Твердотельное или поверхностное моделирование: что выбрать для детали под ЧПУ

Что такое твёрдое тело и что такое поверхность

В CAD деталь хранится как граничное представление: набор граней, рёбер и вершин. Грань здесь точная, математическая, а не набор точек. Именно так устроены современные CAD-системы, и в этом же виде модель уходит в STEP.

Из определения видно, чем тело отличается от поверхности. У тела оболочка замкнута, внутри есть материал, и для любой точки пространства можно сказать, внутри она или снаружи. Проще всего сказать так: граница твёрдого тела делит пространство ровно на две части. У поверхности оболочка может быть открытой, а материала нет. В справке SOLIDWORKS поверхностное тело описано как связная геометрия нулевой толщины.

Саму грань, если она не плоская и не цилиндрическая, описывают сплайновой поверхностью.

Так что оба типа моделей состоят из одних и тех же граней. Разница в том, замкнуты ли они в оболочку и считает ли программа внутреннюю часть материалом.

Замкнутый объём: зачем он станку и принтеру

Фрезе нужно знать, где кончается материал. Если оболочка открыта, у программы нет понятия «внутри»: куда идти и что считать заготовкой, она определить не может. Слайсеру 3D-принтера нужно то же самое, чтобы знать, где заполнять периметры. Поэтому у обоих процессов одно требование: оболочка без дыр, с однозначно определённой внешней стороной.

У твёрдотельной модели это условие выполнено, пока вы рисуете эскизы и выдавливаете их. Каждая операция, будь то выдавливание, вырез или скругление, возвращает корректное тело. С поверхностями автоматики нет: вы сами отвечаете за то, чтобы края граней совпали.

Как поверхности превращаются в тело

Типовой путь выглядит так: построили поверхности, обрезали их друг по другу, сшили в одну оболочку, при замкнутости получили тело. Сшивка объединяет соседние грани в одну поверхность, если расстояние между ближайшими рёбрами не превышает заданный допуск.

В справке КОМПАС-3D v25 это команда «Сшивка поверхностей». В ней есть поле «Точность» (максимальное расстояние между рёбрами) и опция «Создавать тело». После завершения программа проверяет замкнутость: если оболочка замкнута, получается твёрдое тело, если нет, получается тело с нарушенной целостностью. В SOLIDWORKS то же делает Knit Surface: справка прямо говорит, что при замкнутом объёме можно создать твёрдое тело (опция Create solid) или оставить поверхность. Размер щелей и допуск сшивки там смотрят через Gap Control.

Во FreeCAD сшивка идёт через «Part → Shape Builder» (команда Part Builder): режимы «Shell from faces» и «Solid from shell» собирают оболочку из выбранных граней и тело из оболочки. Для готовой формы есть ещё «Convert to Solid».

Fusion держит поверхностные и твёрдые тела в одной модели и действует по той же схеме: поверхности, сшивка, замкнутое тело.

Что нужно CAM

CAM строит траекторию по граням модели. Для призматической детали он видит плоскость, отверстие, карман и подбирает типовые операции. Для свободной формы он обрабатывает группу граней как единую поверхность, обычно шаровой фрезой с постоянным шагом между проходами. Подробно о выборе программ написано в статье про CAM для ЧПУ.

От модели CAM нужны три вещи:

1. Замкнутый объём, чтобы отделить материал от воздуха.
2. Грани без щелей и наложений: на щели траектория проваливается или ломается.
3. Правильные размеры. Единицы в CAD и в программе обработки должны совпасть, иначе деталь придёт в масштабе 1,4 или 1.

Если в модели есть то, что фреза не достанет (внутренний угол с нулевым радиусом, стенка тоньше инструмента), CAM этого не исправит. Такие вещи разобраны в статье как подготовить 3D-модель для фрезеровки.

Что выбрать: таблица по задачам

Правило для выбора простое: начинайте с тела и переходите на поверхности только в той части детали, где тело не справляется. Почти все реальные детали в итоге оказываются смешанными: базовый объём получен выдавливанием, а нужная часть формы добавлена поверхностью и сшита с остальным.

Сетка STL: третий тип модели

Помимо тела и поверхности есть сетка. Файл STL описывает необработанную треугольную поверхность: нормаль и вершины каждого треугольника. Масштаба и единиц в нём нет, цвета и текстуры тоже, только геометрия поверхности. Подробнее о форматах в статье про STEP, STL, IGES, DXF и DWG.

