Systemy CAD – od techniki rastrowej po chmurę, AI i VR

  • Komputerowe wspomaganie projektowania stosowane jest m.in. w budowie maszyn, architekturze, geodezji, elektronice i inżynierii.
  • Programy Computer Aided Design pozwalają tworzyć projekty 2D, 3D, dokumentację techniczną, wizualizacje, animacje i analizy.
  • W ostatnim czasie narzędzia zmieniają się w kierunku personalizacji pod kątem konkretnych użytkowników, coraz częściej korzystają z chmury, a w przyszłości zostaną zautomatyzowane.
  • Jacek Kaim opisuje systemy CAD począwszy od historycznych sprzed ponad pół wieku aż po współczesne i przyszłe rozwiązania.

Pierwszy system CAD (ang. Computer Aided Design) został opracowany w późnych latach 60 przez Pierre’a Béziera, inżyniera z firmy Renault. Zaproponowane rozwiązanie zostało stworzone na podstawie baz wiedzy (tj. norm i bibliotek zunifikowanych elementów). Kolejne wersje programów CAD wymagały zastosowania komputerów o dużych rozmiarach (co wiązało się ze znacznymi kosztami), dlatego były one stosowane głównie w branżach: militarnej, stoczniowej oraz energetycznej.

(Projektowanie prototypu czołgu M1 Abrams w BRL-CAD na terminalu podłączonym do komputera PDP-11/70, zdjęcie z ok.1980 roku – źr. Mike Muuss / U.S. Army Research Laboratory )

Systemy Computer Aided Design osiągnęły wyższy poziom zaawansowania w drugiej połowie lat 80 dzięki miniaturyzacji, spadkowi cen i zwiększeniu mocy obliczeniowej komputerów. W ten sposób projektowanie CAD rozprzestrzeniło się na inne dziedziny przemysłu i przeniosło dokumentację techniczną z desek kreślarskich do formy zapisu cyfrowego. Utworzono wówczas rozbudowane interfejsy do graficznej komunikacji z użytkownikiem, a także zaczęły pojawiać się kolejne programy CAD do tworzenia dokumentacji technicznej. Coraz więcej firm decydowało się na stosowanie komputerowego wspomagania projektowania, żeby podnosić wydajność, dokładność i skracać czas produkcji.

(fot. Getty Images)

Technika rastrowa, grafika wektorowa – rodzaje systemów CAD

CAD jest oprogramowaniem, które przy pomocy komputera umożliwia tworzenie projektów 2D, 3D, dokumentacji technicznej, obliczeń oraz podstawowych analiz. Do dziś stanowi w firmach projektowych główne narzędzie wspomagające. Najprostsze systemy tego typu działają w technice rastrowej, umożliwiając przeniesienie projektu z wersji papierowej do pamięci komputera. Rastrowe narzędzia CAD nie wymagają dużej mocy obliczeniowej, bo zajmują się nieskomplikowanymi rozwiązaniami. Bardziej zaawansowane oprogramowanie wykorzystuje grafikę wektorową. Wśród wielu rodzajów podobnych systemów są takie, które pozwalają, poza samym tworzeniem dokumentacji płaskiej i modeli 3D, wykonanie symulacji dynamicznej oraz obliczeń wytrzymałościowych. Istnieje tu możliwość opracowania i generowania części maszyn, automatycznych przekrojów, instalacji rurowych, instalacji elektrycznych, projektów architektonicznych, projektów geodezyjnych itd. Niektóre programy zawierają moduł do fotorealistycznej wizualizacji i animacji obiektów 3D. Można wówczas przedstawić klientowi zrenderowany prototyp i jego zachowanie w ruchu.

(graf. Pixabay)

Tryby pracy i zalety projektowania wspomaganego komputerowo

Komputerowe wspomaganie projektowania pozwala pracować w kilku trybach, np.:

  • modelowanie szkieletowe – z widocznymi liniami i łukami zarysów opracowanych obiektów,
  • kreślenie 2D – tryb wykorzystuje płaskie elementy geometryczne, takie jak punkty, linie, krzywe, kształty i inne, w tym przypadku tworzona jest dokumentacja techniczna opisującą szczegółowo dowolny element w formie grafiki wektorowej,
  • modelowanie powierzchniowe – tworzenie poprzez łączenie powierzchni 3D opisujących geometrię modelu,
  • modelowanie bezpośrednie – daje możliwość zmiany geometrii bez konieczności posiadania drzewa historii,
  • modelowanie bryłowe 3D – w odróżnieniu od modeli powierzchniowych modele bryłowe mogą mieć dodatkowe właściwości (m.in. ciężar, objętość, gęstość), są stosowane jako cyfrowe prototypy do badań projektów inżynierskich np. MES (ang. Manufacturing Execution System), modele bryłowe umożliwiają tworzenie adaptacyjnych zespołów i części, wykorzystując parametryczność, w takim przypadku program pozwala wykonać animacje i symulacje oraz przeprowadzać analizę kinematyczną, da się również pracować w trybie pojedynczego pliku i w trybie współdzielonym, w którym zespół konstruktorów obserwuje zmiany wprowadzane przez innych członków zespołu.
(graf. Pixabay)

Do najważniejszych zalet systemu CAD należy zaliczyć:

  • poprawę jakości produktu,
  • zmniejszenie kosztów projektu,
  • uzyskanie cyfrowego prototypu,
  • eliminację liczby błędów w projektowaniu i produkcji,
  • zwiększenie efektywności projektowania,
  • wzrost wydajności konstruktora,
  • usprawnienie zarządzania dokumentacją projektową.

Którym branżom przyda się CAD?

