Программы для 3D-моделирования для 3D-принтера: что выбрать для деталей и фигурок

Универсальной программы, одинаково удобной для корпусов электроники, фигурок и архитектурных макетов, не существует. Сначала нужно определить, какую геометрию предстоит создавать.

Техническое моделирование подходит для деталей с точными размерами:

• корпусов для плат;
• кронштейнов;
• переходников;
• шестерен;
• втулок;
• креплений;
• деталей механизмов.

Здесь удобны Fusion, FreeCAD, Onshape и Shapr3D. Размеры задаются числами, а форма строится из эскизов, выдавливаний, отверстий и скруглений.

Художественное моделирование используют для фигурок, персонажей, масок, декоративных элементов и сложных плавных поверхностей. Основной бесплатный инструмент в этой группе – Blender.

Простое блочное моделирование подходит новичкам, которым нужно быстро собрать модель из кубов, цилиндров, отверстий и готовых форм. Для такого старта удобен Tinkercad.

Программу лучше выбирать не по количеству функций, а по типу моделей. Сложный профессиональный пакет может только замедлить работу, если нужно напечатать простую заглушку или держатель.

Tinkercad работает в браузере и не требует изучения классической CAD-системы. Модель собирается из простых тел: кубов, цилиндров, сфер, конусов и текстовых объектов.

Отверстие создается не отдельной сложной командой. Достаточно разместить внутри детали второе тело, переключить его в режим отверстия и сгруппировать объекты. Такой подход понятен даже человеку, который впервые открыл программу трехмерного моделирования.

Tinkercad подходит для:

• брелоков;
• табличек;
• органайзеров;
• простых корпусов;
• подставок;
• заглушек;
• шаблонов;
• несложных переходников.

Главное ограничение проявляется при усложнении модели. Когда появляются десятки отверстий, точные посадки, повторяющиеся элементы и несколько вариантов одной детали, редактирование становится неудобным. Изменение одного размера часто требует вручную передвигать соседние объекты.

Готовую модель можно экспортировать в STL или OBJ, а затем открыть в слайсере.

Autodesk Fusion подходит для проектирования функциональных деталей, которые должны соединяться с реальными компонентами.

Типичный проект начинается с двумерного эскиза. В нем задают размеры, расстояния между отверстиями и геометрические зависимости. Затем контур превращают в объемную деталь с помощью выдавливания, вращения или других операций.

Главное преимущество параметрического подхода видно после первой пробной печати. Допустим, крышка корпуса получилась на 0,3 мм шире необходимого значения. В правильно построенной модели достаточно изменить один размер. Отверстия, стенки и связанные элементы перестроятся автоматически.

Fusion удобен для:

• корпусов Arduino, ESP32 и Raspberry Pi;
• держателей датчиков;
• деталей роботов;
• шестерен и валов;
• переходников для труб и вентиляторов;
• деталей с резьбой;
• сборок из нескольких компонентов;
• подготовки моделей для ЧПУ.

Программа умеет работать не только с твердотельными моделями, но и с поверхностями, сетками, чертежами, электроникой и производственными операциями. Новичку не нужно изучать все сразу. Для первых моделей достаточно освоить эскиз, ограничения, выдавливание, отверстие, скругление и оболочку.

Для подходящих некоммерческих пользователей Autodesk предлагает ограниченную бесплатную лицензию Fusion for personal use. Перед началом работы стоит проверить действующие условия на официальной странице, поскольку состав бесплатного тарифа может меняться.

FreeCAD – открытая программа для параметрического моделирования технических объектов. Она работает в Windows, macOS и Linux, а проекты хранятся локально.

По логике работы FreeCAD ближе к инженерным CAD-системам, чем к редакторам трехмерной графики. Пользователь создает эскиз, задает ограничения, превращает его в объем и последовательно добавляет операции.

Программа подходит для:

• корпусов;
• крепежных деталей;
• кронштейнов;
• трубных переходников;
• деталей станков;
• элементов мебели;
• простых сборок;
• моделей, которые нужно изменять по размерам.

FreeCAD выбирают, когда важны открытый исходный код, локальное хранение проектов и отсутствие зависимости от коммерческой лицензии. При этом интерфейс и рабочие процессы могут показаться менее цельными, чем в Fusion. Некоторые действия выполняются в разных рабочих средах, а после неудачного изменения ранней операции модель иногда требует исправления.

Для 3D-печати важна не красота интерфейса, а сохранение точных размеров и возможность быстро изменить проект после примерки. С этой задачей FreeCAD справляется хорошо.

Blender нужен там, где форму трудно описать набором точных эскизов и размеров. Он подходит для персонажей, животных, масок, статуэток, рельефов, ваз и декоративных объектов.

В Blender модель можно создавать несколькими способами:

• перемещать вершины, ребра и грани;
• деформировать сетку модификаторами;
• лепить поверхность инструментами скульптинга;
• собирать объект из нескольких тел;
• использовать кривые;
• создавать повторяющиеся элементы процедурными инструментами.

