October 14, 2013 1:14 am

Как обеспечивается поддержка 3D-печати в Windows 8.1

В последнее время 3D-печать стала актуальной темой. Ежедневно появляются поразительные рассказы о том, как люди при помощи этой технологии создают какие-то невероятные предметы, решают сложные технологические задачи и даже совершают прорывы в науке.

Статья первоначально опубликована Гэвином Гиром () на английском языке здесь.

В последнее время 3D-печать стала актуальной темой. Ежедневно появляются поразительные рассказы о том, как люди при помощи этой технологии создают какие-то невероятные предметы, решают сложные технологические задачи и даже совершают прорывы в науке.

3D-принтер Cube 2 производства компании 3D Systems, подключенный к Windows 8.1

Доступность и функциональность 3D-принтеров стремительно растут, и поэтому их все чаще можно видеть на рабочих местах, в мастерских и даже дома на обеденных столах. А если вы не ищете легких путей или хотите сэкономить, можете собрать 3D-принтер самостоятельно. Нужно программное обеспечение для создания компьютерных 3D-моделей? Не вопрос! В Интернете можно найти тысячи бесплатных объектов (на сайте thingiverse.com, например). Отсюда 3D-модели можно скачать за считаные секунды, а потом распечатать на своем домашнем 3D-принтере. Потрясающе!

Недавно мне представилась возможность поупражняться с 3D-печатью: я сделал несколько моделей в SolidWorks 2013 и вывел их на печать на нескольких 3D-принтерах. Один из проектов представлял собой специальную коробку-держатель для хранения SD-карт. В ходе моделирования и производства этого предмета я неожиданно осознал, что 3D-принтер — это не только забавная игрушка (нет-нет, поймите меня правильно, для развлечения он тоже хорош!), но и устройство, приносящее практическую пользу.

От модели (слева, SolidWorks 2013) до распечатанного на 3D-принтере объекта (справа, держатель для SD-карт): пример практического применения 3D-печати

Вот несколько вещей, которые я узнал о 3D-принтерах в процессе работы.

  • Моделирование объекта для 3D-печати требует знания конкретной технологии производства. При печати расплавленной нитью, например, следует помнить о подпорках и свисающих элементах, допусках и поверхностных узорах/текстурах.
  • Объекты, полученные при 3D-печати, могут быть *очень* прочными и легкими за счет устройства внутренней структуры.
  • С 3D-принтером можно переделывать модель, последовательно приближая ее свойства к желаемым характеристикам. Мне пришлось несколько раз изменять свой держатель, чтобы получить правильное «трение» при вставке и выемке SD-карты.
  • Распечатанные на 3D-принтере объекты могут быть очень выгодными благодаря улучшенному соотношению прочности и плотности.
  • Стоит только начать моделировать и печатать объекты, как выясняется, что при помощи этой технологии можно много чего сделать.

Несмотря на захватывающие новые возможности, экосистема потребительской 3D-печати пока до конца не сформировалась. Для получения надежных и воспроизводимых результатов потребительским 3D-принтерам требуется определенная настройка при установке и работе. Подготовка компьютерной 3D-модели к печати может потребовать много времени и усилий. В этой статье я остановлюсь на новых технологических параметрах и особенностях печати в Windows 8.1, а также на том, какие возможности благодаря им открываются перед рядовыми потребителями, специалистами, производителями оборудования и разработчиками программного обеспечения. Windows 8.1 — первая операционная система в мире, которая полностью поддерживает 3D-печать. Для развития технологии это очень важный этап!

Современный процесс 3D-моделирования и печати

Чтобы понять, что делается в Windows 8.1 для поддержки 3D-печати, сначала посмотрим, как выглядели экосистема и типичный процесс 3D-печати до Windows 8.1. В качестве примера я рассмотрю сценарий, начинающийся с разработки 3D-модели в системе автоматизированного проектирования (САПР) и заканчивающийся собственно 3D-печатью.

Пример полного цикла 3D-печати.

  1. Разработка модели в САПР. В САПР (например, в SolidWorks) создается параметрическая монолитная модель разрабатываемой детали (объекта). Поскольку такие модели основаны на параметрах (размеры и проч.), их легко изменять и масштабировать, для них отсутствует понятие «разрешение». Когда первая фаза разработки закончена, модель экспортируется в формат, в котором ее можно оптимизировать для печати. Обычно такие модели представляют собой сетку из треугольников.
  2. Проверка сетки. После экспорта модели из САПР необходимо проверить сеточную модель на предмет погрешностей и ошибок.
  3. Исправление сетки. После проверки сетку, возможно, придется оптимизировать для корректной печати. Это делается в специальной программе (например, netfabb). По окончании этого этапа модель становится «водонепроницаемой» и оптимизированной для 3D-печати.
  4. Подготовка к печати и печать. До распечатки 3D-модели следует учесть ряд факторов, связанных с тем, как будет происходить печать объекта (объектов). В частности, необходимо предусмотреть основание объекта, которое выполняется из материала, используемого для печати, чтобы повысить адгезионные свойства и уменьшить деформацию, а также подпорки в тех участках модели, где в ходе печати появятся нависающие элементы. Иногда в таких программах можно регулировать плотность модели (соотношение внутренней заполненности) и качество печати (разрешение модели на печати). Подобные приложения разделяют модель на печатаемые слои и обычно напрямую взаимодействуют с принтером, пока идет печать 3D-модели.