Komputerowe wspomaganie projektowania stosowane jest w większości branż, m.in. w projektowaniu maszyn, architekturze, geodezji, elektronice, ogólnie pojętej inżynierii, projektowaniu wnętrz i medycynie. CAD przyśpiesza produktywność, jest przydatny jako narzędzie do wizualizacji przed wdrożeniem produkcji (cyfrowy prototyp), pobudza też kreatywność. Program umożliwia przechowywanie kopii rysunków, danych oraz planów. Projekty mechaniczne utworzone w oprogramowaniu CAD mogą być wsadem do oprogramowania CAM (ang. Computer Aided Manufacturing), którego zadaniem jest z kolei generowanie kodów do obrabiarek CNC (ang. Computerized Numerical Control). Również druk 3D wymaga oprogramowania CAD do celów wygenerowania odpowiedniego projektu i zapisania go w formacie .stl (stereolitografia). Komputerowe wspomagania projektowania umożliwia edycję geometrii trójwymiarowych obiektów rzeczywistych otrzymanych ze skanerów 3D.

(fot. Getty Images)

CAD znalazło zastosowanie także w archeologii i medycynie. Np. wykorzystując dane z tomografu możemy utworzyć modele 3D. Szczególne zastosowanie technologia ma w stomatologii, konkretnie w protetyce stomatologicznej, podczas projektowania indywidualnych rozwiązań protetycznych.

Kluczowe użycia oprogramowania CAD można odnaleźć w dziedzinach inżynieryjnych, gdzie jest wykorzystywane do produkcji, planowania i analizy komputerowej. Natomiast w elektronice takie systemy służą do projektowania np. płytek drukowanych i instalacji elektrycznych. Architekci używają Computer Aided Design do projektowania wszystkich typów budynków mieszkalnych aż po największe obiekty handlowe i przemysłowe (fabryki, szpitale). Wykorzystują zarówno technikę 2D, jak i 3D, tworząc realistyczną wizję konstrukcji. Symulują również lokalizację nowych obiektów z wykorzystaniem uwarunkowań środowiskowych i zdrowotnych.

(graf. Pixabay)

Wreszcie systemy CAD działają w przemyśle: motoryzacyjnym, lotniczym, stoczniowym i maszynowym – podczas tworzenia planów oraz projektów, które zostaną wykorzystane w czasie faktycznego tworzenia konstrukcji. Dzięki takim narzędziom projektanci mogą zawczasu łatwo wykluczyć ewentualne błędy.

Przyszłość Computer Aided Design

Programy CAD stale rozwijają się i zmieniają, poszerzając możliwe zastosowania. Dzięki nim poprawia się jakość pracy, produktów i usług, systemy pomagają również projektantom i inżynierom znaleźć optymalne postacie konstrukcyjne docelowych obiektów. Oprogramowanie CAD służy również lekarzom, naukowcom i specjalistom z wielu dziedzin, dlatego autorzy tych narzędzi rozszerzają zakres możliwości systemów i ulepszają ich funkcjonalność. Zapewne w nadchodzących latach programy zostaną w części zautomatyzowane ze wsparciem algorytmów sztucznej inteligencji. Umożliwi to konstruktorom przewidywanie błędów w projektach i ich naprawę na etapie opracowywania wstępnej koncepcji. Wdrożone zostaną nowe funkcje kontroli jakości poprawiające pracę i same produkty. Niektórzy producenci już zaprezentowali technologię automatyzacji, twierdząc, że to przyszłość projektowania. Inne firmy opracowały z kolei narzędzia wykorzystujące AI i automatyzację, co pozwoli w krótkim czasie tworzyć dużą liczbę projektów.

Coraz częściej oprogramowanie CAD jest oparte na chmurze, co zmienia sposób pracy działów projektowych, bo kilka osób może jednocześnie korzystać z tego samego pliku. Dostęp do systemu inżynierowie mają z dowolnego miejsca na świecie, bez potrzeby instalacji programu i posiadania kosztownego sprzętu. Dzięki chmurze eliminuje się też kwestię niezbędności dużej mocy obliczeniowej lokalnych komputerów oraz konieczności aktualizowania programu. Przejście na model oprogramowania jako usługi przynosi nowe możliwości i zmienia sposób współpracy między działami.

(graf. Pixabay)

Świeżym trendem jest personalizowanie oprogramowania. Dostawcy proponują dostosowywanie systemów do konkretnych użytkowników oraz konfigurację opcji. Producenci oferowali dotychczas systemy z dużą liczbą poleceń, które nie były w praktyce wykorzystywane przez klientów. Programiści dostali zatem zadanie utworzenia rozwiązań, które można łatwo konfigurować, rozszerzać i w razie konieczności dodawać przydatne funkcje. A jeszcze wirtualna rzeczywistość otwiera drzwi do realistycznych wizualizacji tworzonych za pomocą komputerowego wspomagania projektowania. W branży architektonicznej stosuje się już okulary VR umożliwiające oglądanie obiektów tak, jakby istniały naprawdę. Wkrótce granica pomiędzy przedmiotami 3D CAD a rzeczywistością może całkowicie zniknąć.

5G 6G Agile AI AR Automatyzacja Big data Blockchain Cloud computing Cyberbezpieczeństwo Digital twin DIH Dojrzałość cyfrowa Drony Druk 3D Edge computing Egzoszkielety Energetyka Fabryka przyszłości Finansowanie Fotowoltaika GOZ Human augmentation ICT IIoT Konkursy Koronawirus Logistyka ML Motoryzacja MŚP NCBR PPP Pracownicy 4.0 Prawo Przemysł 4.0 R&D Roboty Startupy VR Wodór