Vizualizace v CAD realizované ve výuce na SPŠ a VOŠ ve Žďáru nad Sázavou

Tags: Autodesk | CAD | Karel Dvořák | Siemens NX | Vizualizace | Vzdělávání

Výuka ovládání aplikací CAD je v současné době samozřejmou součástí učebních plánů technických oborů středních a vyšších odborných škol strojírenského a informačně-strojírenského zaměření. Dosažené znalosti a intelektuální dovednosti práce s nástroji pro počítačovou podporu konstruování jsou východiskem pro realizování výuky projektovou metodou, založenou na řešení komplexních konstruktérských úloh, strukturou i rozsahem podobných úlohám řešeným v reálné průmyslové praxi. Realizování projektové metody výuky je osvědčenou cestou k dosahování odborných kompetencí žáků a absolventů technických oborů dle požadavků průmyslové praxe.

Právě pro profesní nasazení na konstruktérských a technologických pozicích jsou žáci uvažovaných úrovní škol primárně připravováni. Získané znalosti jsou současně výhodou i pro žáky, kteří se po absolvování střední nebo vyšší odborné školy rozhodnou pokračovat ve studiu technického oboru na vysoké škole.

Rozvoj CAD prostředků znamená nutnost optimalizace výuky

Stejně jako jiný aplikační software i nástroje pro podporu průmyslových a speciálně konstruktérských procesů se neustále rozvíjejí. Možnosti nástrojů počítačové podpory konstruování – CAD přinášejí široké spektrum postupů a cest k dosažení požadovaných výsledků, kde kritériem jsou často kvalitně zpracovaná data, kterým předchází efektivní cesta k jejich získání. Z uvedeného hlediska je třeba neustále optimalizovat výuku, již od prvních fází seznámení s aplikacemi CAD, po finální fáze, založené na řešení komplexních úloh s využitím nejen nástrojů CAD, ale také CAE, CAM a dalších CAx, případně nasazení systémů PLM. Nezanedbatelnou fází tvorby virtuálních prototypů je provádění průběžných a finálních vizualizací jednotlivých modelů komponent nebo celých sestav, často i v kontextu prostředí, ve kterém bude reálný produkt plnit svoji funkci. Provádění vizualizací má v reálné průmyslové praxi význam např. pro tvorbu prezentací konstrukčních řešení, tvorbu výukových materiálů technologických a montážních postupů, nebo pro vytvoření pokud možno co nejdokonalejšího vizuálního vjemu u tvarově složitých součástí dalším řešitelům týmového projektu pro postoupení do následných fází životního cyklu navrhovaného nebo upravovaného produktu. Z uvedených důvodů existují portfolia vizualizačních funkcí integrovaných v systémech CAD nebo v samostatných vizualizačních nástrojích, umožňujících práci s importovanými modely vytvořenými v CAD.

Prezentace vlastních prací - vizualizace

Zejména dovednosti tvorby prezentací vlastních konstrukčních řešení vytvořených v CAD jsou požadovanou součástí odborných kompetencí absolventů technických škol. Žáci se učí prezentovat průběžné a finální výsledky své práce před spolužáky nebo před plénem v rámci odborně orientovaných seminářů a soutěží. Specifickým případem jsou stále oblíbenější internetové on-line soutěže, ve kterých kvalitní vizualizace hraje klíčovou roli pro úspěch. Završením studia na VOŠ je obhajoba absolventských prací. Podstatnou fází obhajob je prezentování práce studentem a lze tak uplatnit a dále rozvinout získané znalosti a dovednosti v oblasti vizualizací a jejich praktického využití.

Předložený text představuje přístupy k řešení této problematiky na Střední průmyslové škole a Vyšší odborné škole ve Žďáru nad Sázavou. Využívá se zde dlouhodobých zkušeností s výukou CAx aplikací a také spolupráce s průmyslovou praxí. Škola ve výuce CAD a CAE ve strojírenských a informačně-strojírenských oborech nasazuje CAx aplikace Autodesk Inventor a Siemens NX. Instalace uvedených aplikací jsou součástí softwarové báze učeben pro výuku práce s CAx aplikacemi. Pořízení dostatečného počtu licencí je podporováno spoluprací s průmyslovými podniky v regionu, ve kterých také žáci absolvují odborné praxe v průběhu studia a zvlášť úspěšní žáci tu často nacházejí profesní uplatnění po absolvování oboru. Provádění vizualizací je zde primárně realizováno prostřednictvím nástrojů Autodesk ShowCase nebo sady nástrojů ThruShading Studio a Visualize Shape, integrovaných v Siemens NX. Obě aplikace dovolují import 3D dat vytvořených v dalších aplikacích, a žáci si tak pro finální fáze tvorby virtuálních prototypů mohou zvolit modul, který jim více vyhovuje.

