29 września 2022
wydanie 1(01) październik 2007
(kompletny numer, wraz z poniższym artykułem, do pobrania w archiwum pdf)

Nowe modele samochodów pojawiają się średnio w odstępie
trzech lat. Nowe modele telefonów komórkowych – coraz częściej co trzy miesiące. Sprzęt audio, elektronika – starzeją się w błyskawicznym tempie. A właściwie nie tyle starzeją się, co stają się niemodne, albo – nie oferują wystarczających możliwości. Szybkość wprowadzania na rynek nowych produktów, bądź nowych wersji już istniejących, stała się konsekwencją „łatwości” w projektowaniu i wdrażaniu nowych rozwiązań w tych dziedzinach. Wszystko za sprawą nowych narzędzi, które „wyewoluowały” z pierwszych powszechnie dostępnych systemów CAD. Ale dopiero
w przypadku 3D można mówić o... prawdziwej rewolucji.

AUTOR: Mateusz Bubicz

AutoCAD 2D, mimo, iż stanowił kolosalny krok w stosunku do pracy z tradycyjną deską kreślarską, był
– zwłaszcza w początkowej fazie swego rozwoju* – w zasadzie jej elektronicznym odpowiednikiem. Mysz zastąpiła ołówek, biały arkusz papieru zamienił się w czarny ekran monitora. Oczywiście, wraz
z rozwojem oprogramowanie CAD oferowało szereg nowych funkcji, inteligentnych rozwiązań, wspomagających proces twórczy, wyręczających inżynierów w pracach niezwiązanych bezpośrednio z kreowaniem nowej wizji projektu (np. automatyzacja procesu sporządzania dokumentacji, generowania rysunku, podpisów, oznaczeń etc.) czy poszukiwaniem nowych możliwych rozwiązań.

To, co najważniejsze, zredukowane jednak było nadal do dwóch wymiarów. A pewne rzeczy, niezależnie od tego, jak rozwiniętą wyobraźnią przestrzenną dysponujemy, można zobaczyć tylko w trzech wymiarach. Uświadomienie sobie tego prostego faktu było wystarczającym przyczynkiem do rozpoczęcia prac nad stworzeniem wirtualnego środowiska projektowego, które nie byłoby ograniczone jedynie do płaszczyzny. Zupełnie niezależnie, idąc odmiennym torem, rozwijało się oprogramowanie dostarczające... rozrywki. Nie mam tu na myśli gier komputerowych, ale specjalistyczne oprogramowanie, pracujące na dedykowanych platformach sprzętowych, a służące m.in. do generowania efektów specjalnych wykorzystywanych w produkcjach filmowych. Na tym etapie wydawać by się mogło, iż spotkanie tych dwóch różnych światów nigdy nie nastąpi, a jeśli w ogóle będzie możliwie, to w dalekiej przyszłości. To, co powstawało w umysłach inżynierów-projektantów, czy w postaci rulonów papieru, czy też dokumentacji elektronicznej, musiało bowiem przybrać postać fizyczną. Dlaczego? Fizyczny prototyp umożliwiał dokonanie niezbędnych testów wytrzymałościowych, badań zmęczeniowych, kontroli i pracy nad polepszeniem ergonomii etc. Nawet, jeśli można było liczyć na coraz większy udział w procesie projektowania ze strony oprogramowania wykorzystującego np. metodę elementów skończonych, i tak z reguły trzeba było wykonać szereg prototypów, które w trakcie testów najczęściej ulegały bezpowrotnym uszkodzeniom; taka była ich rola. Dlatego też starano się w jak największym stopniu doprowadzić do zautomatyzowania procesów wytwarzania prototypów. W momencie dysponowania odpowiednim oprogramowaniem inżynierskim, można było pokusić się o generowanie kodu sterującego maszynami do obróbki skrawaniem, czy innych urządzeń wykorzystywanych do produkcji jednostkowych prototypów. Nie należy także zapominać o tym, iż prototypy wykonywano za pomocą maszyn wykorzystywanych do normalnej produkcji; nie było specjalizowanych urządzeń dedykowanych tylko do ich wytwarzania... ale ich pojawienie się było tylko kwestią czasu.

