Úvod

V súčasnosti je najväčším míľnikom úspešného umiestňovania produktov na trh skrátenie časového intervalu výroby, preto výroba akéhokoľvek produktu by mala byť veľmi rýchla. Zákazníci sú veľmi netrpezliví a trh je presýtený podobnými výrobkami, ktoré sa líšia kvalitou a dizajnom. Výrobné spoločnosti sa musia rozhodnúť, či si zvolia cestu kvality a atraktívnosti dizajnu výrobku, čo vedie k vyšším nákladom na materiál a komponenty a v konečnom dôsledku k vyšším výrobným nákladom. Alebo zvolia cestu priemernej kvality a dizajnu, kde výrobné náklady a konečná cena výrobku je nižšia. Zákazníci zvažujú využívanie produktu v rôznych ohľadoch. Niektorí používajú výrobky denne a  v takom prípade zvyčajne vyberajú produkt vyššej kvality a tým aj ceny. Tí, ktorí výrobky využívajú príležitostne, zvyčajne vyberú produkt s nižšou kvalitou a cenou.

Všetky procesy, ktoré ovplyvňujú výrobu výrobku, sú spojené s riadením výrobného procesu (MPM – manufacturing process management). MPM definuje "ako" má byť produkt vyrobený. MPM prijíma digitálnu definíciu výrobku od inžinierov, zvažuje možnosti a kapacity interných podnikov a externých dodávateľov a dodáva súbor výrobných plánov potrebných na výrobu. MPM tiež zahŕňa poskytovanie včasnej spätnej väzby od výroby až po inžinierske návrhy, ktoré sú založené na predbežných verziách výrobných procesov. [1]

Vývoj CAD aplikácií

Definícia digitálneho produktu pochádza z jedného z najvýkonnejších nástrojov v MPM, ktorý sa nazýva CAD (Computer Assisted Design). CAD je použitie počítačových systémov (alebo pracovných staníc), ktoré pomáha pri tvorbe, úpravách, analýze alebo optimalizácii konštrukčného návrhu. CAD softvér pomáha zvýšiť produktivitu konštruktéra, vylepšiť kvalitu dizajnu a tiež komunikáciu prostredníctvom dokumentácie a vytvoriť databázu pre výrobu. Jeho výstup je často vo forme elektronických súborov pre tlač, obrábanie alebo iné výrobné operácie.

Vznik CAD sa pripisuje francúzskemu inžinierovi Pierreovi Bézierovi (Arts et Métiers ParisTech, Renault). Po svojej matematickej práci v oblasti plôch vyvinul UNISURF medzi rokmi 1966 a 1968, aby zjednodušil návrh častí a nástrojov pre automobilový priemysel. Potom sa UNISURF stal pracovnou základňou pre nasledujúce generácie CAD softvéru. Keďže počítače sa stali cenovo dostupnejšie, aplikačné oblasti sa postupne rozšírili. Vývoj CAD softvéru pre stolné počítače bol impulz pre takmer univerzálnu aplikáciu vo všetkých oblastiach výstavby. Kľúčovými produktmi pre rok 1981 boli pevné modelovacie balíky - Romulus (ShapeData) a Uni-Solid (Unigraphics) založené na PADL-2 a sprístupnením modelára pre plochy CATIA (Dassault Systemes). Autodesk bol založený v roku 1982 Johnom Walkerom, čo viedlo k 2D systému AutoCAD. Ďalším medzníkom bolo nasadenie programu Pro/Engineer (teraz PTC Creo) v roku 1987, čo viedlo k obrovskému využitiu modelovacích metód založených na tvorbe prvkov a parametrické prepojenie parametrov jednotlivých prvkov. Taktiež dôležitý pre vývoj CAD bol vývoj konštrukčných modelov jadier B-rep (motory na manipuláciu geometricky a topologicky konzistentných 3D objektov) Parasolid (ShapeData) a ACIS (Spatial Technology Inc.) na konci 80. rokov a začiatku deväťdesiatych rokov minulého storočia, ktoré boli inšpirované prácou Iana Braida. To viedlo k nasadeniu balíkov strednej triedy, ako sú SolidWorks a TriSpective (neskôr známe ako IRONCAD) v roku 1995, Solid Edge (potom Intergraph) v roku 1996 a Autodesk Inventor v roku 1999. Nezávislé geometrické modelovacie jadro sa v Rusku vyvíjalo od roku 1990. [2]

2D CAD aplikácie

2D CAD sa všeobecne využíva na tvorbu vektorových základných schém. Napríklad architekti používajú CAD softvér na vytváranie horných pohľadov na pôdorysy budov a vonkajšie okolie. Tieto schémy obsahujúce vektorovú grafiku, môžu byť zmenšené na rôzne veľkosti a následne sa môžu využiť na návrhy alebo tlač. 2D CAD tiež obsahuje výkresy, skice a makety, ktoré sú bežné na začiatku tvorby procesu návrhu. [3]

Existuje mnoho 2D CAD softvérových aplikácií, ktoré možno použiť na vytvorenie konštrukčného zámeru. Niektoré z nich sú spoplatnené, niektoré sú dostupné zadarmo. Platené verzie väčšinou poskytujú väčšiu funkčnosť a priame pripojenie k 3D CAD aplikáciám. Nižšie sú uvedené niektoré bezplatné a platené softvérové aplikácie a taktiež príklad 2D návrhu.

