CAD

CAD (ang. Computer Aided Design) - Projektowanie wspomagane komputerowo, które ma zastosowanie w inżynierii budowlanej, mechanicznej oraz elektrycznej [P. Nowakowski. 2006, s. 11]. W mowie potocznej określeniem CAD powszechne jest określanie programu Autodesk AutoCad lub całego zbioru narzędzi CAD, CAM oraz CAE . Systemy CAD można podzielić na 2D, które są oprogramowaniem, które zastępuje deskę kreślarską oraz dużo bardziej zaawansowane systemy 3D, które pozwalają na modelowanie złożonych brył w przestrzeni.

Do głównych zadań systemu CAD należy odpowiednie opracowanie dokumentacji projektowej bazującej na stworzonym modelu trójwymiarowym oraz przygotowywaniu odpowiedniej prezentacji tworzonego obiektu w celu jego demonstracji potencjalnym odbiorcom [P. Nowakowski. 2006, s. 12]. Biorąc pod uwagę udział użytkownika w tworzeniu programu wyróżnić można system CAD typu czarnej skrzynki, w którym użytkownik otrzymuje zamknięty program w postaci binarnej (to znaczy, że nie ma on i nie może mieć dostępu do modułów programowych) oraz systemy otwarte (programowalne), gdzie użytkownik może zmieniać lub uzupełniać brakujące fragmenty programu, np. systemy do symulacji [W. Tarnowski 1991, s. 28]. Zastosowanie oprogramowanie CAD 3D umożliwia stworzenie modeli, których przedstawienie na klasycznym rysunku technicznym jest niewykonalne. Odpowiednio przygotowany model pozwala na zastosowanie parametryzacji dzięki czemu można stworzyć cały typoszereg wymiarowy danego produktu na podstawie jednego modelu oraz tabeli (np. w programie Excel) z wymiarami kolejnych produktów w typoszeregu.

W przeszłości pakiet CAD, CAE i CAM występowały osobno. Współcześnie producenci oprogramowania dążą do ich integracji, najczęściej poprzez dodawanie do programu CAD modułów CAM i CAE, przez co granica pomiędzy nimi się zaciera. Korzyścią dla użytkownika jest zwiększenie kompatybilności danych pomiędzy kolejnymi etapami życia produktu. Podczas zmiany formatu danych mogą powstawać błędy. Wszystkie te pakiety są częścią systemu PLM (ang. Product Lifecycle Management) - systemu zarządzania cyklem życia produktu.

TL;DR

Artykuł omawia zastosowanie systemów CAD w inżynierii, ich rodzaje i przykłady popularnych programów CAD. CAD pozwala na szybkie i dokładne tworzenie modeli 2D i 3D oraz ułatwia współpracę między zespołami. Ma wiele zalet, ale również ograniczenia, takie jak koszt i złożoność. Istnieją również inne metody projektowania wspomaganego komputerowo, takie jak programowanie parametryczne, modelowanie przestrzenne, technologia wirtualnej rzeczywistości i druk 3D.

Zastosowania systemów CAD

Systemy CAD są powszechnie stosowane w inżynierii:

• mechanicznej - tworzenie rysunków 2D oraz trójwymiarowych modeli części maszyn i urządzeń,
• elektrycznej - projektowanie układów scalonych, przebiegu ścieżek, projektowanie instalacji elektrycznych,
• budownictwie - projektowanie budynków, tworzenie modeli zagospodarowania przestrzeni,

Zaletą systemów CAD w stosunku to tradycyjnych metod kreślarskich jest cyfrowy zapis geometrii obiektów umożliwiający szybkie i łatwe tworzenie skomplikowanych modeli, możliwość wprowadzania licznych poprawek oraz archiwizację na cyfrowych nośnikach danych.

Rodzaje systemów CAD

Współczesne systemy CAD różnią się ze względu na rodzaj i zakres wspomaganych zadań inżynierskich oraz wymagania odnośnie co do sprzętu i systemów operacyjnych [ T. Winkler 1997, s. 86]. Na rynku polskim najbardziej znane i popularne systemy CAD to [P. Nowakowski 2006, s. 11]:

• AutoCAD,
• SolidWorks,
• Solid Edge,
• Autodesk Inventor,
• Unigraphics,
• I-DEAS,
• Pro/ENGINEER,
• CATIA,
• Google SketchUp,
• Free CAD.