Z rzeczywistości wirtualnej do realnego świata
Termin Rapid Prototyping (szybkie wykonywanie prototypów) jest ogólnie przyjętym określeniem zbioru metod służących do szybkiej, precyzyjnej i powtarzalnej produkcji elementów w technologii addytywnej – polegającej na budowaniu wyrobu warstwa po warstwie z określonego materiału. Pierwsze rozwiązania typu rapid prototyping stały się dostępne w latach 80. XX wieku. Przez długi okres najbardziej powszechną technologią tego typu była stereolitografia, wyznaczająca pewien standard. Proces produkcji części z wykorzystaniem stereolitografii opiera się na stopniowym obrysowywaniu kolejnych przekrojów poziomych produkowanej części, za pomocą promienia lasera, na platformie stopniowo zanurzanej w wannie wypełnionej fotopolimerem. Pod wpływem światła laserowego, dochodzi do polimeryzacji i zestalenia substancji blisko powierzchni roztworu. Po obrysowaniu warstwy, platforma jest obniżana dokładnie o grubość wytworzonej warstwy,
a cały proces powtarza się, aż do uzyskania całego produkowanego elementu. Technika ta zapewniała wysoką precyzję i powtarzalność przy dobrej jakości powierzchni, oraz – w odróżnieniu od tańszej obróbki skrawaniem – możliwość utworzenia skomplikowanej struktury wewnętrznej elementu. Wadą pozostanie kosztowność procesu (wysokie ceny urządzeń i substancji chemicznych), jego powolność, ograniczone wymiary uzyskiwanych części, czy brak możliwości doboru materiału, z którego wykonany zostanie element (uzyskane w tym procesie tworzywo – plastik – ma zwykle niską wytrzymałość mechaniczną i może wymagać ręcznej obróbki końcowej w celu uzyskania gładkich form).

Prawie jak drukarka atramentowa
...ale tym razem – z kolosalną różnicą. Drukowanie przestrzenne (ang. 3D printing) to kolejna z technologii określanych mianem szybkiego wykonywania prototypów. Bardzo blisko związana z ideą cyfrowego prototypu, ale o tym w dalszej części opracowania. Technologia drukowania przestrzennego została opracowana po koniec lat osiemdziesiątych w Massachusetts Institute of Technology w Cambridge.

Proces powstawania fizycznego prototypu, przy zastosowaniu drukarek 3D, można podzielić na kilka etapów:
• rysowanie modelu w programie komputerowym (lub ewentualna digitalizacja – poprzez skanowanie 3D – istniejącej bryły fizycznej, np.: podzespołu, który ma ulec modyfikacji);
• zapisanie tak otrzymanego pliku w formacie STL;
• przesłanie pliku z rysunkiem do oprogramowania maszyny – w tym przypadku drukarki przestrzennej.
• Na tym etapie oprogramowanie drukarki dokonuje cięcia cyfrowego prototypu na przekroje poprzeczne (tzw. plasterkowanie),
z których w procesie druku wyrób będzie budowany, oraz ustalanie parametrów obróbki: grubości warstw, prędkość ich układania itp. i wreszcie...
• ...budowa wyrobu, polegająca na rozprowadzeniu warstwy proszku na platformie maszyny i sklejeniu cząstek odpowiednim spoiwem
w miejscu odpowiadającym kształtowi danego przekroju poprzecznego. Grubości łączonych warstw wahają się w granicach
0,01 – 0,2 mm.
• Ostatni krok to obróbka wykańczająca fizycznego prototypu, polegająca na wygładzeniu jego powierzchni, utwardzeniu, lakierowaniu – jeśli zachodzi taka potrzeba.

Do drukowania przestrzennego można w zasadzie zastosować każdy materiał, który uda się sproszkować. W praktyce jednak trudność stanowi spojenie proszku. Najczęściej stosowanym materiałem jest gips, ze względu na łatwość spojenia, niski koszt i dostępność. Zastosowanym spoiwem w jego przypadku jest woda. Oprócz gipsu, stosuje się także wosk, celulozę, dekstran, a także ich mieszanki. Wyroby wykonane z tych materiałów charakteryzują się małą wytrzymałością. Innymi wykorzystywanymi materiałami są metale, polimery, ceramika oraz mieszanki tych materiałów. Proszek z tych materiałów trudno jednak spoić, wymagane są specjalne kleje, np.: koloidy, co jednak pozytywnie wpływa na ich trwałość.
Fizyczny czy cyfrowy?
Wyroby uzyskane w technologii rapid prototyping można uznać za fizyczne przedstawienie wirtualnych odpowiedników; jednak nie należy zapominać, iż pomijając np. wymiary, czy funkcjonalność (elementy ruchome, kinematykę etc.), ich właściwości materiałowe najczęściej są zupełnie inne. Stąd też to, co bezpośrednio „wyjmujemy” z drukarki 3D, najlepiej traktować jako model. W przypadku chęci uzyskania obiektów wykonanych z metalu, technika druku 3D pozwala nam w szybki i łatwy sposób uzyskać odpowiednią formę niezbędną do wykonania właściwego odlewu; wtedy odlew taki możemy traktować jako pełnowartościowy fizyczny prototyp – nierzadko też jako finalny produkt. Na takim prototypie możemy wykonać praktyczne testy i analizy wytrzymałościowe, bądź też użyć go jako elementu istniejącego mechanizmu, w celu przekonania się o jego praktycznych właściwościach. Łatwo wyciągnąć wniosek, iż mimo stałego doskonalenia technik druku 3D, pozostajemy ograniczeni zarówno gabarytami przedmiotów możliwych do uzyskania tym sposobem, jak i ich fizycznymi właściwościami. Jeśli jednak nasze działania będą zmierzały do pracy w wirtualnym środowisku, ograniczenia te zostaną... wyeliminowane.

