Стоит ли переходить на 3D?

Как ни странно, многие компании до сих пор испытывают сомнения – переходить или нет к трехмерным методам и системам CAD. Двухмерное автоматизированное проектирование использовалось в некоторых фирмах на протяжении 10...20 лет. Довольно много компаний разработали собственные пользовательские приложения для автоматизации различных функций 2D-черчения. Некоторые приложения, такие как системы разработки электрических схем, – традиционно двухмерные, так что 3D-системы не могут заменить полностью всё.

Цель этой статьи – помочь компаниям, все еще использующим 2D, решить: имеет ли для них смысл переводить часть (или большинство) проектных работ на 3D-методы. В ней также обсуждается вопрос о том, как оправдать средства, затраченные при переходе на 3D-проектирование, если такое решение будет принято.

Процесс 3D-проектирования

Процессы 3D- и 2D-проектирования существенно различаются. При проектировании в 2D чертежи являются главными документами, определяющими конструкцию каждой детали и отражающими то, как эти детали должны быть собраны. Эти чертежи могут быть разработаны как на чертежной доске, так и при помощи CAD-систем (таких как AutoCAD, CADAM, Medusa или ME-10), по сути тоже являющихся эквивалентом чертежной доски.

Основное неудобство методов 2D-проектирования состоит в том, что по чертежам зачастую трудно представить себе, как изделие реально выглядит в пространстве. Поэтому конструкторы иногда вынуждены сопровождать чертежи реальными прототипами. В машиностроении прототипом часто служит первое выпущенное изделие или даже первая партия. Ошибки в чертежах, равно как и ошибки, вызванные неправильной интерпретацией чертежей, приходится исправлять на реальном изделии – процесс, который может быть не только медленным, но и дорогостоящим.

Напротив, трехмерные системы твердотельного моделирования создают пространственную модель изделия прежде, чем будут сделаны какие-либо чертежи или опытные образцы. Основным документом в этом случае является не чертеж, а компьютерная 3D-модель.

3D-модели, сделанные в Pro/E, могут помочь конструктору в проверке правильности размеров до того, как будут изготовлены опытные образцы

Трехмерные модели могут быть использованы для различных целей, таких как:

Анализ напряжений, перемещений, колебаний, обтекания или теплопередачи.

Подготовка управляющих программ для фрезерования, сверления, штамповки или лазерной резки на станках с ЧПУ.

Подготовка пространственных изображений изделия для технической документации и инструкций по сборке.

Контроль качества изделий при помощи лазерных измерительных устройств, оптических сканеров или координатно-измерительных машин.

Создание физических образцов методами быстрого прототипирования.

Создание спецификаций для оценки стоимости, закупок и планирования ресурсов производства.

Для помощи рабочим и менеджерам в 3D-системе могут быть получены и чертежи. Сгенерировать их с 3D-модели гораздо быстрее и проще, чем создавать вручную или даже при помощи 2D CAD. Ошибки в чертежах, обычные при 2D-проектировании, не могут появиться при создании чертежных видов с однозначно определенной модели изделия. Кроме того, все изменения в чертежах при использовании 3D-проектирования могут быть сделаны намного быстрее, поскольку любое изменение основной 3D-модели абсолютно точно отразится на всех чертежных видах.

Особенно эффективно применение 3D CAD-систем для проектирования изделий из листовых материалов. Сформированная из листового материала 3D-модель может быть использована в 3D-cборке для проверки её правильности. Затем CAD-система может автоматически создать развертку детали, которая пригодится и для рабочих чертежей, и при создании управляющей программы для пресса с ЧПУ.

Незаменимы 3D-модели и для быстрого создания фотореалистических изображений изделия, которые могут быть использованы для коммерческих презентаций или для обсуждения с отделом маркетинга. Получив 2D-чертежи, художник должен начинать с чистого экрана или листа бумаги. Имеющиеся в 3D CAD-системах функции рендеринга позволяют художникам использовать геометрию уже существующих моделей изделия. Для получения законченного изображения остается только подобрать желаемые текстуры поверхности, световые эффекты и фон. Если геометрия изделия в дальнейшем будет изменяться, то на обновление изображения потребуется лишь несколько минут. Работая с 2D-системой или c бумажными чертежами, рисунок придется создавать заново после каждого существенного изменения в проекте.

В этом примере поток энергии и температурное распределение при остывании детали, созданной в CATIA V5, моделируются при помощи системы Visual Nastran V5i (подробнее см. “Системы CAE должны приносить максимальную пользу”, Observer #3/2003)

Экономические выгоды от 3D

Трехмерное моделирование стало общепринятым методом при разработке изделий и систем в автомобильной и космической отраслях, поскольку оно дает убедительный экономический эффект. При проектировании в 3D ошибки могут быть найдены и исправлены прежде, чем изделие дойдет до производства. Раннее диагностирование на компьютере таких проблем, как неправильные размеры, пересечения деталей, недоступные для обслуживания компоненты, узлы, которые невозможно собрать, – всё это значительно сокращает общий цикл проектирования и, следовательно, уменьшает его стоимость.