Для инженерной детали Blender обычно менее удобен, чем CAD. Отверстие диаметром 3,2 мм и расстояние 18 мм между центрами можно сделать и здесь, но дальнейшее изменение такой модели потребует больше контроля.

Зато при создании фигурки параметрический CAD быстро становится неудобным. Лицо, складки одежды, шерсть и плавные органические поверхности проще формировать как цифровую скульптуру.

Перед экспортом модели для печати нужно проверить:

• замкнута ли оболочка;
• нет ли пересекающихся поверхностей;
• правильно ли направлены нормали;
• имеет ли каждая тонкая часть достаточную толщину;
• соединены ли отдельные элементы;
• не остались ли внутри модели лишние тела.

Blender бесплатен и работает в Windows, macOS и Linux. Его функциональность значительно шире задач 3D-печати, поэтому новичку не следует пытаться сразу изучить анимацию, рендеринг и визуальные эффекты.

Onshape – полноценная облачная CAD-система, которая запускается в браузере. Устанавливать тяжелую программу на компьютер не требуется.

По принципу моделирования Onshape похож на другие параметрические CAD-системы:

1. Создается эскиз.
2. Задаются размеры и зависимости.
3. Контур превращается в объем.
4. Добавляются отверстия, фаски, скругления и повторяющиеся элементы.
5. Детали объединяются в сборку.

Onshape удобен, если пользователь работает на разных компьютерах, использует Chromebook или хочет открыть проект без переноса файлов между устройствами. История изменений и версии проекта хранятся внутри документа.

Для домашнего моделирования существует бесплатный тариф, но у него есть принципиальная особенность: созданные документы доступны публично. Такой вариант подходит для учебных работ, открытых проектов и моделей, которые не содержат коммерческой или личной информации.

Для закрытой разработки изделий, моделей заказчика или еще не опубликованного проекта нужно внимательно изучить условия платных и образовательных тарифов.

Сам браузерный формат не означает, что программа рассчитана только на простые детали. Onshape подходит для точного моделирования, сборок и совместной инженерной работы.

OpenSCAD не предлагает привычного рисования мышью. Геометрия описывается текстовыми командами.

Простейшая модель может выглядеть так:

Этот код создает пластину размером 40 × 30 × 5 мм с отверстием диаметром 8 мм в центре.

Такой способ сначала кажется сложнее визуального моделирования, но хорошо работает для деталей с большим количеством повторений и изменяемых параметров:

• органайзеров с разным числом ячеек;
• коробок заданного размера;
• шестерен;
• решеток;
• панелей с отверстиями;
• подписанных заглушек;
• генераторов креплений;
• деталей, размеры которых вводит сам пользователь.

Размеры можно вынести в начало файла:

После этого модель перестраивается при изменении нескольких чисел. Такой подход особенно удобен программистам и пользователям, создающим целые семейства похожих деталей.

Для художественных фигурок OpenSCAD не подходит. Его сильная сторона – предсказуемая геометрия, параметры, вычисления, циклы и повторяемость.

Shapr3D работает в Windows, macOS и iPadOS. Интерфейс рассчитан не только на мышь, но и на стилус, поэтому модель удобно строить прямо на планшете.

Это не упрощенная программа для рисования. Shapr3D поддерживает эскизы, ограничения, твердотельное моделирование и работу с распространенными CAD-форматами.

Программа подходит для:

• быстрых эскизов изделий;
• корпусов;
• деталей интерьера;
• креплений;
• прототипов;
• моделей, создаваемых вдали от рабочего компьютера.

Сенсорное управление особенно удобно на раннем этапе, когда нужно быстро проверить форму и пропорции. Точные размеры при этом остаются числовыми, поэтому модель не превращается в приблизительный рисунок.

У Shapr3D есть бесплатный тариф, но число проектов и возможности экспорта ограничены. В частности, бесплатный вариант экспортирует STL и 3MF с ограниченным разрешением. Для простых пробных моделей этого может быть достаточно, однако мелкие окружности и плавные поверхности стоит внимательно проверять в слайсере.

Выбирать Shapr3D только ради стилуса необязательно. Но для владельца iPad, которому неудобно постоянно работать за настольным компьютером, это один из наиболее естественных способов начать точное моделирование.

Программу моделирования часто путают со слайсером. Это разные этапы работы.

В CAD-программе или редакторе трехмерной графики создают геометрию объекта:

• размеры;
• форму;
• отверстия;
• стенки;
• посадочные места;
• декоративные элементы.

Слайсер получает готовую модель и превращает ее в траектории движения 3D-принтера. В нем настраивают:

• высоту слоя;
• количество стенок;
• заполнение;
• поддержки;
• скорость;
• температуру;
• положение модели на столе;
• параметры конкретного принтера и пластика.

Изменить масштаб или разрезать готовый объект слайсер обычно позволяет. Но проектировать в нем точный корпус с отверстиями и защелками неудобно, а иногда невозможно.