Především vizualizační potenciál modelovacích aplikací je také výrazným motivačním faktorem žáků pro využívání CAD aplikací pro řešení úloh i mimo rámec požadavků v rámci školní výuky.

Pracovní a finální vizualizace

Tvorbu vizualizací lze rozdělit do dvou úrovní, představujících vizualizace pracovní a vizualizace finální. Obě uvedené úrovně mohou mít dle účelu konkrétní úlohy společný průnik.

Pracovní vizualizace se provádějí v průběhu modelování navrhovaného dílu a mají především význam pro vytvoření vizuálního vjemu vytvářeného zobrazeného modelu. Usnadňují také výběr objektů pro další modelovací a analytické operace. Specifický příklad pracovních vizualizací mohou představovat analýzy ploch, uplatňované zejména při postupech vyhlazování metodami volného tvarování. Příklad zakřivené plochy s analýzou odrazivosti je na levé části obrázku č. 1. Zcela specifickým případem je analýza úkosů ploch, uplatňovaná především při návrhu modelů odlitků, výlisků a nářadí pro provádění technologických operací. Například posouzení negativních úkosů je jednou z podmínek pro bezproblémové rozdělení formy a vyjmutí odlitku při výrobě dílu odléváním. Ukázka analýzy úkosů odlitku je na pravé části obrázku č. 1.

Obr. 1 Příklady vizualizací prováděných průběžně při tvorbě modelu

Finální vizualizace slouží pro vytvoření efektivního estetického obrazového vjemu návrhu. V některých případech je požadavkem fotorealistický výstup pro posouzení reálného vzhledu v konkrétním prostředí dle funkčního účelu reálného produktu. Finální vizualizace modelu obvykle nejsou příliš komfortní pro provádění následných modelovacích operací. Lze je však uplatnit v průběhu práce pro posouzení vzhledu celkového návrhu nebo jednotlivých částí a pro rozhodnutí o následném modelovacím postupu. Uvedený postup je uplatňovaný především u modelů komponent a sestav, které budou mít v reálné situaci funkční i estetický význam. Základním prostředkem finálních vizualizací je přiřazení vzhledu konkrétního materiálu součásti, včetně příslušné úrovně lesku. Příklad modelu vytvořeného v CAD, znázorněného na obrázku č. 2, je po provedení vizualizačních postupů představen na obrázku č. 3.

Obr. 2 Model vytvořený v CAD Siemens NX

Obr. 3 Model z obrázku 1, vizualizovaný v Autodesk ShowCase

Realizování vizualizačních postupů má specifický význam při tvorbě designových návrhů. Pracovní i finální vizualizace se provádějí především při tvorbě modelů již zmíněnými metodami volného tvarování ploch. Uvedené metody lze považovat za nejpokročilejší postupy modelování v CAD a vyžadují širší základy než postupy klasického modelování. Prostřednictvím vizualizací lze v průběhu tvorby a editace plošného modelu vyšetřovat např. lokální zakřivení a získané informace využít společně s dalšími postupy k manuálnímu vyhlazování a dalším úpravám ploch. Estetičnost designového návrhu často vynikne zejména v kontextu reálného nebo fiktivního prostředí a při provádění experimentů uvedených atributů prostřednictvím finálních vizualizačních metod.

Výuka tvorby a editace ploch prostřednictvím postupů volného tvarování a návaznost na vizualizační postupy je součástí výuky pokročilých modelovacích metod realizované na VOŠ a vzhledem ke značnému rozsahu bude této problematice v budoucnu věnován samostatný článek.

Vizualizace a PLM

Vizualizační možnosti CAD aplikací jsou také jedním z motivačních faktorů pro kroužek PLM, určený žákům základních škol a nižších ročníků středních škol. Účastníci kroužků mají možnost seznámení se s průmyslovými postupy předvýrobních etap životního cyklu produktu nad rámec jejich školní výuky. V souvislostech se vstupní úrovní znalostí a dovedností posluchačů kroužku je výuka optimalizována právě využíváním průběžných vizualizačních postupů, což odpovídá trendům požadavků žáků na provádění počítačem podporovaných činností ve školní výuce i v běžném životě. Vizualizace na modelech mají blíže k „hraní si" než k pouze striktním postupům konstruování a jsou zpestřením výuky základních postupů v CAD.

Cílem kroužků PLM je formování vztahu potenciálních budoucích žáků technických oborů k CAx aplikacím, jejich využívání ve školní výuce i v profesní praxi. Současně se očekává zvýšení motivace žáků ke studiu strojírenských a informačně-strojírenských oborů.

Autor působí na SPŠ a VOŠ Žďár nad Sázavou a ve společnosti AxiomTech Žďár nad Sázavou.