A témát négy részből álló cikksorozatban dolgozom föl. Az első cikkemben magát a technológiát és annak alapfogalmait ismertetem, gyors elterjedésének okait, illetve előnyeit, valamint összegyűjtöttem a legelterjedtebb CAD/CAM szoftverek listáját, melyhez egy rövid ismertetővel szolgálok. A második cikk a CAD rövid történetét és a jelenleg elérhető szoftvereket járja körül. Az ezt követő két cikkben a hangszer- és autótervezésen keresztül szeretném bemutatni a CAD lehetőségeit, a munkáimról készült rendereimet, tervrajzaimat, robbantott és röntgenábráimat, illusztrálva a kész tárgyakról készült fotókkal.
Kislexikon
3D számítógépes modellezés
Képes tértesteket matematikailag modellezni, melyek megjelenhetnek kétdimenziós álló- vagy mozgóképként, illetve additív, szubsztraktív eljárások segítségével háromdimenziós tárgyak készíthetők a modellekből.
Alapvetően két fajtája létezik:
Szilárd test – solid
Az objektum tömegét modellezi, általában mérnöki, tudományos célokra használják fel. Az objektumok valós parametriával, méretekkel rendelkeznek, és felruházhatók olyan fizikai tulajdonságokkal, mint például tömeg, fajsúly, keménység, stressztűrő képesség. Az alkatrészek mozgása a kapcsolódási pontok animálásával szimulálható.
Héjmodell – wireframe, polygon
Ezek csak a modell határoló felületét, héját mutatják meg valós anyagvastagság nélkül. A modellezés egyszerűbb, mint a szilárd testek esetében, azonban ezek valós fizikai tulajdonságokkal nem ruházhatók fel. A polygon gyakorlatilag apró síkok összekapcsolódásával alakítja ki a térformát. Erre a megjelenítési módra épül például az Autodesk 3ds Max, az Autodesk Maya és a Blender. Szinte minden látvány alapú CGI (Computer-Generated Imagery) animációs szoftver ezt a térforma-alkotó modellt használja. Az animation, a rigging vagy a motion capture eljárások esetében egy solid test csak statikusan lenne animálható, mert élőlények modelljeinek animálására nem alkalmas.
CAD – Computer-Aided Desig
Számítógépes tervezés, egy terv létrehozásának, módosításának, elemzésének vagy optimalizálásának céljából. A crafts, a hagyományos formatervezés alapvetően empirikus munkafolyamatával ellentétben a tervezés ez esetben teljes egészében digitális folyamat. A 2D-s tervrajzok 3D-s formákká, solidokká (szilárd testekké) épülnek. A statikai, dinamikai terhelések, illetve az aerodinamikai, stressztűrő vizsgálatok digitális szimulációk formájában zajlanak. A munkafolyamat ebből adódóan sokkal gyorsabb és költséghatékonyabb. A vizsgálat tárgya a valós anyag paramétereivel ellátott 3D-modell. A 3D-modellekről textúrák felhasználásával fotórealisztikus renderek készíthetők még azt megelőzően, hogy az alkatrészről bármilyen makett készült volna.
A CAD-tértestek fajtái
Solid (szilárd test) alapú modellezés
Surface (felület) alapú modellezés
Form (szabad forma) alapú modellezés
Sheet metal (lemeztechnológia) alapú modellezés
Polygon–wireframe háromszög vagy négyszög alapú sokszög modellezés
A 2D-, 3D-rajzolás, -tervezés alapeszközei
Bézier-görbék, DWG – (from drawing), DXF – (Drawing Interchange Format vagy Drawing Exchange Format), 1. lineáris, 2. kvadratikus, 3. kubikus Spline-görbék, amelyek lehetnek két- vagy háromdimenzióban elhelyezkedő vonalrajzok.
Parametrikus tervezés
A mérnöki dizájnmodellezés egyik módszere, mely napjainkban a CAD-technológiák területén a legelterjedtebb. A folyamat során meghatározzák a modell paramétereit és a köztük lévő kapcsolatokat, hogy könnyen módosítható és adaptálható terv jöjjön létre. Minden alkatrész pontosan méretezett, kompatibilis, így a munkafolyamat felgyorsul. A módosítások hatást gyakorolnak a teljes szerkezet minden elemére, a szoftver egyetlen változtatás esetén is alakít minden más függő alkatrészen. Jelenleg a folyamat automatizált, kiküszöbölve ezzel rengeteg felesleges számítást. A termék alkotóelemei part (alkatrész) formátumban tárolódnak, ezeket az assemble (szerelés) egyesíti egy hagyományos összeszerelési folyamathoz hasonlóan.
