайсинга) к печати. Я использовал Repetier-Host - программная оболочка по подготовке 3D-модели к печати. Не буду подробно останавливаться на описании самой программы – это тема отдельного исследования, основное: после обработки каждого элемента известны время печати и расход пластика.

Таблица 2. Материальные затраты на пластик для печати моделей детских пазловых игрушек с использованием программы «Компас-3D»

№ п/п	Наименование фигуры	Кол-во пластика на 1 фигуру (м)		Кол-во фигур (шт.)		Стоимость 1 м пластика (руб.)		Стоимость пластика в расчете на 1 фигуру (руб.)		Полная стоимость фигур (руб.)
1	Игрушка «летучая мышь»	3,5		1		4,46		15,61		15,61
2	Игрушка «кот»	4,5		1		4,46		20,07		20,07
ИТОГО			8		-		4,46		35,68		35,68

Расходы на оплату труда по созданию моделей: 1кг пластика – 315 м, 1000: 315 = 3,17 (г) – весит 1 м.

Оплата труда по созданию изделия весом 1 г - 50 рублей (по предложениям сайтов фирм, предоставляющих индивидуальные услуги по конструированию и печати 3D- изделий). Оплата труда по 3D печати уже готовых (в электронном виде) изделий весом 1 г – 7 рублей (по предложениям сайтов фирм, предоставляющих услуги по печати 3D- изделий).

Таблица 3. Материальные затраты на оплату труда по созданию моделей детских пазловых игрушек с использованием программы «Компас-3D»

№ п/п	Наименование фигуры	Кол-во пластика на 1 фигуру (м)	Вес 1м пластика (г)	Вес 1 фигуры (г)	Стоимость труда по созданию изделия весом 1 г (руб.)	Стоимость труда по созданию изделия (руб.)	Кол-во копий фигур для печати (шт.)	Стоимость труда по печати изделия весом 1 г (руб.)	Стоимость печати копий	Полная стоимость фигур (руб.)
1	Игрушка «летучая мышь»	3,5	3,17	11,1	50	555	1	7	77,7	632,7
2	Игрушка «кот»	4,5	3,17	14,27	50	713,5	1	7	99,89	813,39
ИТОГО		8	3,17	25,37	50	1268,5	-	7	177,59	1446,09

Стоимость 1 кВт электроэнергии 4,72 руб., потребляемая мощность 3D-принтера 300Вт/час, 5 Вт/мин, 0,083 Вт/с

Таблица 4. Материальные затраты на стоимость электроэнергии для печати моделей детских пазловых игрушек с использованием программы «Компас-3D»

№ п/п	Наименование фигуры	Время печати	Кол-во потребленной энергии (кВт)	Стоимость 1 кВт (руб.)	Стоимость электроэнергии для печати 1 фигуры (руб.)	Кол-во фигур (шт.)	Стоимость электроэнергии для печати всех фигуры (руб.)
1	Игрушка «летучая мышь»	45 мин	0,225	4,72	1,06	1	1,06
2	Игрушка «кот»	57 мин	0,285	4,72	1,35	1	1,35
Итого		1 ч 42 мин	0,51	4,72	-	2	2,41

Таблица 5. Себестоимость изделия для печати моделей детских пазловых игрушек с использованием программы «Компас-3D»

№ п/п	Наименование фигуры	Кол-во фигур (шт.)	Стоимость пластика в расчете на все фигуры (руб.)	Стоимость труда по созданию и печати (руб.)	Стоимость электроэнергии для печати всех фигур (руб.)	Себестоимость изделия (руб.)
1	Игрушка «летучая мышь»	1	15,61	632,7	1,06	649,37
2	Игрушка «кот»	1	20,07	813,39	1,35	834,81
Итого		2	35,68	1446,09	2,41	1484,18

Проанализировав материальные затраты, можно сделать вывод, что стоимость сырья приемлемая, разориться на электроэнергии при 3D-печати достаточно сложно. Себестоимость напечатанных моделей на 97,4 % определяется стоимостью затрат на оплату труда по созданию моделей детских пазловых игрушек с использованием программы «Компас-3D». Но, поскольку мы конструировали всё сами и печатали на школьном 3D-принтере, используя школьное программное обеспечение и компьютер, то можно сказать, что две детских игрушки имеют достаточно бюджетную стоимость – 38,09 руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работая над проектом, я продолжил изучать основы 3D-моделирования и работы с программой «Компас-3D» и спроектированные мной модели детских пазловых игрушек могут быть использованы для печати на 3D- принтере по приемлемой цене и в любом количестве, т.о. цель моего исследования достигнута.

Решены поставленные задачи:

• Познакомился с многообразием детских настольных игр

• Изучил программы для 3D-моделирования

• Сконструировал трехмерные модели детских пазловых игрушек

• Подготовил для печати на 3D-принтере модели детских пазловых игрушек

• Провел экономическое обоснование на изготовление моделей детских пазловых игрушек с использованием программы «Компас-3D»

Подводя итог, можно с уверенностью сказать, что достоинства трехмерных технологий довольно ощутимы. Технологии 3D-печати дают большие возможности, для воплощения самых экстравагантных идей. Одним из важных преимуществ 3D-печати является экономия времени и средств при производстве объектов различной сложности по сравнению с традиционными способами.

В ходе исследования гипотеза «3D-моделирование, как и детские настольные игры, тренирует математические способности, воспитывает сосредоточенность, учит самостоятельно делать выводы и планировать, а ещё - развивает память, усидчивость, пространственное мышление» полностью подтверждена. 3D технологии хорошо активизируют левое полушарие мозга, ответственное за пространственную ориентацию, интуицию и творческие способности человека.

Поэтому занятия и 3D-моделированием, и такими играми, в основе которых лежат пазлы, я бы очень рекомендовал школьникам.

Сам в будущем планирую учиться и развиваться в направлении 3D-моделирования, что сродни играм также интересно и увлекательно.

СПИСОК ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Самоучитель КОМПАС-3D V20 / А.И. Герасимов. — Санкт-Петербург: BHV-СПб, 2022. — 656 с.

2. Проектирование в системе КОМПАС: учеб. пособие для студентов технических специальностей / Н.И. Жарков, А.И. Вилькоцкий, О.В. Ярошевич. — Минск: БГТУ, 2006. — 148 с.

3. http://wwwkompas-edu.ru. Методические материалы размещены на сайте «КОМПАС в образовании».

4. https://ascon.ru Сайт фирмы АСКОН.

5. Что такое 3д моделирование, или как мечты превратить в реальность. Электронный ресурс. Режим доступа: https://websoftex.ru/3d-modelirovanie-chto-eto-i-dlya-chego-nuzhno/

6. [Электронный ресурс]. – URL: http://all-flesh.ru/story/3d-modelirovanie-v-21-vek

7. [Электронный ресурс]. – URL: https://www.intelkot.ru/igrushki/nastolnye-igry/pazly/

8. [Электронный ресурс]. – URL: https://gdemoideti.ru/blog/ru/nastolnye-igry-dlya-detey

9. [Электронный ресурс]. – URL: https://razvivashka.online/games/nastolnye-igry-dlya-detey#i-3

ПРИЛОЖЕНИЕ