Применение тех же готовых 3D-моделей в системах инженерных расчетов, подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ и контроля качества уменьшает время и стоимость решения этих задач. Это делает изделие более экономичным при одновременном увеличении его надежности и эффективности. Кроме того, наличие 3D-модели уменьшает затраты на разработку чертежей за счет автоматизации процесса создания видов и сокращения количества разрезов и сечений, которые были бы необходимы при чисто двухмерном подходе.

Затраты на внедрение методов 3D-проектирования

Большинство 3D CAD-систем используют так называемые твердотельные компьютерные модели. Это такие системы, как CATIA V5, Pro/ENGINEER, Unigraphics NX, SolidWorks, Solid Edge, Autodesk Inventor, CoCreate Solid Designer, CADKEY Workshop, VX CAD (бывший Varimetrix).

Различия между этими системами твердотельного моделирования и более старыми системами типа AutoCAD были несколько размыты тем фактом, что 2D-функции "старушек" были впоследствии усилены возможностями каркасного, поверхностного и твердотельного 3D-моделирования. Однако, несмотря на эти усовершенствования, не многие компании смогли успешно внедрить методы 3D-проектирования, используя системы, первоначально созданные для разработки чертежей в конце 1970-х и начале 80-х годов.

Наиболее успешные проектировщики, работающие в 3D, применяют более современное программное обеспечение, разработанное в конце 80-х и в 90-х годах. Тем компаниям, которые до настоящего времени опираются, главным образом, на 2D-системы, почти наверняка придется вкладывать средства в новое ПО, модернизировать рабочие станции и проводить обучение персонала для того, чтобы использовать в своих интересах технологию 3D-моделирования. Но даже после того как обучение будет закончено, конструкторам потребуются месяцы, если не годы, чтобы приобрести опыт в 3D-моделировании. Сразу после внедрения новых методов следует ожидать и планировать некоторое снижение производительности.

Некоторые компании, возможно, столкнутся еще и с необходимостью обновления персонала. Не все инженеры могут справиться с 3D-моделированием. Затраты на поиск и наем новых людей вполне могут быть сравнимы со стоимостью аппаратного и программного обеспечения, особенно для недорогих систем.

Для полного описания формы сложной литой детали требуется два листа чертежей и 8 видов. При изменении 3D-модели все виды обновляются в течение нескольких секунд

Подходит ли это для вашей компании?

Вкладывать средства в 3D CAD-системы производителям имеет смысл только в том случае, если выгоды от их внедрения будут оправдывать затраты. Для оценки возможных выгод рекомендуется ответить на следующие вопросы:

Сколько средств затрачивается на исправления чертежей в процессе изменения конструкции?

Какова стоимость производственного брака, вызванного неправильными или неоднозначными чертежами?

Увеличиваются ли расходы на изделие (в том числе и в процессе эксплуатации) из-за неадекватных или чрезмерно упрощенных расчетов конструкции?

Какова стоимость переделок опытного образца и оснастки для его производства, вызванных изменениями, сделанными после начала поставок?

Могли бы ваши инженеры создавать более хорошие изделия, если бы они имели возможность предоставлять предполагаемым клиентам опытные образцы в более короткие сроки?

Меньше ли последующих изменений делал бы персонал отдела маркетинга, если бы имел опытные образцы и 3D-модели уже на начальном этапе разработки изделия?

Могли бы поставщики оснастки ускорить изготовление, если бы ваша компания давала им 3D-модели вместо чертежей?

Желают ли ваши клиенты, чтобы ваша фирма вела проектирование в 3D или предоставляла 3D CAD-модели изделий и узлов в дополнение к опытным образцам?

Сколько денег могла бы сэкономить ваша компания, используя 3D-модели для контроля качества?

Может ли наличие пространственных и эксплодированных (взорванных) видов, полученных с 3D-моделей, сэкономить время на подготовку технической документации и описаний?

Определение экономии по каждому из упомянутых пунктов – сложная задача, которая требует получения информации от различных отделов. Каждая компания уникальна, и далеко не всегда можно будет получить экономию абсолютно по всем пунктам.

Если, к примеру, продукция вашей компании достаточно редко подвергается изменениям, если она может быть полностью отражена с помощью двух-трех чертежных видов, не требует CAE-расчетов, автоматизации контроля качества или быстрого прототипирования, – возможно, что 3D CAD вам и не требуется.

Кроме того, несмотря на совершенствование пользовательского интерфейса, 3D-системы остаются достаточно сложными. Конструктор может потратить многие часы, пытаясь понять, почему не удается связать два конструктивных элемента, или почему система не может построить физически возможную деталь. Стоимость работы с этим сложным и не всегда надежным программным обеспечением должна возмещаться выгодами от 3D-моделей, которые оно создает.

Некоторые опытные пользователи 2D-систем утверждают, что сделать чертеж в этой системе они могут быстрее, чем при помощи 3D-методов. Действительно, в некоторых случаях быстрее сделать чертеж карандашом, чем строить 3D-модель. Переход на использование 3D-систем редко может быть оправдан только удобством подготовки чертежей. Если ваша компания не может извлечь каких-либо других экономических выгод из 3D-проектирования, возможно, ей лучше оставаться на 2D.

Мы предполагаем, что со временем CAD-системы будут становиться все более удобными и простыми в использовании. Сокращение времени освоения уменьшит затраты и риски, связанные с переходом на методы трехмерного проектирования.