E LINKX
Google překladač: English Deutsch

Exkluzivní partner sekce

Siemens
SOLIDWORKS
Siemens

GOPAS - CAD kurzy

Více kurzů

StreamTech.tv

streamtech tv-logo

Funkční navrhování bez tajností

V oblasti CAD řešení nastalo období dalších změn. V posledních deseti letech jsme byli svědky exploze využívání metod navrhování v 3D a výrazného nárůstu přijímání 3D návrhových aplikací uživateli. Rostoucí výkon modelovacích jader, vývoj uživatelských rozhraní a nástup 64bitových počítačů zároveň vedou k zásadním změnám z hlediska ceny a komplikovanosti těchto aplikací. To vše jsou dobré zprávy pro firmy ve výrobním průmyslu, ale některé výzvy stále přetrvávají.

Je 3D modelování složité?

Velmi mnoho lidí vnímá 3D návrhové systémy jako příliš komplikované pro své potřeby nebo je používá pouze ke zdokumentování konstrukčních problémů, které už vyřešili – 3D model používají k testování formy a zasazení do kontextu nebo k automatizaci tvorby 2D výkresů. Navrhování ve 3D má potenciál vyvolat v průmyslu ještě zásadnější transformaci než dosud. K této transformaci však nedojde, dokud všichni výrobci nebudou schopni rychle a snadno vytvářet digitální prototypy, jež testují formu, zasazení do kontextu a funkci, aniž by kvůli tomu inženýři museli být odborníky na vytváření geometrie modelu nebo správu geometrických vazeb.
Pracujete-li s aplikací, jako je Microsoft Word, neuvažujete nad tím, jak změnit použitá písma, aby se dokument podařilo vytisknout, nebo co se stane po odstranění některého odstavce. Jednoduše formulujete své myšlenky do slov a necháte aplikaci, aby se starala o tisk a uspořádání textu. Bohužel, mnozí uživatelé 3D se dnes stále musí trápit s omezeními softwaru, která jsou naprosto analogická s možností vytisknout dokument Wordu nebo vymazat v něm odstavec. Například když vytvoříte 3D model konceptu nového návrhu, neexistuje záruka, že vám model umožní zodpovědět otázky, jak bude výsledný produkt fungovat. Takové odpovědi dostanete pouze v případě, že naprosto jasně rozumíte tomu, jak model vytvořit, aby jej bylo možné použít k získání odpovědí na „funkční“ otázky. Pokud se nebudete držet takového postupu, máte buď smůlu, nebo budete model muset znovu předělat. Navíc, když vymažete některou součást modelu, často si musíte poradit s dopadem této změny na celý 3D model.
Bylo navrženo mnoho řešení těchto fundamentálních omezení parametrických modelovacích systémů. Na současném trhu je k dispozici například modelování bez ukládání historie, návrhové aplikace založené na pravidlech a plně přizpůsobené návrhové systémy. Nicméně žádný z těchto přístupů sám o sobě není odpovědí. Záleží na tom, jak se všechny dohromady použijí k vytvoření prostředí, ve kterém by bylo možné snadno vytvářet a upravovat plně funkční modely. Taková fúze modelovací technologie a inženýrských funkcí se často nazývá „funkční navrhování“ a je klíčem ke zpřístupnění konceptu digitálního prototypování v počítači každého inženýra.