Tabuľka 1: Príklady bezplatných a platených 2D CAD aplikácií

Obrázok 1: Príklad 2D návrhu

3D CAD aplikácie

3D CAD modely sú založené na vektoroch, pričom vektory obsahujú tri rozmery. To umožňuje návrhárom vytvárať komplexné 3D tvary, ktoré sa dajú posúvať, otáčať, zväčšovať a upravovať. Niektoré 3D modely sú vytvorené výhradne z mnohouholníkov, zatiaľ čo iné môžu obsahovať Bézierove krivky a iné zaoblené plochy. Pri vytváraní 3D modelu môže konštruktér najskôr vytvoriť základný tvar objektu alebo "drôtený model". Akonáhle je tvar dokončený, môžu byť pridané povrchy, ktoré môžu zahŕňať farby, gradienty alebo návrhy, ktoré je možné použiť pomocou procesu nazývaného mapovanie textúr. Mnohé 3D CAD aplikácie obsahujú schopnosť pridania osvetlenia, ktoré ovplyvňuje tiene a odrazy objektu. Niektoré programy tiež obsahujú funkčnosť, pomocou ktorej je možná tvorba 3D animácií. 3D CAD zahŕňa počítačom podporovanú výrobu (CAM - computer-aided manufacturing), ktorá zahŕňa simuláciu skutočnej výroby trojrozmerných objektov. [3]

Existuje veľa 3D CAD softvérových aplikácií, ktoré možno použiť na vytvorenie konštrukčného zámeru. Niektoré z nich sú platené, niektoré sú bezplatné. Platené verzie väčšinou poskytujú väčšiu funkčnosť ako napr. tvorbu simulácií, optimalizácií, mechanizmov, plechových súčiastok, ľudských faktorov a iných. Nižšie sú uvedené niektoré bezplatné a platené aplikácie a taktiež príklad 3D návrhu.

Tabuľka 2: Príklady bezplatných a platených 3D CAD aplikácií

Obrázok 2: Príklad 3D návrhu

Ako bolo spomenuté vyššie, 3D CAD aplikácie poskytujú 3D modely. Všeobecne sa tvorba 3D modelov nazýva objemové modelovanie. V 3D CAD aplikáciách existujú dva typy 3D modelovania: parametrické modelovanie a explicitné (priame) modelovanie.

3D parametrické CAD aplikácie

Parametrické modelovanie sa tiež nazýva modelovanie založené na prvkoch. Každá entita, ako napríklad booleovská primitíva, čiara alebo oblúk v drôtenom tvare, alebo operácia zaoblenia, má s ňou spojené parametre. Tieto parametre riadia rôzne geometrické vlastnosti entity, ako napríklad dĺžku, šírku a výšku pravouhlého hranolu alebo polomer zaoblenia. Uvedené parametre tiež riadia polohy umiestnenia týchto entít v rámci modelu. Dizajnér ich môže meniť podľa potreby, aby sa vytvorila požadovaná súčiastka. Parametrické modeláre používajú metódu založenú na histórii, ktorá vedie záznamy o tom, ako bol model vytvorený. Po zmene parametrov program opakuje operácie z histórie, pričom použije nové parametre, čím vytvorí nový objem. Pre tento typ modelovania existuje mnoho spôsobov využitia, vrátane testovania rôznych rozmerov modelov, aby sa určilo, ktorá súčiastka je "najlepšia" a to jednoduchým nastavením parametrov a regeneráciou modelu.

Tieto modeláre taktiež umožňujú iné metódy vzťahov jednotlivých entít. Entity môžu byť umiestnené napríklad na začiatku kriviek, na koncoch čiar alebo oblúkov, na vrcholoch alebo v strede čiar. Entity môžu byť tiež umiestnené v danej vzdialenosti alebo na konci vektora od týchto bodov. Keď sa model regeneruje, tieto vzťahy zostanú zachované. Niektoré systémy taktiež umožňujú geometrické väzby medzi entitami. Tieto môžu vyžadovať, aby boli entity napríklad paralelné, tangentné alebo kolmé.