Ниже приведена схема процесса от создания модели до ее распечатки на 3D-принтере.

3D modeling (CAD)

Разработка 3D-модели в САПР

Export

Экспорт

Mesh Review

Проверка сетки

Mesh Fixing

Исправление сетки

Prepping and Printing

Подготовка к печати и печать

3D Printer

3D-принтер

В зависимости от принтера на последнем этапе (подготовка к печати и печать) может потребоваться программное обеспечение, разработанное специально для данного принтера.

С таким процессом моделирования и печати связан ряд проблем.

  • Детали и метаданные модели могут теряться при ее экспорте (порой многократном).
  • Для проверки и оптимизации модели необходимы промежуточные форматы файлов. Иногда такие промежуточные форматы поддерживают не все возможности принтера, которые предполагается задействовать (данные о цвете поверхности, например).
  • Поскольку для работы с 3D-принтерами не предусмотрено стандартной среды, приложениям сложно находить с ними «общий язык». Это мешает развитию аппаратной и программной экосистемы для 3D-печати.
  • Использование сразу нескольких различных приложений сильно замедляет работу и снижает эффективность.
  • Для манипуляций с 3D-моделями и печатью требуются значительные навыки и умения, а процесс занимает много времени.

Одна из задач Windows 8.1 — устранить эти болевые точки и сделать 3D-печать менее проблематичной и более распространенной. Что это значит? Читайте ниже.

Разработка поддержки 3D-печати в Windows 8.1

Чтобы в Windows 8.1 поддерживалась 3D-печать, были поставлены следующие задачи:

  • обеспечить удобную и высококачественную печать из приложений Магазина Windows и классических программ;
  • упростить разработчикам добавление поддержки 3D-печати в приложения;
  • создать универсальную совместимость со всеми существующими и будущими 3D-принтерами;
  • определить набор функций 3D-печати, присутствующих в продающихся сейчас 3D-принтерах, а также в тех, что еще находятся в стадии разработки;
  • обеспечить поддержку другого оборудования, в частности машин для гидроабразивной резки и для CNC-фрезерования.

Если коротко просуммировать эти задачи, то они сводятся к тому, чтобы 3D-печать в Windows стала похожа на 2D-печать в Windows. Для достижения этой цели нужен общий формат данных для 3D-печати в Windows, интеграция с конвейером печати в Windows и тесное взаимодействие c экосистемой оборудования и программного обеспечения для 3D-печати.

Общий язык для 3D-объектов

Для внедрения поддержки 3D-печати в Windows важно было решить, как приложения будут передавать данные модели 3D-принтеру. Существует множество различных форматов данных для 3D-графики и моделей, однако ни один из них не соответствует задачам, поставленным для поддержки 3D-печати в Windows. Одна из проблем заключалась в том, что наиболее распространенный сейчас формат файлов для 3D-печати, STL, лишен ряда существенных функций, в частности поддержки цвета и материала. Наши партнеры — разработчики оборудования и ПО отмечали, что STL как формат ввода нужно поддерживать, но его возможностей недостаточно для того, чтобы стать основным форматом для передачи данных от приложений к устройствам. Кроме того, многие из существующих 3D-форматов не подходят для потоковой обработки в очереди печати в Windows и в конвейере печати. После изучения разных вариантов на основании пожеланий и предложений партнеров было принято решение разработать новый формат для производства 3D-объектов — 3MF (3D Manufacturing Format).

3MF — формат данных на основе XML, который включает в себя определения данных, относящихся к производству 3D-объектов, в том числе расширяемость под специальные данные сторонних производителей. Формат 3MF закладывает прочную основу для поддержки 3D-печати в Windows 8.1. Это своего рода ДНК производства 3D-объектов в Windows. Приложения передают 3MF-данные в Windows, а Windows отправляет их в очередь печати драйвера 3D-принтера. После определения такого формата данных стало возможно интегрировать поддержку 3D-печати в операционную систему с использованием привычной технологии Windows.

Расширение конвейера печати под 3D

Хотя 3D-печать отличается от двумерной, у них много общих понятий, которые можно благополучно перенести из двумерного в трехмерное пространство печати. К таким общим понятиям относится выбор настроек печати, создание очереди печати, управление очередью, способность самонастраиваться и взаимодействие с устройствами. Поэтому было решено, что 3D-печать в Windows 8.1 станет расширением 2D-печати и что у них будет общая драйверная модель, интерфейс приложений и конвейер печати.