Ceny systemów CAD są bardzo zróżnicowane, zwykle jednak ceny nie są podane i konieczny jest kontakt z dystrybutorem, który dokonuje wyceny na podstawie wymaganych przez klienta modułów oraz liczby licencji. Ceny innych systemów mogą sięgać nawet kilkudziesięciu tysięcy złotych za pojedynczą licencję. Ze względu na cenę licencji na jedno stanowisko w przedsiębiorstwach stosowane są serwery licencji, które przydzielają licencję użytkownikom. Pozwala to zmniejszyć konieczną do zakupienia liczbę licencji niezbędną do funkcjonowania przedsiębiorstwa, ponieważ licencję wykorzystują tylko osoby, które używają programu w danej chwili, a nie jest konieczne posiadanie licencji na każe stanowisko z zainstalowanym systemem. W przypadku gdy liczba osób chcących skorzystać z programu będzie większa od liczby zakupionych licencji uruchomienie programu nie będzie możliwe do czasu zwolnienia licencji przez innego użytkownika (wyłączenia programu).

Ogólna budowa pakietów CAD

Typowe pakiety CAD składają się z kilku modułów (programów). Zazwyczaj są to osobne jednostki programowe, widziane przez system operacyjny komputera jako niezależne pliki. Do najbardziej znanych modułów zaliczyć można [W. Tarnowski 1991, s. 27]:

Wirtualny model produktu można tworzyć w modułach, które wykorzystują:

• Modelowanie bryłowe - model bazuje na szkicach wykonanych na płaszczyznach. Bryły tworzone są poprzez wyciągnięcia narysowanego i zwymiarowanego na szkicu kształtu na zadaną wysokość. Bryły można także tworzyć poprzez wykonanie szkicu przekroju i obrócenie go wokół zadanej osi. Kolejnymi krokami jest wykonanie kolejnych brył i dodanie lub odjęcie ich od już istniejącej bryły. Modelowania bryłowego używa się głównie do wykonywania modeli o regularnych kształtach. Przykładami taki takich brył są: Elementy silnika spalinowego, koła zębate,
• Modelowanie powierzchniowe - jest to rodzaj modelowania, który wykorzystywany jest do tworzenia kształtów nieregularnych. Przy pomocy takiego modelowania tworzone są np. karoserie samochodowe, plastikowe przedmioty codziennego użytku, sprzęty AGD o złożonym kształcie. Tworzenie modelu zaczyna się od krzywych w przestrzeni. Pierwsze krzywe często bazują na wizjach artystycznych stworzonych przez stylistów. Na bazie krzywych tworzy się powierzchnie, które powinny się pokrywać z zamierzonym kształtem przedmiotu. Przy użyciu powierzchni bryłę można stworzyć lub zmodyfikować. Pierwszym sposobem jest stworzenie odpowiedniego układu powierzchni, które tworzą przestrzeń zamkniętą. Program stworzy bryłę o kształcie odpowiadającym przestrzeni zamkniętej pomiędzy powierzchniami. Drugim sposobem jest przycięcie istniejącej już bryły, wykonanej wcześniej dowolną metodą, powierzchnią, która przecina bryłę. Trzecim sposobem jest stworzenie bryły poprzez "nadanie grubości" powierzchni.

Częste jest wykorzystywanie obydwu technik podczas tworzenia jednego modelu.

CAD - przykłady

• Autodesk AutoCAD - jest to program CAD 2D/3D, który pozwala tworzyć i edytować modele 3D, tworzyć i edytować rysunki techniczne 2D, tworzyć i edytować animacje, a także tworzyć i edytować modele 3D dotyczące różnych prac inżynieryjnych. Jest to jeden z najczęściej używanych programów CAD, który szeroko stosowany jest w projektowaniu mechanicznym, budowlanym oraz technologii informacyjnych.
• Autodesk Inventor - jest to program CAD 3D, który pozwala tworzyć i edytować modele 3D, tworzyć i edytować animacje oraz tworzyć i edytować modele 3D dotyczące różnych prac inżynieryjnych. Oprogramowanie to jest szeroko stosowane w inżynierii mechanicznej, budowlanej oraz technologii informacyjnych, ponieważ umożliwia tworzenie szczegółowych modeli 3D maszyn i urządzeń.
• SolidWorks - jest to program CAD 3D, który pozwala tworzyć i edytować modele 3D, tworzyć i edytować animacje, a także tworzyć i edytować modele 3D dotyczące różnych prac inżynieryjnych. Oprogramowanie to jest szeroko stosowane w inżynierii mechanicznej, budowlanej oraz technologii informacyjnych, ponieważ umożliwia tworzenie szczegółowych modeli 3D maszyn i urządzeń.
• CATIA - jest to program CAD 3D, który pozwala tworzyć i edytować modele 3D, tworzyć i edytować animacje, a także tworzyć i edytować modele 3D dotyczące różnych prac inżynieryjnych. Oprogramowanie to jest szeroko stosowane w inżynierii mechanicznej, lotniczej i kosmicznej, budowlanej oraz technologii informacyjnych. CATIA umożliwia tworzenie szczegółowych modeli 3D maszyn i urządzeń.

