Способ макетирования на основе полигонального раскроя из толстолистового материала
MODELLING METHOD BASED ON POLYGONAL CUTTING FROM THICK-SHEETED MATERIAL

Изобретение относится к способам изготовления трехмерных изделий, основанных на принципе использования полигонального раскроя листовых материалов, и наиболее эффективно может быть использовано в сфере промышленного дизайна при изготовлении трехмерных объектов и макетов для декоративно-прикладных и учебных целей.
Известен способ изготовления объемных изделий с помощью плоского бумажного раскроя (Калмыкова Н., Максимова И. Макетирование из бумаги и картона: Учебное пособие. - М.: Книжный дом «Университет», 2000). Этот способ обеспечивает сборку объемных трехмерных объектов из отдельных плоских элементов бумажной выкройки путем склеивания элементов выкройки между собой с помощью специальных вспомогательных крепежных бумажных полосок-клапанов, причем криволинейные поверхности макетируемого объекта выполняются за счет изгибания плоских элементов выкройки.
Недостатком данного способа является то, что с его помощью макет может быть выполнен исключительно из бумаги не толще ватмана, так как существующая необходимость изгибать элементы выкройки не возможна при использовании более толстых листовых материалов.
Известен также способ изготовления объемных трехмерных изделий на основе использования полигонального раскроя листового материала (Виннинджер М. Модели многогранников. - М.: «Мир», 1974). В соответствии с данным способом объемные объекты формируются из полигональной выкройки, содержащей плоские многоугольники (полигоны) вырезанные из листовой бумаги не толще ватмана, и соединяемые между собой с помощью специальных вспомогательных крепежных бумажных полосок-клапанов. Криволинейные поверхности макетируемого объекта выполняются без изгибания плоских элементов выкройки за счет размера и формы полигонов, соответствующее соединение которых позволяет смоделировать любые поверхности трехмерного объекта.
Недостатком данного способа является длительность процесса сборки макета (поэтапная склейка элементов выкройки требует времени на высыхание, без чего нельзя продолжать сборку), и недостаточная жесткость макета, требующая последующего укрепления макета (покрытие внутренней поверхности макета слоями папье-маше, эпоксидными шпатлевками или иными, повышающими прочностные характеристики макета, материалами).
Из известных способов изготовления трехмерных изделий, основанных на принципе их формирования из плоских элементов выкройки листового материала, наиболее близким по технической сущности является детский конструктор строительной техники (патент Великобритании GB 2344770 А от 21.06.2000 года). Данный конструктор представляет собой набор листов из толстолистового материала с сформированными прямоугольными полигонами с перфорацией по линиям предполагаемых сгибов. Необходимые детали вырезаются, сгибаются по линиям перфорации и склеиваются характерным для бумажных выкроек способом, а именно, с использованием так называемого клапана.
К недостаткам указанного прототипа относятся длительность процесса сборки макета, склейка элементов выкройки осуществляется поэтапно, так как требуется технологическое время на высыхание предыдущей склейки для проведения последующей склейки. Кроме того, линии сгиба на толстолистовой выкройке сформированы предварительной перфорацией, что возможно осуществить лишь в условиях массового промышленного производства, а это делает невозможным использование данного способа работы с толстолистовым раскроем для целей изготовления уникальных проектных макетов, учебных макетов и арт-объектов в сфере промышленного дизайна, декоративно-прикладного искусства и учебно-образовательного процесса. В целом, известный способ полигональной сборки трехмерных объектов из толстолистовой выкройки рассчитан на изготовление объемных примитивов и не позволяет выполнять макеты произвольной формы с высокой степенью деталировки.
Техническая проблема заключается в расширении арсенала способов изготовления трехмерных объектов за счет создания способа макетирования на основе полигонального раскроя из толстолистового материала, обладающего малой длительностью сборки макета по полигональной выкройке, простотой сборки макета, повышенными прочностными характеристиками макета.
Техническим результатом изобретения являются простая и быстрая сборка макета при использовании полигональной выкройки и улучшение прочностных характеристик макета на основе полигональной выкройки.