Для справки рассмотрим в общих чертах, как устроена 2D-печать в Windows. При отправке на печать двумерного документа из Windows-приложения в XPS-драйвер происходит следующее.

  1. Составляется список всех доступных 2D-принтеров.
  2. Пользователь выбирает 2D-принтер.
  3. Устанавливаются настройки печати.
  4. Данные документа конвертируются в XPS-формат (OpenXPS или старый lMicrosoft XPS).
  5. Драйвер принтера конвертирует данные из формата XPS в формат, понятный принтеру. Это происходит внутри конвейера фильтра печати.
  6. Данные отправляются в 2D-принтер и распечатываются.

Ниже приведена схема 2D-распечатки данных на примере Microsoft Word.

 

Word

Word

Doc

Документ

GDI To XPS Conversion

Преобразование из GDI в XPS

2D Print Pipeline

Конвейер 2D-печати

Text

Текст

Graphics

Графика

Images

Изображения

Ticket

Задание

2D Printer

2D-принтер

Последовательность 3D-печати в Windows 8.1 мало чем отличается.

  • Составляется список всех доступных 3D-принтеров.
  • Пользователь выбирает 3D-принтер.
  • Устанавливаются настройки печати.
  • В приложении 3D-модель преобразуется в формат 3MF. 3MF-данные инкапсулируются в пакет документов OpenXPS.
  • В конвейере 3D-печати драйвер 3D-принтера извлекает пакет 3MF и преобразует его в формат, понятный принтеру.
  • Данные отправляются в 3D-принтер и распечатываются.

Вот как в итоге выглядит процесс передачи данных в конвейере 3D-печати.

3D App

3D-приложение

Part

Объект

Part to 3MF Conversion

Преобразование объекта в 3MF

3D Print Pipeline

Конвейер 3D-печати

3MF

3MF

Model

Модель

Textures

Текстуры

Ticket

Задание

3D Printer

3D-принтер

Тот факт, что 3D-печать в Windows базируется на отлаженной инфраструктуре 2D-печати в Windows, означает, что этот процесс будет стабильным, надежным и воспроизводимым в различных приложениях и на различных устройствах. В классических программах пользователю предлагается то же меню «Файл» > «Печать», что и для обычной 2D-печати. Печать из приложений Магазина Windows осуществляется при помощи чудо-кнопки «Устройства» на панели чудо-кнопок. Нажав чудо-кнопку «Устройства», а затем — всплывающий элемент «Печать», пользователь может выбрать 3D-принтер для печати.

После этого можно указать параметры 3D-печати.

При использовании параметров по умолчанию это не сложнее, чем выбрать принтер и нажать кнопку «Печать».

Оптимизация процессов для 3D-печати

По сравнению с альтернативными решениями процесс 3D-печати в Windows 8.1 значительно усовершенствован. Благодаря отделению приложений от устройств заметно расширились возможности взаимодействия между 3D-принтерами и приложениями. Разработчики приложений под Windows 8.1 могут сосредоточиться теперь на технологии 3D-моделирования, а производители 3D-принтеров, со своей стороны, — на развитии технологии 3D-печати. Более того, теперь в любое приложение из цепочки инструментов для 3D-печати несложно включить поддержку 3D-печати.

Ниже приведена схема того, как многоцелевые и специализированные приложения могут использовать преимущества 3D-печати в Windows 8.1.

3D modeling (CAD)

Разработка 3D-модели в САПР

Export

Экспорт

Mesh Review

Проверка сетки

Mesh Fixing

Исправление сетки

Prepping and Printing

Подготовка к печати и печать

3D Printer

3D-принтер

Приложения под Windows 8.1 могут поддерживать различное 3D-моделирование, способы проверки и разновидности печати, в том числе:

  • все виды моделирования, проверки, подготовки к печати и печати;
  • специализированные функции при печати;
  • только проверку и печать.

Помимо встраивания поддержки 3D-печати в операционную систему, корпорация Майкрософт также разработала пакет SDK для разработчиков. Он содержит документацию и примеры кода для драйверов 3D-принтеров и приложений. Для того чтобы получить более подробную информацию о пакете SDK для 3D-печати под Windows 8.1, свяжитесь с отделом 3D-печати в корпорации Майкрософт.

Демонстрация 3D-печати

Обсуждать технологию 3D-печати, несомненно, интересно, однако оценить ее по-настоящему можно, лишь увидев в действии. Я сделал небольшой видеоролик, в котором демонстрируется печать 3D-модели из приложения Магазина Windows на 3D-принтере Cube 2 в системе Windows 8.1 Preview:

(Please visit the site to view this video)

3D-печать — поразительная, быстро развивающаяся технология, которая постепенно становится более доступной как рядовым пользователям, так и специалистам. В корпорации Майкрософт мы рады быть частью ее продвижения и надеемся поделиться ею со всем миром после запуска Windows 8.1. Более подробную информацию о 3D-печати в Windows 8.1 можно получить в приведенных ниже дополнительных материалах.

Дополнительные материалы