Parametrické modelovanie je určené hlavne pre prácu s takými návrhmi konštrukcie, ktorá podlieha hlavne zmenám hodnôt kót, na rozdiel od zmien celkového návrhu, ako je napríklad odstránenie prvkov. [4]

Obrázok 3: 3D parametrická zostava s plne prístupnou históriou v strome modelu

3D explicitné CAD aplikácie

Explicitné (priame, neparametrické) modelovanie sa tiež nazýva modelovanie bez histórie. Ide o CAD metódu, ktorá umožňuje dizajnérom interagovať priamo s geometriou modelu. To znamená, že ním môžu manipulovať tlačením, ťahaním alebo skrútením. To môže ušetriť značné množstvo času, pretože projektantovi je jednoduchšie zmeniť model na požadovaný tvar. Takže na rozdiel od parametrického modelovania, kde musí byť konečná geometria objektu postavená do krokov, ktoré vytvárajú konečný model, priame modelovanie umožňuje zmeniť geometriu prvkov bez toho, aby museli upravovať jednotlivé kroky tvorby modelu. [5]

Po vytvorení 3D objemov ako vysunutie, rotovanie, diery, skosenia, zaoblenia alebo iných geometrických tvarov sa celá história tvorby stratí. Spôsob spätnej rekonfigurácie objemu nie je možný. V explicitných aplikáciách tiež chýba veľa funkcií, ktoré sú dostupné len pri parametrickom modelovaní, pretože nemôžu vytvárať odkazy (referencie) medzi entitami. Na druhej strane je možné jednoducho a rýchlo upraviť akýkoľvek 3D model, ktorý bol úspešne načítaný do programu. Neparametrický model je v podstate "hlúpy model", ktorý sa vytvára pri importovaní CAD modelu z iného programu. K dispozícii sú nástroje na kopírovanie a vkladanie, odstraňovanie, pretváranie, ale model nemá ďalšie väzby a vzťahy, ktoré by po aktualizácii umožnili vplyv na iné konštrukčné elementy. Explicitné modelovanie používajú väčšinou inžinieri, ktorí potrebujú vykonať obrovské zmeny dizajnu v modeloch a nemajú vo svojom parametrickom softvéri schopnosť flexibilného modelovania.

Obrázok 4: 3D explicitná zostava bez histórie

Ako študenti, odborní asistenti, aplikační inžinieri a vedeckí pracovníci sme pracovali s mnohými CAD aplikáciami: tromi 2D CAD, štyrmi parametrickými 3D CAD a štyrmi explicitnými 3D CAD. Nižšie sú uvedené niektoré parametrické a explicitné 3D CAD programy.

Tabuľka 3: Príklady parametrických a explicitných 3D CAD programov

Najlepšie postupy

Predtým, ako sa rozhodne o správnom type vhodného CAD softvéru je nutné, aby dizajnér, architekt, inžinier premýšľal o koncovom návrhu výrobku. Existuje veľa otázok. Nižšie sú uvedené príklady otázok, ktorých odpovede sú nápomocné pri voľbe CAD aplikácie.

• Je 3D dizajn jednoduchý alebo zložitý?
• Má softvérová aplikácia knižnicu materiálov a farieb?
• Je vytvorenie výkresovej dokumentácie nevyhnutné?
• Sú výrobky podobné? Je lepšie vytvoriť generický model a potom knižnicu?
• Je výrobok zostavou? Bude potrebné vytvoriť mechanizmy a ich analýzu?
• Je potrebné vykonať statické analýzy?
• Vyskytne sa neskôr požiadavka na zmenu dizajnu?
• Je potrebné vytvoriť fotorealistický výstup?

Ak je väčšina odpovedí na tieto otázky áno, voľba by mala padnúť na parametrický softvér. V režime modelovania je možné vytvárať 3D modely, určovať materiály, farby z knižnice, definovať a vytvárať vlastné farby. Je možné vytvoriť pokročilé objemové prvky, v ktorých prepojíte podobné alebo rôzne skice (skice musia obsahovať rovnaký počet bodov, pričom je možné prepojiť napr. kruh s trojuholníkom a obdĺžnikom) rovnobežne, zadaním uhla alebo nakreslením krivky. Ak je požiadavka tvorby podobných modelov, ako napríklad skrutiek, je možné vytvoriť všeobecný (generický) model, vybrať parametre (rozmery, texty, nové prvky), ktoré sa budú líšiť, definovať nové hodnoty pre parametre v tabuľke a nové modely budú virtuálne vytvorené. Takýto virtuálny model je možné otvoriť a zapísať na disk, alebo ho vložiť do zostavy a uložením zostavy sa zapíše na disk. V režime zostáv je možné vykonať rôzne analýzy: hmotnostné, povrchové plochy, vytvárať mechanizmy a analýzy kolízií.