vzduchový kompresor
vzduchový kompresor

Klíčové atributy 3D systémů

Chceme-li pochopit požadavky takového systému, musím nejprve pochopit tři společné atributy 3D návrhových systémů, které se v současné době všeobecně používají:
  1. Jsou postaveny na geometrickém jádru (ať už některém široce využívaném, nebo proprietárním), které zajišťuje všechnu matematickou dřinu spojenou s vytvořením 3D digitálního znázornění pevného tělesa.
  2. Vytvářejí historii inteligentních modelovacích vlastností, které umožňují uživateli definovat geometrické komponenty jako zaoblení, zkosení a otvory v pořadí operací, jež více méně kopíruje proces výroby.
  3. Obsahují sadu omezujících podmínek a vazeb, které umožňují uživateli pozměňovat velikosti skic a dílů a umísťovat je do prostoru relativně k sobě navzájem. Například dva díly mohou mít plochy, které sdílejí společnou rovinu, i když jsou od sebe vzdáleny 10 cm. Vazba, která umožňuje uživatelům pozměňovat vztahy velikosti a pozice pomocí čísel a matematických rovnic, se nazývá parametrická. Parametrická vazba umožňuje uživateli změnit jeden geometrický prvek na základě velikosti jiného – například průměr otvoru, který se má měnit v závislosti na velikosti šroubu.
První atribut je pro uživatele obecně neviditelný, druhý a třetí musí být uživatelem aktivně spravován – a právě tyto atributy představují hlavní potíž spojenou s vytvářením, úpravami a ověřováním návrhů výrobků pomocí 3D modelů.

Jaká je výzva a jak na ni odpovědět

S 3D modelováním je spojena řada problému. Protože se při vytváření prvků ukládá zároveň jejich historie (takže jsou závislé na prvcích vytvořených dříve), odstranění některého prvku z raného stádia vývoje návrhu může mít za následek buď 3D model, který najednou nelze znovu vygenerovat (což je obdobou dokumentu, který se nevytiskne), nebo už nezachycuje původní záměr uživatele (jako by se požadované písmo Times New Roman vytisklo jako Arial). Proto uživatel, jestliže chce dosáhnout správného výsledku, musí věnovat pozornost pořadí prvků (tzv. „stromu prvků“). Odměnou za své úsilí dostane inteligentní model, který mohou ostatní dále využívat a rychle upravovat v závislosti na změnách návrhu. S parametrickými vazbami jsou spojeny podobné problémy. Pokud uživatel nevěnuje pozornost tomu, jak a kdy používá vazby, získá 3D model, který buď nelze změnit, nebo je pro ostatní nepoužitelný. Natožpak aby byl použitelný jako digitální prototyp, který reprezentuje skutečné fungování vlastního návrhu.

Z 3D modelovacích systémů se budou muset stát systémy funkčního navrhování, v nichž se spojí mnohé ze zde zmíněných myšlenek.

Řešit tyto výzvy se snaží různé přístupy:
  • Modelování bez historie. Nabízí velice intuitivní uživatelská rozhraní, jež umožňují uživatelům rychle vytvářet modely součástí bez starostí s pořadím modelovacích operací. Přestože tyto modely lze často velmi snadno vytvořit a bývají velmi stabilní (takže se téměř vždycky po změně obnoví), je to na úkor návrhové a výrobní inteligence parametrických prvků. Takto vytvořené modely výrobků nelze použít k ověření celé formy, vhodnosti a funkce návrhu. V mnoha ohledech jsou krokem zpět k modelovacím řešením, jež předcházela parametrickým, a z historie víme, proč se vůbec všechny tyto technologie vyvinuly.
  • Inženýrské systémy založené na znalostech, které se pokoušejí popsat celý návrh výrobku pomocí inženýrských pravidel. Na základě těchto pravidel potom automatizují vytváření 3D geometrie, kterou lze použít k ověření formy, vhodnosti a funkce a tvorbě 2D výkresů. V zásadě se dá říci, že programovací prostředí, založené na pravidlech, je nasazeno nad CAD systém a umožňuje „naprogramovat“ 3D model. Použijí-li se tyto systémy k návrhu výrobků s vysoce opakovatelnými postupy návrhu (přepravníky, eskalátory, výtahy atd.), výsledky jsou vynikající. Avšak náklady a odbornost potřebná k vytváření takových inteligentních modelů je natolik vysoká, že tyto technologie dnes používají pouze ti, kdo dosáhnou vysoké návratnosti investic, jež ospravedlní nezbytné náklady na implementaci, poradenství a školení.
  • Plně přizpůsobené návrhové systémy. Používají je velké automobilky a výrobci letadel a skládají se z řady aplikací (obvykle postavených na společném 3D návrhovém jádru), které byly účelově vytvořeny pro automatizaci nebo zjednodušení konkrétních úkolů v procesu navrhování a digitálního prototypování a které se při navrhování auta nebo letadla stále znovu opakují. Vysoce regulovaná povaha těchto odvětví, jednotková cena a množství výrobků ospravedlňují investici do těchto nástrojů, ovšem jen velmi málo z nich se dá obecně použít na širším trhu.
Žádný z těchto přístupů sám o sobě se nemůže stát skutečným nástrojem pro vývoj výrobků, jenž by byl vhodný pro milióny inženýrů a návrhářů, kteří budou 3D návrhové nástroje v budoucnu používat. Nejlepší dnešní výrobci nevytvářejí 3D modely jen pro dokumentační účely, ale aby si ověřili formu, vhodnost a funkci digitálního prototypu před přípravou výrobní dokumentace. Bohužel komplikovanost vývoje digitálních prototypů nejlepší výrobce brzdí a zbytku průmyslu brání je dohnat. Má-li se celý průmysl přeorientovat na digitální prototypování, z 3D modelovacích systémů se budou muset stát systémy funkčního navrhování, v nichž se spojí mnohé z výše zmíněných myšlenek.

