Menu

To tylko jeszcze jedno D!

Chyba znów zbliżamy się do epoki kamienia łupanego. Historia zatacza koło, przynajmniej jeżeli chodzi o techniki projektowania mechanicznego. W epoce mamutów i tygrysów szablozębnych człowiek, który projektował ówczesne „urządzenia mechaniczne” nie posługiwał się rysunkami płaskimi – od razu budował trójwymiarowo swoje narzędzia i naczynia. Genialne w swojej prostocie! 
Po co tracić czas na rysowanie? Później jednak człowiek wymyślił papier i ołówek, projektowane przedmioty stawały się coraz bardziej skomplikowane i tak się jakoś stało, że każdy projekt musiał być najpierw narysowany na płaskiej kartce. Gdzieś zginęło jedno „D” i pozostało „2D”.
Już człowiek pierwotny wiedział, że jeżeli szybciej wykona grot do swojej dzidy to szybciej pójdzie polować. Człowiek współczesny zaczyna rozumieć, że jeżeli szybciej zaprojektuje lepsze urządzenie to także szybciej „zapoluje” – szybciej osiągnie sukces rynkowy. Zaczyna więc postępować jak człowiek pierwotny – chce skrócić czas powstania nowego urządzenia i wyeliminować niepotrzebne fazy pracy. Jednakże zamiast stukania krzemieniem lub lepienia w glinie modeluje trójwymiarowo na komputerze. To się podobno nazywa postęp…

Od chwili wymyślenia AutoCAD-a kreślenie płaskie na komputerze nie zmieniło się wiele – generalnie trzeba się narobić (albo jak kto woli – „narysować). Mimo powstania doskonałych programów do projektowania trójwymiarowego, takich jak np. Autodesk Inventor, zwolennicy rysowania na komputerze (nie mylić ze słowem „projektowania”) sceptycznie patrzą na tą rewolucję i mówią, że programy komputerowe do projektowania trójwymiarowego mają same wady: są o wiele droższe, trudno się nauczyć ich działania, wymagają komputerów o kosmicznej wydajności i generalnie psują „odwieczny porządek rzeczy”.
Tutaj nasuwa mi się stary dowcip o radiu Erewań, w którym spiker koryguje wcześniej podaną wiadomość i mówi:

To prawda, ale…
Projektant, który myśli o projektowanym urządzeniu widzi jego kształty, proporcje, widzi jak urządzenie działa i spełnia funkcję, do której ma być stworzone. Projektant poszukuje więc takiego środka przekazu, który pozwoli mu na zamianę jego wizji w rzecz bardziej namacalną. Oprogramowanie do projektowania trójwymiarowego, jak na przykład Autodesk Inventor, jest właśnie takim środkiem przekazu. Pozwala ono „dotknąć” rzeczy, której w rzeczywistości jeszcze nie ma. Okazuje się, że utworzenie takiego modelu to swego rodzaju „lepienie gliny” z zastosowaniem prostych i łatwo przyswajalnych funkcji modelowania. Jeżeli jeszcze projektant dysponuje programem Inventor to przenoszenie wizji z pamięci „biologicznej” do elektronicznej staję się przyjemnością, a nie trudną pracą.
Program do projektowania trójwymiarowego staje się niesamowitym środkiem przekazu. Mając w pamięci komputera model urządzenia, które jeszcze nie istnieje możemy omówić jego cechy, wygląd czy działanie w gronie osób zainteresowanych projektem. Dzięki temu poznajemy opinie współpracowników i ich pomysły dotyczące ulepszenia projektu. Ponieważ model istnieje w pamięci komputera możemy często od razu wprowadzać zmiany w czasie dyskusji nad projektem widząc co się stanie po zastosowaniu poprawki. Mamy więc szansę oszczędzić pieniądze gdyż nie musimy budować kosztownego prototypu rzeczywistego, ponieważ korzystamy z prototypu wirtualnego. Okazuje się także, że efektem zaprezentowania projektu wirtualnego i wspólnego omówienia zalet i wad zaproponowanego rozwiązania jest także to iż w efekcie końcowym oprogramowanie trójwymiarowe pozwoli na zaprojektowanie jakościowo lepszych wyrobów.