W środowisku systemów CAD dysponujących możliwościami 3D, jesteśmy w stanie zaprojektować, stworzyć produkt dowolnej wielkości, np. transatlantyk, będący wieloelementowym złożeniem (w przypadku tego typu projektów liczba elementów sięga dziesiątków i setek tysięcy). Narzędzia do wizualizacji
i fotorenderingu nadają naszemu „cyfrowemu dziecku” wygląd realnego obiektu. Różnica jest obecnie praktycznie niezauważalna. Koncern Renault, przygotowując nowe modele m.in. Clio, opracował wirtualny model... małej miejscowości, a także kilkukilometrowy odcinek autostrady –  w celu przygotowania materiału filmowego, którego jakość nie odbiega od... wielkoekranowych produkcji kinowych. Umieszczony w takim wirtualnym świecie cyfrowy prototyp można poddać... wszechstronnym analizom. Korzystając z oprogramowania CAE, wyspecjalizowanych narzędzi do analiz MES, możemy zbadać zachowanie cyfrowego prototypu w tak uzyskanych „realnych” warunkach. Jak to wygląda w praktyce?

Samochód zbudowany z 2130 GB danych...
Wiosną br. miała miejsce premiera nowego modelu mercedesa klasy C. Z założenia samochód ten miał stanowić milowy krok naprzód pod względem oferowanego komfortu i elegancji. Jak przystało na samochody spod znaku trójramiennej gwiazdy.
Premiera ta oznaczała także wdrożenie nowej procedury prac projektowych przez producenta ze Stuttgartu – opracowywania cyfrowych prototypów pojazdów. Nowa Klasa C jest pierwszym na świecie samochodem seryjnym, opracowanym i skonstruowanym z tak szerokim zakresem wykorzystania technologii cyfrowego prototypu. W ramach tej procedury, Mercedes-Benz wykorzystał wszystkie dostępne metody obliczeniowe, wykorzystując 2130 gigabajtów danych do stworzenia kompletnego wirtualnego modelu samochodu. Symulacja komputerowa umożliwiła opracowanie i przetestowanie rozwiązań poprawiających poziom bezpieczeństwa zderzeniowego i ochrony użytkowników na potrzeby nowej C-klasy. W oparciu o wirtualny model pojazdu opracowano również takie parametry samochodu, jak: jego NVH (poziom hałasu – Noise, drgań – Vibration i barwę dźwięku), trwałość, oszczędność energii i – co okazuje się najprostsze – współczynnik aerodynamiki. Zastosowanie symulacji komputerowej umożliwiło inżynierom opisanie, przetestowanie i dopracowanie na wczesnym etapie pracy, głównych cech charakteryzujących nową limuzynę. Dzięki nowej metodzie już pierwsze jeżdżące prototypy czy modele testowe są rozwiązaniami w dużej mierze dopracowanymi i dojrzałymi.

Cyfrowe i fizyczne, ale zawsze... w ramach PLM
Przyjęcie takiej metody postępowania – uwzględniającej maksymalne wykorzystanie systemów komputerowych w zakresie projektowania i analiz, pozwoliło – zgodnie z ideą PLM – oszczędzić czas, i już we wczesnej fazie projektowania rozwiązać pojawiające się problemy. Umożliwiło także przeprowadzenie serii testów komputerowych nowej limuzyny, traktowanej jako całości. Nie trzeba było wykonywać serii wstępnych testów określonych podzespołów, przeprowadzonych na modelach fizycznych.
Specjaliści Mercedesa przeprowadzili cyfrowy prototyp przez serię testów po wirtualnych ulicach miast, wiejskich drogach i autostradach. Chodziło o to, aby opisać pożądane parametry komfortu oferowanego modelu – i to jeszcze zanim realizacja projektu wkroczy w decydującą fazę. Zakres przeprowadzonych testów odpowiadał około 2000 indywidualnych jazd wykonanych w realnych warunkach. Wiele z nich przeprowadzono w czasie rzeczywistym. Aby dostroić parametry jezdne wozu, model cyfrowy poddano ponad 1500 próbom, takim jak: omijanie przeszkody, slalom, manewry związane z hamowaniem.
Nowa metoda, w połączeniu z symulatorami nowej generacji, pozwoliła odczuć jakość prowadzenia w sposób bardzo subiektywny i zbliżony do rzeczywistości. W rezultacie inżynierowie byli w stanie „przejechać się” nowym Mercedesem na torze testowym, jeszcze na wczesnym etapie prac.