Generatív dizájn
A tervezőknek munkájuk során nemcsak szerkezetileg és formailag új terveket kell kitalálniuk, hanem figyelniük kell az erőforrások és költségek csökkentésére is, illetve meg kell felelniük az egyre szigorodó környezetvédelmi előírásoknak. Bár a Bauhaus előrevetítette ezt, körülbelül csak az ötvenes években terjedt el általánosan, hogy a termékek vizuális megjelenésének tervezését szakosodott formatervezők veszik a kezükbe. Egészen a hetvenes évek végéig egyfajta pazarló szemlélet volt jellemző. Az anyagfelhasználás, a fogyasztás, a környezetszennyezés mértéke nem volt fontos szempont.
A mai szemlélet fontos tényezői
- a már meglévő dizájnelemekbe, brandbe történő integrálás
- anyag- és súlycsökkentés
- statikai és dinamikai teherbírás adott anyagfelhasználás melletti növelése
- stressztűrés, szakadás- és hasadástűrés, anyagfáradási tényezők javítása
- anyaghasználat-optimalizálás
- hőstressz, hőképződés figyelembevétele
- aerodinamikai, áramlástani kritériumok
- alkatrész- és szerelés-optimalizáció
- alkatrészek, szerelések nemzetközi kompatibilitása
Ezek alapján a mesterséges intelligencia optimalizált megoldásokat javasol a megfelelő alkatrész kialakítására, ezzel akár 45%-kal csökkentve az anyagfelhasználást. Ez egy adott anyag esetében is jelentős lehet, azonban az anyagok optimalizálása még növelheti az értékeket. Az Airbus repülőgépgyártó például a generatív dizájn segítségével 45%-os anyagmegtakarítást tudott elérni a beltéri válaszfalak kialakításánál. „Az Airbus becslése szerint az A320-as flottán bevezetett új bionikus válaszfalnak köszönhetően évente 465 000 tonnával csökken a szén-dioxid kibocsátás, ami egyenértékű azzal, mintha egy évre 96 000 személygépjárművet kivonnánk a forgalomból.” (Forrás: Autodesk, Arkance)
Anyagok optimalizálása
A dizájner munkában az anyaghasználat a mai napig a sokéves tapasztalatokra vagy az érzésekre, ötletekre épül. Ebben nagy segítség a generatív dizájn, mivel javaslatokat tesz az optimális anyagra költséges makettek és prototípusok megépítése nélkül. A terhelhetőség, az anyagmennyiség, a térfogat, a súly, a költségek kikalkulálhatók.
Felhő alapú szimulációk
A tervezést nagymértékben meghatározzák, segítik az anyagfáradási, statikus, dinamikus terhelési, stressztűrési (legyen az fizikai vagy hőbehatás) tesztek, szimulációk, aerodinamikai vizsgálatok. Csökkentik a gyakorlatban elvégezhető, fizikai tesztek számát, ezáltal költségkímélők. Az elvégzett mérések, tesztek virtuálisan zajlanak, eredményük azonban minimális eltérést mutat a fizikailag elvégzett tesztekhez képest.
CAM – Computer-Aided Manufacturing
Számítógépes gyártás. A CAD-modellek sok esetben akár emberi kéz érintése nélkül jönnek létre, additív, azaz hozzáadó (térnyomtatás) vagy szubsztraktív, azaz lebontó technológiák segítségével (CNC maró, forgácsoló, esztergáló technológiák). A 3D-solid modellekből generálhatók a megmunkálási CNC pályavezérlő kódok.
Additív gyártás
A térnyomtatás mára rengeteget fejlődött, mind a polimer alapú műanyagok (PET-G, PLA, ABS és ezek variációi más adalékokkal), mind a műanyag-, a fém- és a viasztechnológiák terén. Az extraction CNC-vel szemben a technológia jelentős anyagmegtakarítással jár, ezáltal is elősegítve a fenntarthatóságot. A fröccsöntéssel vagy öntéssel szemben gazdaságosabb, mivel minimális utómunkát igényel, a szükséges anyagmennyiségek könnyen kiszámolhatóak, nincs szükség öntőformákra, a keletkező gyártási hulladék pedig jóval kevesebb. Az új technológia lehetővé teszi térhálós alkatrészek megépítését.
VFX – Visual Effects, CGI – Computer-Generated Imagery
A VFX-filmezés, az interaktív játékprogramok, a látvány alapú technikák sajátja. Pontos parametriai függőségek nem hozhatók létre, így CAD-mérnöki, parametrikus munkára nem alkalmas. Ha összehasonlítom a számítógépes grafikával, ez a 3D-s megjelenítés pixeles módja, ami esetünkben a wireframe, vagyis térháló. Ezzel szemben a solidot a 3D-modellek vektoros megjelenítésének nevezném, aminek köszönhetően a modellek fájlmérete jóval kisebb, viszont teljes mértékben parametrikus.
A legismertebb CAD/CAM szoftverek listája, kiadási évük szerint
1963: Sketchpad
Elektronikus impulzusokon alapuló, fotoelektromos 2D-rajzolóprogram.
