Как я сделал шарнирную фигурку из статичной модели: 12 суставов и 32 детали

Прошло семь с половиной месяцев

Всем привет! В феврале я рассказывал здесь про Riggable — браузерное приложение, которое добавляет суставы в 3D-модели, чтобы после печати фигурка могла менять позу.

За это время я почти ничего не писал: проект веду один, по вечерам и в выходные, и когда выбираю между «написать пост» и «доделать сустав», выигрывает сустав. Большая часть работы ушла на то, что снаружи не видно: механику суставов и надёжность выреза.

В этот раз покажу весь путь на одной фигурке: от целой модели до напечатанных и собранных деталей — и что я бы сделал иначе. Расстановка всех 12 суставов в редакторе заняла у меня около часа. Готовая фигурка в STL и проект выложены бесплатно — ссылки сразу после фото.

Файлы фигурки

Чтобы всё это можно было потрогать самому, выкладываю два файла:

• STL с готовыми разрезами — все детали фигурки, можно сразу отправлять в слайсер. Модель на 3DToday: 3dtoday.ru/3d-models/games/toys/sarnirnaya-figurka-paren-100-mm
• Проект Riggable (.rig) — откройте его в редакторе, чтобы посмотреть, как стоят суставы и какие у них параметры. При загрузке приложение само разрежет модель и восстановит иерархию, так что можно сразу зайти в режим «Поза» и покрутить фигурку. Для этого регистрация не нужна. Архив на Яндекс Диске: disk.yandex.ru/d/ik_gttyrqfQu2w

Суставы по шагам на одной фигурке

Фигурка высотой 100 мм, персонаж сгенерирован моим товарищем Славой в сервисе aiprintgen.ru. Я поставил на неё 12 групп суставов. Парные (плечи, локти, колени и т. д.) делаются за один шаг: настраиваю одну сторону и нажимаю «Отразить». На симметричной модели это очень экономит время.

Общий порядок для любого сустава:

1. Выбрать тип сустава в левой панели. Для каждого сустава есть помощник: он показывает, где применяется этот сустав и как лучше расставить маркеры.
2. Поставить два маркера на модели. Маркерами задаётся ось вращения: например, для локтя — снаружи и изнутри локтя. В сферическом и дисковом суставах маркеры ставят снаружи, а затем сустав перемещают внутрь. Размер сустава подберётся по расстоянию между маркерами.
3. Подвинуть и повернуть сустав стрелками, подстроить параметры на панели справа. Для этого удобно сделать тело полупрозрачным.
4. Проверить красный предпросмотр: он не должен задевать то, что резать не нужно. Если по-другому не получается, помогут примитивы: в режиме «Защитить» они закрывают геометрию от нежелательных вырезов.
5. Нажать «Разрезать», затем привязать получившиеся части к своим осям вращения на панели «Иерархия» и проверить движение в режиме «Поза».

Общий зазор у всех суставов — 0,2 мм. Ниже подробно разобран первый сустав каждого типа, а повторы — коротко.

Шаг 1. Шея — цилиндрический сустав

Разберу этот сустав подробно: плечи, бёдра и голеностопы настраиваются так же. Названия частей — как в панели приложения.

• Маркеры: слева и справа на шее, на уровне будущего разреза. Голова сможет кивать вперёд-назад и поворачиваться вправо-влево.
• Положение: стрелками ставлю сустав по центру шеи. В полупрозрачном режиме это видно сразу.
• Гибкое гнездо: включаю. Размеры подбираются автоматически; вручную их стоит уменьшать только там, где внутри модели мало места.
• Муфта: увеличиваю диаметр, чтобы она выходила за пределы модели и спереди, и сзади. Тогда модель гарантированно разделится и не останется тонкой перемычки.
• Расширяющая сфера и внутренняя полость: сфера разделяет детали, полость делает её полой, разница между ними и даёт зазор. Больше сферы полость приложение сделать не даст.
• Расширяющий стержень — конус, на превью он выглядит как красный «воротник». Поворачиваю его в сторону, противоположную гибкому гнезду: он определяет, к какой части модели прирастут куски справа и слева от муфты. Если конус задевает подбородок, лучше уменьшить длину, а не раздувать диаметр.

