Способ поисково-демонстрационного макетирования на основе полигонального раскроя
METHOD OF SEARCH-DEMONSTRATION PROTOTYPING BASED ON POLYGONAL CUTTING

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 как при проведении демонстрационного, так и поискового макетирования, при изготовлении трехмерных объектов и макетов для рекламно-оформительских 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.
Из известных способов изготовления трехмерных изделий, основанных на принципе их формирования из плоских элементов выкройки листового материала, наиболее близким по технической сущности является способ, представляющий изготовление трехмерного объекта 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 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.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относятся длительность процесса сборки макета (поэтапная склейка элементов выкройки требует времени на высыхание, без чего нельзя продолжать сборку), отсутствие возможности коррекции макета в случае некорректной сборки (если в ходе или после сборки макета обнаруживаются искажения воспроизведения макетируемого объекта, вызванные неточным или ошибочным склеиванием элементов выкройки, их невозможно устранить), граненая поверхность макета в силу специфики способа, требующая последующей доработки (грунтовка, шпатлевка и другие процедуры, доводящие форму и качество поверхностей макета до соответствия образу макетируемого объекта), недостаточная жесткость макета, требующая последующего укрепления макета (покрытие внутренней поверхности макета слоями папье-маше, эпоксидными шпатлевками или иными, повышающими прочностные характеристики макета, материалами).
Техническая проблема заключается в расширении арсенала способов изготовления трехмерных объектов за счет создания способа поисково-демонстрационного макетирования на основе полигонального раскроя, обладающего малой длительностью сборки макета по полигональной выкройке, простотой сборки макета, повышенной точностью сборки макета и возможностью устранения ошибок при сборке макета, возможностью замены фрагментов макета в связи с изменением макетируемого объекта, отсутствием гранености поверхности макета, собранного по полигональной выкройке, и более точной передачей формы поверхностей макетируемого объекта, повышенной прочностью макета.
Техническим результатом изобретения являются повышенная точность воспроизведения формы макетируемой виртуальной модели, простая и быстрая сборка макета при использовании полигональной выкройки, возможность корректировки макета и внесения изменений в него при макетировании, улучшение формовоспроизведения макетируемого объекта, улучшение прочностных характеристик макета на основе полигональной выкройки.
Поставленная проблема решается за счет того, что создается способ поисково-демонстрационного макетирования на основе полигонального раскроя, включающий в себя полигональную выкройку виртуальной модели макетируемого объекта, отличающийся тем, что на поверхность полигональной выкройки наносят слой полимерной глины, позволяющий удерживать соединяемые элементы собираемого макета, после сборки выкройки макета полимерную глину подвергают соответствующей обработке, приводящей к ее отвердеванию.
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 элемент полигональной выкройки и нанесенный на него слой полимерной глины.
Фиг. 2,а изображает лицевую и тыльную стороны собранного фрагмента полигональной выкройки.
Фиг. 2,б изображает собранный фрагмент полигональной выкройки после сборки с полигональными гранями и этот же фрагмент после придания его криволинейным поверхностям формы, соответствующей форме макетируемого объекта.
Фиг. 3,а изображает слой полимерной глины, армированный металлической сеткой.
Фиг. 3,б  изображает фрагмент полигональной выкройки, усиленный изнутри по линии стыка его элементов.
Позициями на чертежах обозначены: элемент полигональной выкройки 1 и нанесенный на него слой полимерной глины 2.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Способ рассчитан на макетирование трехмерных объектов на основе использования полигональной выкройки и содержит следующие этапы реализации: создание виртуальной модели макетируемого объекта, получение полигональной выкройки макетируемого объекта, покрытие полигональной выкройки слоем полимерной глины, сборка макетируемого объекта, внесение изменений в макет при изменении проектной концепции макетируемого объекта, технологическая обработка полимерной глины, приводящая к отвердеванию полимерной глины, 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 переносится на листовой материал с помощью принтера или плоттера в зависимости от используемого листового материала.
На элементы полигональной выкройки наносят слой полимерной глины 2. На фиг. 1 показан элемент полигональной выкройки 1, состоящий из трех полигонов, с нанесенным на него слоем полимерной глины 2. В соответствии с инструкцией по сборке производят поэтапную сборку макета. Элементы полигональной выкройки 1 удерживаются между собой за счет слипания кромок слоев полимерной глины 2. На фиг. 2,а показан собранный фрагмент макета, состоящий из двух трехполигональных элементов 1.