CNC obráběcí stroj
CNC obráběcí stroj

Budoucnost má jméno funkční navrhování

Jak už bylo řečeno výše, uživatel moderního 3D návrhového systému vůbec neřeší matematiku potřebnou k vytvoření počítačového znázornění 3D dílu – i když je tento díl obzvlášť složitý. To samé by mělo platit i pro vlastnosti založené na historii, pro prvky, které nejsou založeny na historii, pro vazby a parametrii. Jednoduše řečeno, odpověď na otázku, jestli návrhový systém další generace používá, nebo nepoužívá historii, pracuje s parametrickými vlastnostmi a vazbami, nebo využívá pravidla, je: ano.
O nic jiného by se uživatel neměl starat. Jednotlivé podpůrné technologie by měly být odsunuty na úroveň jádra, které pracuje na pozadí a pomáhá uživateli maximálně se věnovat řešení funkčních problémů – nikoli problémů s modelováním.
To znamená, že 3D nástroje další generace budou využívat inteligenci historie vlastností, poskytnou jednoduchost používání typickou pro operace bez historie a pomocí pravidel budou automatizovat vytváření parametricky omezené geometrie z jednoduchých funkčních znázornění návrhu výrobku. Takové pojetí sice neodstraní potřebu řešit problémy s modelováním, ale zkrátí čas věnovaný takovým problémům na minimum a zároveň zajistí, aby vytvořená geometrie byla vždy použitelná jako digitální prototyp.
Cesta kupředu vyžaduje rozšíření 3D modelovacích systémů o nový atribut: funkční modul. Tento funkční modul se bude nacházet nad různými modelovacími jádry a technologiemi (prvky, úpravami založenými na historii, úpravami nezávislými na historii, vazbami, parametry a pravidly). Pomocí 2D a 3D schématických znázornění bude automatizovat vytváření 3D geometrie, kterou lze vždy upravovat a která je vždy zároveň i digitálním prototypem (tedy modelem, u něhož lze ověřit formu, vhodnost a funkci).
Stoprocentní automatizace nikdy nebude možná, ale počet případů, u nichž lze automatizaci využít, daleko přesahuje ty, u nichž ji využít nelze. Jednoduchými příklady jsou hřídele, řemenice a převodovky. Složitějšími příklady jsou přepravní systémy, hnací ústrojí a systémy kabelů a potrubí. Ve výsledku tak lze schémata použít k vytvoření příslušné geometrie a inženýr nebo návrhář se může soustředit na řešení funkčního problému a testování digitálního prototypu.

Autor pracuje jako Sales Execution Manager, Emerging Countries ve společnosti Autodesk.