V mnohých parametrických aplikáciách je možné pracovať s aplikáciou flexibilné modelovanie. Obsahuje mnoho funkcií, ktoré pomáhajú rýchlo zmeniť celý model. Jedným z nich je funkcia, ktorá sa nazýva odstrániť plochu. Táto funkcia umožňuje odstrániť vybrané plochy a objemy. Umožňuje tiež nahradiť jednu plochu druhou. Ďalšou funkciou je možnosť vybrať plochy, prvok alebo prvky a presunúť ich na požadované miesto. Táto funkcia je podobná v explicitných programoch, takže parametrický program sa stane čiastočne explicitný. Iná funkčnosť, ktorá umožňuje "voľné" modelovanie, je funkcia nazývaná freestyle. Umožňuje spustiť dizajn z gule alebo iného 3D tvaru a pracovať veľmi rýchlo na dizajne. Nižšie na obrázku 5 je príklad 3D dizajnu vytvoreného v parametrickom softvéri pomocou funkcie freestyle. Tento dizajn bol vytvorený za 12 minút. Bez možnosti freestyle by modelovanie založené na prvkoch a s funkčnosťou pokročilých kriviek a plôch trvalo oveľa dlhšie.

Obrázok 5: 3D dizajn vytvorený v parametrickej aplikácii s funkciou freestyle

Závěr

Väčšina parametrických softvérových aplikácií má veľa rozšírení, ktoré môžu pomôcť s rôznymi analýzami modelu: flexibilné modelovanie, skúmanie návrhu, interaktívny dizajn povrchu, potrubia, kabeláže, pokročilé rámové konštrukcie, ľudské faktory, pokročilé fotorealistické vykresľovanie, reverzné inžinierstvo, spolupráca ECAD-MCAD, statika, dynamika, CAM a výroba.

Niekedy však nastanú chvíle, keď parametrický prístup nie je taký rýchly na vytvorenie nových návrhov prototypov, ktoré nebude potrebné neskôr prekonfigurovať. (Funkčnosť freestyle a flexibilného modelovania je platená a váš parametrický softvér ich neobsahuje). V týchto prípadoch je vhodné používať explicitné softvérové ​​aplikácie, najlepšie tie, ktoré sú bezplatné.

Softvérové ​​aplikácie v oblasti technológií CAD stále napredujú a softvérové ​​spoločnosti každý rok prezentujú vo svojich aplikáciách nové funkcie a aktualizácie. Existujú aplikácie, ktoré sú rozdelené na parametrické a explicitné časti. Keďže sú programované na jednej platforme, ich obrovská funkčnosť spočíva v tom, že môžu navzájom spolupracovať. Keď je model vytvorený v explicitnej aplikácii a neskôr importovaný do parametrického súboru, všetky operácie, ktoré boli vykonané v explicitnej časti aplikácie, sa objavia v strome modelu a 3D model sa stane parametrickým, plne prístupným a prekonfigurovateľným so všetkými kótami a referenciami. Väčšinou sa používa táto funkcia. Návrhár vytvorí rýchly dizajn prototypu a neskôr ho odošle CAD odborníkovi na spracovanie do požadovanej formy.

A to je naša odpoveď na otázku, aký softvér by ste mali používať pri práci s 3D modelmi.

Ak je možné, použite softvérovú aplikáciu, ktorá vám umožní pracovať na jednej platforme s parametrickými a explicitnými aplikáciami.

Ak to nie je možné, použite akýkoľvek parametrický softvér s funkčnosťou flexibilného modelovania a voľného štýlu.

Poďakovanie

Táto publikácia vznikla vďaka podpore v rámci operačného programu Výskum a inovácie pre projekt: IKT produkty pre komunikáciu v rámci inteligentných systémov, s ITMS2014 + kódom projektu 313011T413, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Bibliografia:

1. PTC, http://support.ptc.com/WCMS/files/45038/en/4585_MPMLink_TS.pdf, dátum prístupu  2019/09.
2. Narayan, K. Lalit (2008). Computer Aided Design and Manufacturing. New Delhi: Prentice Hall of India. p. 3. ISBN 812033342X.
3. Techterms, https://techterms.com/definition/cad, dátum prístupu  2019/09.
4. Engineershandbook, http://engineershandbook.com/Software/cad2.htm#3dp, dátum prístupu 2019/09.
5. Concurrent-engineering, http://www.concurrent-engineering.co.uk/blog/blog/bid/93709/what-cad-users-need-to-know-about-direct-modeling, dátum prístupu 2019/08.