Поставленная проблема решается за счет того, что создается способ макетирования на основе полигонального раскроя из толстолистового материала, включающий в себя полигональную выкройку виртуальной модели макетируемого объекта и сборку макета на ее основе, при этом полигональную выкройку изготовляют из толстолистового материала отличающийся тем, что соединяемые полигональные элементы макета в ходе сборки фиксируются между собой с внешней стороны макета с помощью временных фиксаторов, а с внутренней стороны макета с помощью термоклея.
Проведенный заявителем анализ техники, включая поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволяют установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами, на которых изображено:
Фиг. 1 изображает внешнюю сторону собранного фрагмента полигональной выкройки, состоящего из двух элементов.
Фиг. 2, изображает внутреннюю сторону собранного фрагмента полигональной выкройки, состоящего из двух элементов.
Позициями на чертежах обозначены: элемент полигональной выкройки 1, временный фиксатор 2, термопластичный клей 3, элемент армировки 4.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Способ рассчитан на макетирование трехмерных объектов на основе использования полигональной выкройки, выполненной с использованием толстолистового материала, такого, например, как пивной или переплетный картон, листовой пластик и т.п., и содержит следующие этапы реализации: создание виртуальной модели макетируемого объекта, получение полигональной выкройки макетируемого объекта, сборка макетируемого объекта с использованием термоклея, финишная обработка макета.
Виртуальную трехмерную модель макетируемого объекта создают с использованием компьютерных редакторов 3d моделей, например, с помощью редактора 3ds Мах фирмы Autodesk. Возможен вариант получения виртуальной модели сканированием реального объекта с помощью 3d сканера. Кроме того, виртуальная модель может быть взята из интернет-ресурсов, а именно, из баз данных 3d моделей.
С помощью компьютерного редактора 3d моделей производят перевод виртуальной модели в полигональный вид, а затем с помощью специализированных компьютерных редакторов, например, с помощью программы Pepakura Designer, получают полигональную выкройку макетируемого объекта.
Полученная полигональная выкройка вырезается из толстолистового материала, например, из пивного или переплетного картона, с помощью режущего плоттера. Возможен вариант, когда полигональную выкройку макета распечатывают на принтере на обычной бумаге или ватмане, а затем распечатку используют как трафарет для вырезания элементов полигональной выкройки 1 из толстолистового материала.
В соответствии с инструкцией по сборке производят поэтапную сборку макета. Элементы полигональной выкройки 1 удерживают между собой за счет склеивания с внутренней стороны с помощью термоклея 3. На фиг. 2 показана внутренняя сторона собранного фрагмента макета, состоящего из двух трехполигональных элементов 1. Термоклей 3 наносят по стыковочным линиям соединяемых элементов выкройки 1, причем, термоклей 3 может наноситься как сплошной линией, так и точечно. Кроме того, для придания большей жесткости и прочности собираемому макету возможно армирование соединения элементов полигональной выкройки 1 с помощью элементов армировки 4, которые также фиксируют термоклеем 3.
Для точного формовоспроизведения макетируемого объекта, обеспечения правильного углового сочленения элементов полигональной выкройки 1 и удобства сборки макета до начала соединения элементов полигональной выкройки 1 с помощью термоклея 3 осуществляют их закрепление с внешней стороны собираемого фрагмента макета с помощью временных фиксаторов 2. На фиг. 1 показана внешняя сторона собираемого фрагмента макета, состоящего из двух трехполигональных элементов 1, которые закреплены между собой временными фиксаторами 2. В качестве временных фиксаторов 2 могут быть использованы, например, скотч, в том числе строительный, пластилин и иные материалы, обеспечивающие корректное удержание элементов полигональной выкройки 1 собираемого фрагмента макета с его внешней стороны на период проведения склеивания фрагмента макета с внутренней стороны с помощью термоклея 3. По завершении склеивания фрагмента макета термоклеем 3 временные фиксаторы 2 удаляют.