inv_d1Rys. 1. Projekt w fazie tworzenia koncepcji

Projekt trójwymiarowy utworzony w pamięci komputera jest pozbawiony ogromnej ilości błędów, które mogą pojawić się podczas projektowania dwuwymiarowego nawet na komputerze. Wszystkie części tworzonego urządzenia mają właściwe wymiary i dopasowanie względem innych. W każdej chwili można rozbudować projekt z jednoczesnym uwzględnieniem zmian w poszczególnych częściach i podzespołach, których te zmiany dotyczą. Jeżeli popełniliśmy błąd, na przykład części nie pasują do siebie, to widzimy błąd na ekranie komputera, a nie dopiero w czasie montowania całego urządzenia. Nagle okazuje się, że pieniądze wydane na zakup oprogramowania zaczynają się zwracać i system zaczyna zarabiać.
Projektowanie trójwymiarowe oferuje niespotykany wcześniej komfort pozyskiwania i wymiany danych. Przy projektowaniu mechanicznym bardzo często będziemy korzystać z bibliotek części i zespołów mechanicznych, normaliów, itp. Coraz częściej producenci różnych elementów i podzespołów mechanicznych publikują na swoich stronach www biblioteki trójwymiarowe własnych wyrobów, co znacznie upraszcza zastosowanie takich części w projekcie, a także zapewnia zgodność pobranego modelu 3D z rzeczywistym detalem czy podzespołem, który zostanie zakupiony od danego dostawcy. Konstruktor unika wtedy konieczności samodzielnego budowania części zakupionych mając do dyspozycji „części wirtualne”. Także model zaprojektowany w jednym biurze konstrukcyjnym, które jest podwykonawcą projektu może zostać przesłany do drugiego zespołu konstrukcyjnego, który wpasuje go do projektu głównego widząc od razu jakie należy ewentualnie zaproponować poprawki. Efektem jest lepsza i szybsza koordynacja projektu i znaczne oszczędności.

inv_d2Rys. 2. Wstawianie detali z bibliotek

W projektowaniu dwuwymiarowym konstruktor koncentruje się na wykonaniu poprawnej dokumentacji rysunkowej, pozostawiając sobie mniej czasu na rzeczywiste projektowanie i sprawdzanie większej liczby pomysłów. Po prostu tutaj ważniejsze jest szybkie wykonanie rysunków. Podczas projektowania w systemie trójwymiarowym, jakim jest Autodesk Inventor, konstruktor kładzie główny nacisk na rzeczywiste projektowanie czyli na zbudowanie modelu 3D. Dzięki parametryzacji i adaptacyjności system Inventor pozwala na łatwe sprawdzenie innych koncepcji projektu. Jeżeli zaprojektowany model wirtualny spełnia oczekiwania konstruktora to przychodzi czas na tworzenie dokumentacji konstrukcyjnej. Inventor silnie wspomaga konstruktora generując rzuty rysunkowe, tworząc przekroje, szczegóły, przerwania i inne elementy płaskiej dokumentacji rysunkowej, która jest skojarzona z modelem 3D. Dzięki takiemu rozwiązaniu konstruktor nie musi tracić czasu na żmudne kreślenie rysunków, a wszystkie zmiany wprowadzone w modelu trójwymiarowym od razu pojawią się na skojarzonej z nim dokumentacji płaskiej.

