Проектирование в CAD-системах

3D-моделирование или проектирование в CAD-системах позволяет инженерам и конструкторам создавать чертежи, необходимые для цифрового производства, создавая реалистичные модели деталей и сборок. Эти модели могут использоваться для проведения цифровых испытаний форм и функций, или же для выполнения более сложных симуляций. Прежде чем будет создана какая-либо физическая модель, конструкторы выполнят симуляцию множества параметров, таких как прочность или термостойкость, что позволит значительно ускорить и удешевить рабочий процесс. Существует три основных метода моделирования в CAD-системах: монолитное моделирование, моделирование поверхностей и скульптура.

Монолитное моделирование

Монолитное моделирование позволяет создавать 3D-модели, как если бы они были фактическими деталями, с рабочим процессом, который подобен процессам, используемым в традиционном производстве.

Такое моделирование начинается с создания монолитного блока материала, к которому для получения окончательной формы добавляются или удаляются секции. Существует целый ряд операций, используемых для создания чертежа, это выдавливание, обрезы, зачистки и повороты.

Одним из преимуществ метода монолитного моделирования является то, что оно в основном является параметрическим, это значит, что на каждом этапе процесса моделирования изменения или параметры сохраняются и могут быть изменены в любой момент этапа конструирования, что позволяет динамически обновлять модель.

Моделирование сборки является важной частью монолитного моделирования, оно позволяет собирать компоненты воедино, формируя сложные модели (Рисунок 18.1).

Также, в сборках могут присутствовать и подвижные элементы, что позволяет анализировать и оценивать динамические характеристики.

Моделирование поверхностей

Метод моделирования поверхностей обычно используется для конструирования органических форм. Этот тип ПО для CAD-систем в сравнении с монолитным моделированием существенно упрощает создание геометрий свободной формы, таких как корпус автомобиля или крыло самолета (Рисунок 18.2). Поскольку в основе всех операций при монолитном моделировании лежит перемещение в трех измерениях, использование этого метода для создания сложных органических кривых может быть проблематичным. Как правило, при моделировании поверхностей, на них обычно помещается некоторое множество точек (или полюсов), которыми можно манипулировать для создания желаемой формы.

Несмотря на то, что этот метод обеспечивает довольно большую свободу конструирования, отсутствие требований может привести к проблемам с точностью или технологичностью.

Как следует из названия, модель, полученная методом моделирования поверхностей, содержит только поверхности детали, без сплошной внутренней части.

И так как конструкция содержит достаточное количество поверхностей для полного закрытия, ее можно «заполнить», а затем использовать для 3D-печати. При разработке конструкций с использованием метода моделирования поверхностей могут возникнуть сложности при необходимости возврата и внесения изменений, поскольку сам процесс проектирования, как правило, не является параметрическим.

Скульптура

Скульптура, (также известна как органическое моделирование) в основном используется для создания поверхностей свободной формы со сложными деталями. Это могут быть персонажи, ювелирные украшения или органические формы, встречающиеся в природе, например деревья или скалы.

Большинство программ для работы по этому методу разработаны с точки зрения классической скульптуры. Они позволяют компьютерным скульпторам начинать работу от имитированного куска глины, и использовать чувствительный к давлению планшет или монитор для работы с ним. Процесс проектирования дополняется цифровыми кистями, которые отражают классические инструменты для скульптуры, например, стеки или пальцы мастера, и с помощью которых выполняется перемещение, добавление или удаление материала.

Используя эти инструменты, художники создают скульптуры, состоящие из огромного количества полигонов, что позволяет включать в произведение самые сложные элементы. Для сравнения, простые геометрические формы, которые обычно используются при монолитном моделировании, имеют значительно меньшее количество полигонов (часто исчисляемое в тысячах, тогда как скульптурное моделирование дает десятки миллионов полигонов).

Проектирование в CAD-системах

Существует целый ряд CAD-программ, включающих различные пакеты для многих отраслей. Самые распространенные из них приведены в Таблице 18.1. Во всех CAD-программах, перечисленных в Таблице 18.1, есть возможность сохранения файлов в форматах STL и OBJ для 3D-печати или STEP и IGES для производства с ЧПУ.

Рисунок 18.1 - Использование монолитного моделирования для выполнения сложных конструкций и сборок. Конструирование выполнено в Autodesk Fusion 360.

Рисунок 18.2 - Применение моделирования поверхностей для создания контейнера свободной формы в Autodesk Fusion 360.

Таблица 18.1 - CAD-программы для основных отраслей