У полигональной сетки есть свойство, которое важно для станка: окружность в ней превращается в многоугольник. Отклонение многоугольника от окружности считают как стрелу прогиба хорды: s = R × (1 − cos(θ/2)), где θ равен 360° / n, а n — число сторон. Для окружности радиусом 10 мм при n = 36 шаг составляет 10°, и s = 10 × (1 − cos 5°) = 10 × (1 − 0,99619) ≈ 0,038 мм. При n = 72 шаг равен 5°, и s = 10 × (1 − cos 2,5°) ≈ 0,0095 мм. Для радиуса 50 мм те же n дают 0,19 и 0,048 мм.

Таблица показывает, почему сетку не берут для деталей с допуском в сотые доли миллиметра: чтобы удержать их, треугольников нужно очень много, а отверстие всё равно остаётся многоугольником. О том, что делать, если у вас только STL, написано в статье как перевести STL в STEP.

Для рельефа сетка, наоборот, часто удобна. Резное панно не имеет резьб и посадок, а форма задана свободно, поэтому рельеф для фрезера нередко делают не в CAD, а картой высот: изображение, где яркость пикселя задаёт глубину. Для поля 300 × 200 мм с шагом 0,5 мм получится (300 / 0,5 + 1) × (200 / 0,5 + 1) = 601 × 401 = 241 001 точка высоты, и этого хватает для декоративной резьбы. Как на этом зарабатывают, разобрано в статье про резные панно и 3D-рельефы.

Типичные дефекты и как их найти

• Щели между гранями. Края соседних граней не касаются друг друга. В КОМПАС-3D такая оболочка не даёт тело, программа сообщает «Сшитая поверхность не замкнута»: расстояние между открытыми рёбрами больше точности сшивки. В SOLIDWORKS щели видны в Gap Control.
• Самопересечения. Поверхность пересекает саму себя. В команде «Заплатка» в КОМПАС-3D для этого есть опция «Проверка самопересечений».
• Перевёрнутые нормали. В STL нормаль должна смотреть наружу, вершины перечисляют против часовой стрелки, если смотреть снаружи. Если порядок нарушен, слайсер и CAM путают внутреннюю и внешнюю сторону.
• Нулевая толщина. Оставили поверхность, не придав ей толщину, и получили тело нулевой толщины, которого не существует физически. Команды: «Придать толщину» в КОМПАС-3D, Thicken в SOLIDWORKS.
• Несколько тел вместо одного. После сшивки часть граней осталась отдельной оболочкой. КОМПАС-3D сообщает «После сшивки остались несвязанные между собой части».

Проверка в разных системах. Во FreeCAD команда Check Geometry (Part → Check Geometry) проверяет, корректно ли граничное представление выбранного объекта как тела, и подсвечивает ошибочные рёбра и грани. В КОМПАС-3D после сшивки смотрят значок тела в дереве построения: значок тела с нарушенной целостностью означает открытые рёбра, а выделение операции сшивки подсвечивает все сшитые рёбра. В SOLIDWORKS при сшивке нужно открыть Gap Control и проверить, что открытых пар нет.

Пример: рукоять ручного инструмента

Возьмём рукоять: цилиндрическая шейка под хвостовик, эргономичная зона хвата и торцевой упор. В рукояти есть сквозное отверстие под стержень. Размеры не приводим, нас интересует порядок операций.

Что получится при разных подходах. Если сделать рукоять только телом, зона хвата будет цилиндрической или коноидной формы, которую можно описать выдавливанием и вращением. Станок отработает её легко, а форма окажется менее удобной для руки. Если сделать только поверхностями, можно построить любую форму хвата, но шейка, отверстие и скругления превратятся в отдельную цепочку операций, и каждая потребует сшивки. Смешанный путь даёт эргономику там, где она нужна, и надёжность тела там, где формы простые.

Операции в разных программах

Названия команд, которые встречаются в этой статье. Данные взяты из справки КОМПАС-3D v25, справки SOLIDWORKS 2024 и вики FreeCAD.

Какая программа удобнее для вашего случая, помогут решить статьи про CAD-системы и про замену SolidWorks. Общий список материалов по теме собран в подтеме «3D-моделирование».