После полной сборки макета его внешнюю сторону подвергают процедурам финишной обработки, таким как, шпаклевка, шлифовка, покраска и другие отделочные операции, с целью придания криволинейным поверхностям макета требуемого вида, соответствующего форме макетируемого объекта, и устранения гранености поверхности макета, возникающей при сборке полигональной выкройки.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого способа следующей совокупности условий:
- заявленный способ при его осуществлении, предназначен для использования как в промышленном дизайне для изготовления демонстрационных макетов, так и в сфере рекламно-оформительского и производственного бизнеса, и, в особенности, в учебно-образовательном процессе;
- для заявленного способа в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- заявленный способ при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, состоящего в простой и быстрой сборке макета при использовании полигональной выкройки, улучшение прочностных характеристик макет на основе полигональной выкройки.
Предложенный способ по сравнению с прототипом, в качестве которого взят традиционный способ сборки макета из полигональной выкройки, позволяет сразу собирать макет с прочностными характеристиками, не требующими операции укрепления. Традиционным способом макет собирается из полигональных элементов, выполненных из ватмана, которые имеют специальные полоски-клапаны, с помощью которых склеиваются полигональные элементы макета. Поэтому после сборки макета, прежде чем приступить к устранению «граненности» и приданию поверхности макета формы и вида макетируемого объекта, необходима стадия укрепления внутренней поверхности макета с тем, чтобы он обрел достаточную конструкционную жесткость и прочность. В предложенном способе элементы полигональной выкройки выполнены из толстолистового материала и собранный с помощью предложенного способа макет сразу имеет требуемые жесткость и прочность. Кроме того, отсутствие стадии укрепления макета сокращает время, затрачиваемое на изготовление макета, а также упрощает процесс работы над макетом.
В целом процесс сборки макета существенно ускорился и упростился. При склеивании полигональных элементов с помощью термоклея конструкционная прочность обретается через 10…20 секунд, в течении которых клей остывает и отвердевает. При традиционном способе при склеивании элементов с помощью бумажных полос-клапанов требуется гораздо большее время на их высыхание и обретение конструкционной прочности, позволяющей продолжит процесс сборки.
Кроме того, предварительное закрепление склеиваемых полигональных элементов с помощью временных фиксаторов обеспечивает правильные сочленение склеиваемых элементов и форму склеиваемого фрагмента макета, уменьшает вероятность ошибок при сборке, делает процесс последующего склеивания с помощью термоклея более комфортным. Сборка макета без временных фиксаторов приведет к тому, учитывая, что термоклей быстро и прочно отвердевает, фрагменты макета собранные с неправильным угловым сочленением не возможно будет в последующем скорректировать.
Дополнительными преимуществами и достоинствами предложенного способа макетирования в случае его использования в учебно-образовательном процессе являются: овладение учащимися не сложной методикой макетирования, позволяющей освоить весь проектировочный процесс от разработки виртуальной компьютерной модели до ее материального воплощения в виде макета хорошего качества; развитие у них образного пространственного мышления и практическое закрепление основ стереометрии.
Пример. Возможность практической реализации предлагаемого способа макетирования была проверена путем изготовления сборки, состоящей из двух трехполигональных элементов. Элементы полигональной выкройки были вырезаны из пивного картона плотностью 570 г/м2 и толщиной 1,5 мм. После фиксации элементов полигональной выкройки с наружной стороны с помощью малярного скотча фирмы «Remontix» толщиной 40 мм, обеспечившего правильное сочленение элементов полигональной выкройки собираемого фрагмента по линии стыка, с внутренней стороны была проведено склеивание с помощью термоклея. Были использованы желтые прозрачные стержни термоклея на основе этиленвинилацетата (EVA), (диаметр 11 мм, рабочая температура 180…190 градусов Цельсия, вязкость по Брукфилду при 180 градусов Цельсия 4200…4800 мПа⋅с, время схватывания 15…20 сек) и термоклеевой пистолет Спец БГЖ-60 СПЕЦ-3234. Собранный фрагмент показал хорошие жесткость и прочность, позволяющие производить работы по обработке его внешней поверхности. Еще лучшие прочностные характеристики были получены при армировании сборки с использованием омедненной проволоки марки СВ08Г2С диаметра 0,8 мм, скобы из которой были закреплены к внутренней поверхности полигональных элементов с помощью термоклея.