Шаг 2. Плечи — цилиндрический сустав

Настройки как у шеи. Маркеры — спереди и сзади плеча: ось идёт спереди назад, и рука поднимается в сторону. Настроив одно плечо, нажимаю «Отразить».

Шаг 3. Поворот плеча — дисковый сустав

Дисковый сустав даёт вращение «в себе»: рука поворачивается вокруг своей оси. Так же настраиваются предплечья и поворот бедра.

• Маркеры: внутри модели маркер не поставить, поэтому оба ставлю снаружи руки, один над другим, на уровне будущего разреза. Расстояние между ними задаёт длину стержня, на конце которого фиксирующий шар входит в гибкое гнездо; остальные размеры подбираются пропорционально.
• Положение: «утапливаю» сустав так, чтобы диск оказался примерно посередине руки и целиком внутри.
• Форма основания — сфера, включён открытый срез (глубину подбираю по толщине руки).
• Гибкое гнездо и фиксирующий шар — с автоподбором; настраиваю только диаметр стержня, чтобы гнездо не выходило за пределы руки.

Шаг 4. Локти — одноосевой шарнир

Так же делаются запястья, колени и стопы.

• Маркеры: на внутренней и внешней стороне локтя, на будущей оси сгиба. Стрелками довожу ось точно в центр сгиба.
• Расширения корпуса убирают часть модели вокруг шарнира, чтобы увеличить диапазон вращения. Здесь я увеличил переднее и заднее. Если рука не сгибается до конца — увеличьте расширение.

Шаг 5. Предплечья — дисковый сустав

Как шаг 3, но предплечье тонкое и места внутри мало. Здесь я выключил автоподбор и уменьшил толщину стенки гнезда — именно тот случай, когда гнездо стоит подстроить вручную.

Шаг 6. Запястья — одноосевой шарнир

Как локоть: маркеры по обе стороны запястья. Расширения не понадобились — кисти хватает хода и без них.

Шаг 7. Талия — сферический сустав

Шар в чаше: наклоны и повороты корпуса во все стороны.

• Маркеры: выше и ниже линии талии. Их середина станет центром сустава, расстояние — длиной стержня.
• Положение: сдвигаю сустав внутрь, чтобы шар полностью скрылся в теле. Здесь полупрозрачный режим особенно помогает.
• Конус свободы поворота задаёт, насколько корпус может наклоняться.
• Расширяющая сфера, внутренняя полость и формирующий цилиндр разделяют верх и низ и формируют чашу.

Шаг 8. Бёдра — цилиндрический сустав и защитные примитивы

Как шея: маркеры снаружи бедра и со стороны паха, нога ходит вперёд-назад. Интересное здесь другое: муфта у бедра большая, и вырез доходит до кистей, которые лежат на бёдрах. Чтобы не задеть руки, ставлю на кисти «Примитив: Куб» в режиме «Защитить» — на картинке это синие блоки. Всё, что внутри них, вырез не трогает.

Шаг 9. Поворот бедра — дисковый сустав

Как шаг 3: маркеры снаружи бедра один над другим, диск утоплен внутрь, основание — сфера, открытый срез.

Шаг 10. Колени — одноосевой шарнир

Как локоть, но расширения больше: особенно заднее, чтобы фигурка могла присесть.

Шаг 11. Голеностопы — цилиндрический сустав

Маркеры слева и справа от щиколотки. С длинным стержнем конус задевал стопу — уменьшил длину вдвое, и касание ушло.

Шаг 12. Стопы — одноосевой шарнир

Маркеры по бокам ботинка, в месте сгиба носка. Сгиб стопы помогает фигурке устойчивее стоять в широких позах.

Что получается в итоге

После 12 шагов модель разделена на детали, которые соединяются суставами. В режиме «Поза» каждую деталь можно повернуть за её ось и проверить диапазон движения ещё до печати.