Nie oznacza to jednak, iż nie zaistniała konieczność przeprowadzenia rzeczywistych badań drogowych. W dalszej części prac wdrożeniowych wykorzystano warunki naturalne środowiska w celu dopracowania modelu i przetestowania go w warunkach drogowych, w tym przy pomocy... 280 fizycznych prototypów, które zaczęto budować latem 2003 r. Do momentu uruchomienia produkcji na skalę masową, nowy samochód  pokonał w ramach cyklu testów wytrzymałościowych – w sumie – ponad 24 miliony kilometrów.

A wymierne zyski?
Po zsumowaniu nakładu pracy niezbędnego do przygotowania cyfrowego samochodu, wykonania obliczeń i opracowania danych okazuje się, że doprowadzenie do pierwszej cyfrowej kraksy nowego modelu zajmuje – powiedzmy – około sześciu tygodni. Ze względu na to, iż zbudowanie pojazdu, przeprowadzenie rzeczywistego testu zderzeniowego i jego późniejsza analiza zajmuje około 12 tygodni, czasowy zysk podczas komputerowego testu wynosi około 50% (dane z końca lat 90. – przyp. redakcji). Ale zalety komputera ujawniają się tak naprawdę dopiero podczas kolejnych symulacji. Wówczas – na podstawie już istniejących danych – wirtualne zderzenie zajmuje jedynie około 10% czasu potrzebnego do przeprowadzenia rzeczywistej symulacji kraksy.
Konstruowanie prototypu samochodu powinno być poprzedzone zapewnieniem możliwości wykonania jego poszczególnych elementów. Fizyczna makieta, obiekt prób wytrzymałościowych, powinna być budowana dopiero wtedy, gdy projektanci są w stanie zagwarantować, iż najmniejszy nawet detal konstrukcji może być wykonany przy aktualnym poziomie zaawansowania technologicznego danego zakładu. Dzięki zastosowaniu narzędzi CAD/CAE/CAM, minimalizowane jest ryzyko pojawienia się tzw. pętli rozwojowych – sytuacji, w których konstruktorzy stają przed faktem, iż ich projekt, nawet jeśli jest idealny pod względem przyjętej koncepcji, rozwiązań i założeń, nie może zostać zrealizowany, chociażby z powodu niemożności zapewnienia materiałów o wymaganej odporności i wytrzymałości. W normalnych warunkach niezbędne jest wówczas opracowanie nowej konstrukcji i podjęcie kolejnej próby zbudowania rzeczywistego pojazdu. Współczesne rozbudowane systemy – czy też raczej środowiska CAD – sprowadzają takie ryzyko do minimum.
Nie zapominajmy jednak o tym, iż techniki rapid prototyping odgrywają znaczącą rolę również na etapie analizowania koncepcji i testowania cyfrowego modelu; chociażby podczas tworzenia małych modeli projektowanych samochodów czy urządzeń. Dzięki nim pojęcie modelarni, kojarzącej się
z pracownią, w której grupa inżynierów zajęta jest „lepieniem” z gliny – zupełnie zmienia swoje znaczenie. Nadal nie rezygnuje się także z faktycznego modelu w skali 1:1, ani z gotowego do jazdy prototypu i z fizycznej próby silnika...
Czy kiedyś rzeczywistość przegra ze światem „Matrixa”? Obserwując tempo rozwoju technik cyfrowych, można się poważnie zastanowić nad odpowiedzią...

*Chociaż w przypadku tanich, „niemarkowych” rozwiązań dostępnych jako shareware lub freeware można powiedzieć, iż nadal pełni taką funkcję)

http://www.mit.edu/

Uwagi do ilustracji: Przedstawiony na niej prototyp silniczka modelarskiego został wydrukowany podczas jednego przebiegu maszyny, wraz ze wszystkimi ruchomymi elementami. Nie było konieczności składania modelu, „montaż” przebiegał jednocześnie z procesem druku...