Полимерную глину 2 наносят на наружную поверхность элементов выкройки 1. Это позволяет при сборке придать криволинейным поверхностям макета требуемую форму, соответствующую форме макетируемого объекта, и устранить граненость поверхности макета, возникающую при сборке полигональной выкройки. На фиг. 2,б показан элемент собранного фрагмента макета, поверхность которого приведена в соответствие с формой кривизны поверхности макетируемого объекта. Если из художественно-эстетических требований необходимо оставить граненость поверхности макета, слой полимерной глины 2 наносят на внутреннюю поверхность элементов полигональной выкройки 1.
Для получения повышенных прочностных характеристик макета осуществляют армирование либо всего слоя полимерной глины 2, либо фрагментально по стыковочным линиям элементов выкройки 1 макета. На фиг. 3,а показано армирование кромки элемента полигональной выкройки 1 металлической сеточкой. На фиг. 3,б показано также усиление макета за счет покрытия стыка элементов полигональной выкройки 1 полимерной глиной 2.
В случае демонстрационного макетирования, когда форма макетируемого объекта окончательно определена, после сборки полигональной выкройки макета полимерную глину 2 подвергают технологическому воздействию, приводящему к ее полимеризации и отвердеванию. Для различных видов полимерной глины 2 это может быть термическое воздействие на нее, воздействие ультрафиолетовым излучением или иное воздействие, предусмотренное для данного вида полимерной глины 2, приводящее к ее полимеризации и отвердеванию.
При проведении поискового макетирования, когда происходит поиск формы макетируемого объекта и нужна быстрая визуализация результата проектирования, распечатывают полигональную выкройку изменяемого элемента макета и заменяют ею текущий вариант этого фрагмента макета. При этом замена проводится без затруднений, так как элементы 1 макета удерживаются только за счет слипания по их кромкам. Число трансформаций макета и их объем могут быть любыми, такими, какие потребуются в ходе проведения поискового проектирования. По завершении поискового проектирования, когда форма макетируемого объекта найдена, производится полимеризация полимерной глины 2.
Если макет крупных размеров, то проводят поэтапную сборку выкройки. Собирают фрагмент выкройки макета, полимеризуют его, добавляют следующий фрагмент и так до полной сборки макета. При этом кромки полимеризуемого фрагмента обеспечивают выступающей армировкой для прочного соединения со следующим присоединяемым фрагментом.
После отвердевания полимерной глины 2 макет при необходимости подвергают процедурам финишной обработки, таким как шлифовка, шпаклевка, покраска и другие отделочные операции.
При использовании данного способа макетирования в учебных целях вместо полимерной глины 2 возможно применение пластилина.
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 и поисковых 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, возможности коррекции и трансформации макета по ходу макетирования, улучшении формовоспроизведения макетируемого объекта, улучшении прочностных характеристик макет на основе полигональной выкройки.
Предложенный способ по сравнению с прототипом, при использовании которого изготовленные макеты имеют полигональную, граненую поверхность, позволяет сразу изготавливать трехмерные объекты с максимальным приближением к форме исходной макетируемой виртуальной модели. Плавная кривизна поверхности макета формируется еще на стадии сборки полигональной выкройки.
В силу того, что предложенный способ не нуждается в склеивании элементов выкройки, процесс изготовления макета осуществляется за гораздо меньшее время, чем при традиционном склеивании полигонального макета. Сама сборка макета упрощается, так как достаточно просто совместить кромки соединяемых элементов выкройки, и они будут удерживаться за счет слипания кромок слоя полимерной глины, нанесенной на поверхность элементов выкройки. При этом до момента полимеризации полимерной глины существует возможность исправить возможные ошибки сборки и внести изменения в макет.
После полимеризации полимерной глины макет сразу обретает достаточную прочность, в то время как при классической сборке полигональной модели существует необходимость ее дополнительного укрепления.
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 покрыты слоем полимерной глины марки «FIMO» толщиной 1 мм, соединены по линии стыка и сформированы в единую конструкцию за счет слипания полимерной глины кромок элементов. Сборка была дополнительно проармирована с наружной стороны по линии стыка пластиковой строительной сеткой «серпянка», а с внутренней стороны - по линии стыка полоской полимерной глины шириной 5 мм и толщиной 1 мм. До полимеризации были устранены грани сборки, поверхностям элементов которой была придана плавность формы. Полимеризация сборки была проведена в духовом шкафу при температуре 130 градусов по Цельсию в течение 15 минут. После полимеризации сборка приобрела неразъемную прочность.