Иерархия: что к чему привязать

После выреза детали ещё не связаны между собой. Чтобы проверить движение в режиме «Поза», их нужно собрать в цепочку на панели «Иерархия»: выбираю деталь, нажимаю «Связать» и указываю ось. Порядок всегда один — от конца конечности к корпусу: деталь привязывается к оси своего сустава, ось — к следующей детали, затем снова ось, и так до торса.

У цилиндрического сустава две оси и муфта между ними, поэтому в цепочке он занимает три звена. Голова и ноги собираются так же.

Печать

Всего получилось 32 детали.

Печатал белым PLA на Bambu Lab A1 mini: сопло 0,4 мм, слой 0,2 мм, зазор в суставах 0,2 мм. Детали с гибким гнездом клал горизонтально, чтобы слои шли вдоль лепестков гнезда. Детали печатал не в сборе, а по отдельности; поддержки понадобились только под нависающими элементами. Каждый стол печатался примерно часа три.

Как фигурка держит позу

На таких маленьких деталях важны не только зазоры в модели, но и калибровка самого принтера. Разница в 0,1 мм уже даёт либо свободный ход, либо тугой. Тугой нам на руку, а свободный приходится подтягивать: нарастить объём шарика примерно на те же 0,1 мм.

Я сделал это самым простым способом: взял у жены лак для ногтей и нанёс на шарики, которые вставляются в гибкие гнёзда. После этого фигурка держит позу под собственным весом.

Совет: перед печатью всей фигурки напечатайте один сустав на пробу и при необходимости подстройте зазор в редакторе под свой принтер. Это быстрее, чем перепечатывать детали.

Как это выглядит вживую

Руку можно разобрать: шарики защёлкиваются в гибкие гнёзда и так же вынимаются обратно.

Расширения у колен и бёдер позволяют фигурке присесть, и в этой позе она стоит сама.

Что бы я сделал иначе

Я разбирал и собирал фигурку примерно раз двадцать, и ничего не сломалось. Но печатать из PLA, думаю, было ошибкой.

PLA я взял, потому что он хорошо красится без грунта. Но грунт я в итоге всё равно купил, а под грунтом пластик уже не важен. В следующий раз возьму PETG:

• лепестки гибкого гнезда должны возвращаться в исходное положение после того, как в них вставили шарик, а PETG упругий;
• PETG меньше изнашивается, чем PLA.

Покрасил кисточкой. Как видно, окраска довольно посредственная: я ни разу не художник и красил пластиковые детали впервые.

Что изменилось в редакторе за это время

• Вырез на Manifold. Как советовали в комментариях к прошлой статье, я перевёл вырез с three-bvh-csg на Manifold: детали получаются замкнутыми, без дыр и осколков. Если сустав не вырезается, редактор ищет причину и предлагает исправление.
• Недеструктивная работа и тяжёлые модели. Вырез всегда считается от исходной модели, поэтому сустав можно двигать и пересчитывать сколько угодно. Дырявую сетку редактор предлагает починить сразу после загрузки.
• Гибкое гнездо в цилиндрическом, сферическом и дисковом суставах: шарик защёлкивается, и сустав можно разбирать и собирать заново.
• Расстановка и проверка: отражение сустава на другую сторону, защитные примитивы, режим «Поза», помощник для каждого типа сустава.

Что дальше

В планах — автоматическая расстановка суставов и новые типы соединений. Например, как у подвижных зверушек, которых полно на сайтах с моделями: они печатаются сразу собранными, а потом их сегменты изгибаются друг относительно друга. Хочу, чтобы такие соединения можно было сделать из любой модели. Если у вас есть идеи, что ещё стоит добавить, — пишите, буду рад.

Редактор: riggable.online. Модель обрабатывается прямо в браузере и не загружается на сервер.

Буду рад вопросам и критике в комментариях — особенно от тех, кто делал шарнирные фигурки вручную: что было самым мучительным и что стоило бы автоматизировать дальше.