Рабочая последовательность выглядит так:

1. Создать модель в Tinkercad, Fusion, FreeCAD, Blender или другой программе.
2. Сохранить исходный проект.
3. Экспортировать модель в STL или 3MF.
4. Открыть файл в слайсере.
5. Выбрать параметры печати.
6. Просмотреть слои.
7. Отправить задание на принтер.

Исходную модель и файл для печати лучше считать разными документами.

STL хранит поверхность объекта как набор треугольников. Формат понимают почти все слайсеры, но он не сохраняет историю построения, эскизы и параметры. После экспорта точное редактирование становится сложнее.

3MF разработан специально для 3D-печати. Он может хранить единицы измерения, несколько объектов, материалы, цвета и дополнительные производственные данные. Поддержка конкретных возможностей зависит от программы и слайсера.

STEP используют для обмена редактируемой технической геометрией между CAD-системами. Такой файл полезно сохранять вместе с исходным проектом, если модель планируется передавать другому конструктору или открывать в другой программе.

Практичный набор файлов для важного проекта:

• исходный файл программы;
• копия в STEP для обмена;
• 3MF или STL для печати;
• отдельный файл с фактически использованными настройками слайсера.

Не удаляйте исходный проект после успешной печати. Через несколько месяцев может понадобиться изменить диаметр отверстия, толщину стенки или расположение крепления.

CAD позволяет задать отверстие диаметром ровно 5 мм, но после печати оно может оказаться меньше. На результат влияют принтер, пластик, температура, ширина линии, скорость, ориентация детали и настройки слайсера.

Даже геометрически правильная модель может плохо печататься, если в ней не учтены направление слоев, нависания, нижние радиусы и ориентация детали. Как проектировать фаски, скругления и нагруженные элементы с учетом возможностей FDM, разобрано в статье Почему 3D-принтер печатает не как литье.

При проектировании деталей учитывают технологические зазоры.

Пример: в корпус должна входить плата шириной 30 мм. Полость шириной ровно 30 мм почти наверняка окажется слишком тесной. Практический зазор выбирают после калибровки конкретного принтера и пробной печати.

Особенно внимательно проектируют:

• отверстия под винты;
• защелки;
• крышки;
• втулки;
• подвижные соединения;
• детали, которые должны входить одна в другую;
• посадочные места под подшипники;
• корпуса для готовых плат и разъемов.

Для первой версии сложного изделия полезно напечатать не весь корпус, а небольшой контрольный фрагмент с посадочным местом. Он потребует меньше пластика и быстрее покажет, правильно ли выбраны размеры.

Хорошая программа не отменяет пробные образцы. Она позволяет быстро внести поправку после измерения и получить следующую версию без перестроения всей детали.

Просмотр длинного курса без практики редко приводит к уверенной работе. Для начала достаточно выбрать предмет, который можно измерить штангенциркулем и напечатать за 20-60 минут.

Подходящие первые проекты:

• заглушка для профиля;
• держатель кабеля;
• крючок;
• подставка под телефон;
• шайба нестандартного размера;
• простая коробка;
• крепление датчика;
• переходник для вентилятора;
• органайзер на несколько ячеек.

На таком проекте можно освоить полный рабочий цикл:

1. Измерить реальный предмет.
2. Создать эскиз.
3. Задать размеры.
4. Получить объемную модель.
5. Сделать отверстия и скругления.
6. Экспортировать 3MF или STL.
7. Проверить модель в слайсере.
8. Напечатать.
9. Измерить результат.
10. Исправить исходный проект.

Не начинайте с корпуса сложного устройства, подвижной фигурки или редуктора. Ошибок будет много, а определить их источник сложно.

Одна напечатанная и затем исправленная деталь дает больше понимания, чем десятки уроков, повторенных без собственного проекта.

Выбор можно сократить до нескольких практических сценариев.

• Нужно за вечер сделать первую простую модель – Tinkercad.
• Планируются корпуса, крепления и детали по размерам – Fusion.
• Нужен бесплатный открытый CAD с локальными файлами – FreeCAD.
• Требуется работать в браузере с разных устройств – Onshape.
• Нужны фигурки, декор и органические формы – Blender.
• Размеры модели должны задаваться параметрами или формулами – OpenSCAD.
• Основное устройство для моделирования – iPad со стилусом – Shapr3D.

Не нужно устанавливать пять программ одновременно. Для начала достаточно одного инструмента под основную задачу и одного дополнительного:

Самый рациональный путь для большинства владельцев FDM-принтера:

1. Сделать 2-3 простые модели в Tinkercad.
2. Перейти в Fusion или FreeCAD.
3. Освоить эскизы, размеры и ограничения.
4. Добавить Blender только при появлении художественных задач.

Критерий правильного выбора простой: программа должна позволять быстро исправить модель после первой примерки. Именно редактирование второй и третьей версии отличает удобный рабочий инструмент от программы, в которой удалось один раз получить красивую форму.