Цифровое прототипирование в промышленном производстве и дизайне
В работе рассматриваются современные возможности создания цифровых прототипов промышленных изделий
3D аббревиатура вошла в повседневную жизнь.В данном исследовании основное внимание уделяется термину 3D печать, технологии направленной на производство реального изделия, обладающего помимо визуальных, еще и тактильными свойствами объемного объекта.
В основе технологии 3D-печати лежит принцип послойной 2D-печати. Струйная печатающая головка распределяет жидкий клеевой состав на водной основе, который склеивает порошок, формируя слои будущей модели. Клей, поочередно поступающий в каждую печатающую головку, распределяется в соответствии с заданной программой и застывает сразу же после нанесения. По завершении формирования одного уровня вращающаяся головка проверяет его толщину и приступает к работе над следующим. По окончании процесса печати (выращивания) модель извлекается из массы порошка. Порошок, не использованный в процессе построения модели, применяется для печати следующих моделей[1] (рис. 1 и 2).
Рис. 1. Результат цифрового прототипирования и последующей
3Dпечати здания
На рисунках наглядно представлено, что применение аббревиатуры 3D имеет право на жизнь в обоих случаях, но в случае с программным продуктом 3dMax создается иллюзия объема в пределах плоского монитора, а в случае изготовления макета методом 3D печати получют абсолютно реальную объемную модель. Максимально почувствовать разницу можно лишь дополнив визуальные ощущения тактильными.
Большинство поставщиков автоматизированных систем придерживается точки зрения на управление жизненным циклом изделия (ProductLifecycleManagement, PLM), ясно сформулированной такими компаниями, как DassaultSystemes и Siemens PLM Software (бывшая UGS). И всё же, мнение о PLM, как о "единственно верном пути к прогрессу", не стало в отрасли единодушным. Компания Autodesk, крупнейший разработчик ПО в области САПР, отрицает PLM и предлагает другую концепцию с другим названием: цифровое прототипирование (DigitalPrototyping).
Рис. 2. Модель турбины, спроектированная и "выращенная"
на одном из предприятий г. Воронежа
Цифровое прототипирование, являясь ядром концепции управления жизненным циклом изделия (PLM), позволяет смоделировать реальный мир на компьютере («в цифре»), беря в расчет сразу несколько факторов:
конструкцию изделия, т.е. его цифровой макет (DMU- это виртуальная технология определения модели реального продукта, состоящая из коллекции трехмерных геометрических моделей (взятых из базы данных), размещенных в пространстве в соответствии с представлением о форме продукта, с каждой из которых связана ведомость материалов );
базу инженерных знаний с возможностями хранить и управлять интеллектуальной собственностью (например, автоматической генерацией геометрических форм в соответствии с заданными параметрами);
инженерную оптимизацию посредством анализа поведения изделия в его реальном окружении — эргономику, аэродинамику, структурную деформацию с заданными ограничениями, вибрации, шумы и т.д.;
технологическую информацию, включая проект цеха по производству изделия, планирование процессов, моделирование изготовления деталей из заготовок и сборочных операций;
оптимизацию производства с учетом используемых материалов, физических свойств процессов штамповки, сварки, клепки, литья и т.д.;
техническое обслуживание, включая описание процедур сборки/разборки изделия, его структуры и рекомендаций по ремонту;
поддержку пользователей и предприятий, участвующих в одном проекте.
Рассмотрим некоторые из них более детально.
Конструирование по базе знаний
Конструирование по базе знаний (англ. Knowledge-BasedEngineering, KBE) - использование базы инженерных знаний в процессе параметрического проектирования. База инженерных знаний (англ. knowledgeware) содержит функциональные элементы, связывающие между собой геометрические (размерные) и инженерные параметры проектируемого изделия. Связывание параметров осуществляется при помощи формул, правил, расчетных таблиц, законов, проверок, систем уравнений и неравенств. Экспертные правила и проверки отличаются от других отношений базы знаний возможностью их связывания не с конкретными параметрами, а со всей моделью посредством задания шаблонов конструктивных элементов, к которым правила и проверки будут применяться. Экспертные правила группируются в базы правил, формирующие корпоративное ноу-хау. Частью функционала систем конструирования по базе знаний является параметрическая оптимизация - возможность минимизации, максимизации или приближения к целевому значению произвольного геометрического или инженерного параметра модели.
Автоматизированное конструирование
Конструирование с помощью компьютера (англ. Computer-AidedEngineering, CAE) - использование специального программного обеспечения для проведения инженерного анализа прочности и других технических характеристик компонентов и сборок, выполненных в системах автоматизированного проектирования (CAD). В отечественной индустрии наряду с CAE используется термин системы инженерного анализа. Системы CAE позволяют осуществлять динамическое моделирование, проверку и оптимизацию изделий и средств их производства.
Традиционные области анализа включают в себя:
анализ напряжений в деталях и сборках методом конечных элементов;
анализ тепловых и жидкостных потоков методами вычислительной гидрогазодинамики;
анализ кинематики механизмов;
моделирование динамических механических взаимодействий;
моделирование производственных операций (литье, прессование и проч.).
При проведении любого вида анализа в системах CAE традиционно выделяются три этапа его проведения:
предварительная обработка данных (построение по геометрической модели изделия - CAD-данным - требуемой модели исследуемого процесса, например, сетки конечных элементов, точек приложения сил и их векторов);
анализ модели с помощью специализированного решателя;
заключительная обработка результатов (визуализация результатов расчетов математической модели).