1968: UNISURF, Renault
Autó-karosszéria-tervezés, 2D-, 3D-rajzolás, pályaszerkesztés.
1973: Unigraphics – 2007 Siemens NX
CAD/CAM/CAE, az SDRC I-DEAS-zel egyesült 2000-ben.
Nagyipari felhasználásra tervezett, high-end szilárd test alapú komplex, parametrikus szoftver. Gépészet és dizájn, működés-validáció, kollaboratív munkák, szimulációk, render, animáció. Platform: Windows
1977: CATIA
Kollaboratív, nagyipari, szilárd test alapú komplex, parametrikus szoftver. Gépészet-dizájn, elektronikai tervezés, szimuláció, termék-életciklus-meghatározás. A repülő- és autótervezés legelterjedtebb hálózati szoftvercsomagja.
1978: Solid Edge
Szinkrontechnológiás gépészet, termék-életciklus-kezelési javaslatok. Szilárd test alapú parametrikus CAD szoftver. Platform: Windows
1982: AutoCAD
2D-, 3D-CAD, DWG, DXF, rajzolás, tervezés. Platform: Windows, Mac
1982: SDRC I-DEALS
Carstyling. A későbbiekben beleolvadt a Siemens NX-be.
1983: BRL-CAD
Elsősorban harcászati célú parametrikus szoftver. Ballisztikai és elektromágneses elemzések támogatása, becsapódás, sugárkövetés, közegek szimulálása (CSG). Windows-, Mac-, Unix-kompatibilis (Solaris, BSD, Irix–Silicon Graphics). Jelenleg szabad felhasználású.
1987: Pro/ENGINEER – 2009: Creo
CAD/CAM/CAE, szilárd test alapú komplex, parametrikus szoftver. Gépészet, dizájn, működés-validáció, kollaboratív munkák, szimulációk, render, animáció. Párhuzamos tervező, elemző és gyártó munkafolyamat. Platform: Windows, Mac
1987: Archicad
Építészet, épületgépészet, építészeti információ, környezettervezés, BIM (Building Information Modeling). Platform: Windows, Mac
1995: SOLIDWORKS
Gépészet és dizájn, parametrikus szilárd test alapú CAD-program. Elemzés, termékadat-kezelés. Platform: Windows
1997: Autodesk Revit
Építészet, épületgépészet, állag-ciklustervező CAD, BIM-parametrikus, szoftver. Platform: Windows
1998: Rhinoceros 3D from Robert Mcneel & Associates
NURBS (non-uniform rational B-spline) alapú CAD-program. Elsősorban crafts, könnyűipari, ékszertervezésre ajánlanám. Parametria és függőségek csak a Grashopper 3D-részprogram telepítésével hozhatók létre. Platform: Windows, Mac
1999: QCAD
2D CAD, DXF-, DWG-rajzolás, -tervezés, GNU (General Public License – szabad felhasználású). Platform: Linux, Unix, Windows, Mac
1999: Autodesk Inventor
Szilárd test alapú komplex, parametrikus szoftver. Gépészet, dizájn, működés-validáció, kollaboratív munkák, render, animáció, prezentációk, szimulációk, ShapeManager modellező mag, CAM. Platform: Windows, Mac
2002: FreeCAD
Nyílt forráskódú, ingyenes szilárd test-, felület-modellező parametrikus szoftver, építészeti BIM-funkciókkal kiegészítve. Platform: Linux, Windows, Mac
2011: LibreCAD
Nyílt forráskódú, GNU, ingyenes 2D-rajzolás és -tervezés. Platform: Linux, Unix, Windows, Mac
2013: Autodesk Fusion 360
Felhő alapú, szilárd test-, felület-, szabadforma-modellezés, gépészet és dizájn, működés-validáció, hálózati team munkák, prezentációk, szimulációk, generatív dizájn, render, animáció, CAM, inventor elements. Egyszerűsített editálás; prezentáció: Android, iOS. Platform: Windows, Mac
A legújabb trendek szerint bizonyos szoftverekből a CAD szakma szlengjével élve „mamutok” lettek. Ezt a mérnökök egy része nehezményezi, mert így számukra zavarossá vált a kezelőfelület, az éves bérleti díj pedig magas. Az Autodesk fejlesztőinek felvetettem már, hogy érdemes lenne az Inventornál elements-eket piacra dobni, azonban az ötletem nem igazán aratott sikert. Ellenben más ötleteimet már nagy örömömre integrálták a Fusion 360 szoftverbe, amelynek éves bérleti díja egy magánszemély számára is elfogadható; oktató, tanuló és hobbi verziója limitáltan ingyenes. A kezelhetetlenséget, a UI (user interface) problémáit úgynevezett UX (user experience) felhasználóbarát kezelőfelületek kialakításával oldották meg.
A cikkben szereplő koncepciók, modellek, X-ray-, folyamat- és metszeti ábrák, renderek CAD dizájnja: Bán Miklós
Bán Miklós
CAD designer