inv_d3Rys. 3. Tworzenie dokumentacji rysunkowej z modelu 3D

Często konieczne jest wykonanie prototypu projektowanego wyrobu. Mając model trójwymiarowy zaprojektowany w programie Inventor możemy przesłać go do maszyny służącej do tworzenia prototypu np. w technologii stereolitografii. Ta technika tworzenia prototypu jest szczególnie chętnie stosowana przez projektantów części wytwarzanych metodą wtrysku tworzywa sztucznego. Wykonanie prototypu na maszynie stereolitograficznej pozwala uniknąć kosztownego tworzenia form wtryskowych dla wykonania prototypu części. I w tym przypadku bazą wyjściową do oszczędności jest model trójwymiarowy utworzony w programie Inventor.
Obliczenie masy jest w większości projektów niezbędnym warunkiem zamknięcia dokumentacji projektu. W projektowaniu płaskim może okazać się, że wyliczenie masy bardziej złożonej części będzie trudne i obarczone dużym błędem. Mając do dyspozycji model trójwymiarowy tej części możemy w szybki sposób sprawdzić jego podstawowe parametry fizyczne. Inventor pozwala przypisać do danej części rodzaj materiału i obliczyć masę, objętość, środek ciężkości, itp. Zmiany w modelu, które nastąpią w wyniku modyfikacji projektu będą automatycznie powodowały aktualizację parametrów fizycznych.
Model 3D to odzwierciedlenie rzeczywistego projektu. Mając odpowiednie oprogramowanie dodatkowe możemy stworzyć w pamięci komputera prawie rzeczywiste warunki pracy zaprojektowanej części czy zespołu. Model utworzony w programie Inventor może być w nim analizowany wstępnie pod kątem pracy mechanizmu. W następnym kroku możemy zastosować dodatkowe oprogramowanie do analizy kinematyki, które odpowie na szereg pytań dotyczących na przykład działających sił, utworzy wykresy prędkości i przyspieszenia analizowanych części, itp. Natomiast oprogramowanie do analizy wytrzymałościowej odpowie na pytania dotyczące wytrzymałości części czy zespołu, odkształceń w stanach statycznych i dynamicznych, rozkładu temperatur, itp. Już we wczesnym etapie projektowania możemy założyć pewne warunki np. obciążenia części i sprawdzić czy przypadkiem nie przesadzamy z wymiarami lub nie projektujemy części za słabej. Wszystkie te informacje będziemy mogli uzyskać właśnie dzięki temu, że mamy model trójwymiarowy, który możemy „maltretować” w pamięci komputera. W efekcie możemy zmniejszyć liczbę prototypów, które należy przebadać pod kątem wytrzymałości. I znowu modelowanie trójwymiarowe pozwoli na zaoszczędzenie czasu i pieniędzy, oraz zaprojektowanie lepszego wyrobu.

inv_d4Rys. 4. Analiza wytrzymałościowa modelu 3D

Modelowanie trójwymiarowe jest szczególnie przydatne w przygotowaniu procesu wytwarzania części mechanicznych, a szczególnie przy wykorzystaniu maszyn sterowanych numerycznie. Mając model 3D utworzony w programie Inventor możemy przesłać go do oprogramowania CAM, które na podstawie geometrii trójwymiarowej przygotuje program NC służący do wytwarzania tej części. Zastosowanie modelu trójwymiarowego w procesie wytwarzania drastycznie obniża koszty przygotowania odpowiednich operacji technologicznych, a przede wszystkim minimalizuje możliwość popełnienia kosztownego błędu.

inv_d5Rys. 5. Przygotowanie procesu obróbki w programie CAM

We współczesnym świece bardzo istotną rolę gra umiejętność zaprezentowania oferowanego produktu. Model trójwymiarowy utworzony w programie Autodesk Inventor może służyć do przeprowadzenia prezentacji urządzenia, pokazania tego jak będzie działało, jak można go zmontować, itp. Możemy utworzyć szereg różnych prezentacji, które powstaną na bazie nie istniejącego, „wirtualnego” modelu 3D urządzenia. Na tej podstawie odpowiednie komórki firmy mogą decydować o wprowadzeniu wyrobu do produkcji, zaproponowaniu modyfikacji na podstawie informacji od potencjalnych klientów, itp. W celu jeszcze lepszego zaprezentowania projektu możemy przesłać go do programu 3D Studio, w którym wykonamy prawdziwie fotorealistyczną prezentację. W efekcie uzyskujemy kolejne oszczędności oraz tworzymy lepszy produkt.

inv_d6Rys. 6. Prezentacja fotorealistyczna

I na koniec
Różnica pomiędzy „2D” i „3D” jest niewielka. To tylko jeszcze jedno „D”. Ale to trzecie „D” zrewolucjonizowało współczesne techniki projektowania. Nagle, świat zamknięty w osiach XY, eksplodował w kierunku Z dając projektantom nieograniczone możliwości przekazania swoich projektów i wizji. Dodatkowo projektowanie trójwymiarowe przeniosło ciężar pracy w kierunku prawdziwego projektowania uwalniając projektantów od żmudnego kreślenia. Obecnie model trójwymiarowy jest źródłem największej ilości informacji, którą możemy wykorzystać na wiele sposobów. Bo świat jest przecież trójwymiarowy…