Przykłady z życia:

• CAD jest używane przez architektów, aby tworzyć modele 3D budynków i struktur.
• CAD jest używany przez inżynierów, aby tworzyć modele 3D maszyn i urządzeń.
• CAD jest używany przez projektantów mebli, aby tworzyć modele 3D mebli.
• CAD jest używany przez projektantów samochodów, aby tworzyć modele 3D samochodów.

CAD - mocne strony

CAD ma wiele zalet w porównaniu do tradycyjnego projektowania. Oto kilka z nich:

• CAD pozwala na bardziej dokładne i udokumentowane projektowanie - CAD jest w stanie wygenerować precyzyjne, wirtualne modele projektów, dzięki czemu projektowanie jest szybsze i dokładniejsze. Ponadto wszystkie zmiany w projektach są dokumentowane i zapisywane w plikach, co pozwala na łatwe wyświetlanie i wyszukiwanie wszystkich poprzednich wersji.
• CAD jest bardziej wydajny - CAD umożliwia szybkie tworzenie projektów, a także umożliwia szybki dostęp do danych o projekcie.
• CAD ułatwia współpracę - CAD ułatwia współpracę między zespołami, projektantami i innymi, którzy są zaangażowani w projekt. Umożliwia to wymianę danych i informacji oraz udostępnianie modeli pomiędzy zespołami.
• CAD jest bardziej efektywny - CAD pozwala na szybsze i bardziej precyzyjne generowanie projektów, a także na szybsze wykonywanie i poprawianie błędnych projektów.
• CAD jest bardziej elastyczny - CAD pozwala na łatwą edycję i modyfikację projektów, a także na łatwe dodawanie nowych elementów.

CAD - ograniczenia

Pomimo, że technologia CAD jest znacznie lepsza niż tradycyjne metody projektowania, istnieją również wyraźne ograniczenia. Oto niektóre z nich:

• Koszt: Systemy CAD są nadal dość kosztowne, szczególnie dla małych firm i przedsiębiorstw, które nie mają wystarczającego budżetu.
• Złożoność: Nawet wykwalifikowani i doświadczeni projektanci czasami są zdezorientowani przez złożone funkcje systemu CAD i jego interfejs użytkownika.
• Czas: Proces tworzenia projektu może być czasochłonny i trudny, szczególnie jeśli chodzi o modelowanie 3D i wykonywanie bardziej skomplikowanych zadań.
• Błędy: W przypadku niewłaściwego wykorzystania narzędzi CAD, wprowadzone błędy mogą wpłynąć na jakość projektu i znacznie wydłużyć czas jego tworzenia.
• Konwersja: Konwersja projektów z jednego systemu CAD na inny może być czasochłonna i trudna. Może to również wpłynąć na jakość projektu.

CAD - inne związane podejścia

Oprócz systemów CAD, istnieją inne metody lub podejścia, które mogą być używane do projektowania wspomaganego komputerowo. Są one następujące:

• Programowanie parametryczne - jest to technika projektowania wspomaganego komputerowo, w której pozwalają nam tworzyć projekty przy użyciu parametrów, takich jak długość, szerokość i wysokość. Można to wykorzystać do tworzenia bardziej złożonych i zmiennych projektów.
• Modelowanie przestrzenne - jest to technika projektowania, która pozwala na tworzenie trójwymiarowych modeli przestrzennych za pomocą komputerowych narzędzi do modelowania.
• Technologia wirtualnej rzeczywistości - jest to technologia pozwalająca na tworzenie wirtualnych modeli rzeczywistych, które wyglądają i działają jak prawdziwe produkty.
• Technologia druku 3D - jest to technologia, która może być używana do tworzenia fizycznych modeli 3D za pomocą drukarek 3D.

Podsumowując, istnieje wiele metod lub podejść do projektowania wspomaganego komputerowo, w tym programowanie parametryczne, modelowanie przestrzenne, technologia wirtualnej rzeczywistości i technologia druku 3D.

CAD — artykuły polecane

Drukarka 3D — Program komputerowy — Java — Programowanie — Test driven development — JavaScript — Ganttproject — SQL — Baza NoSQL

Bibliografia

• Augustyn K. (2007), EdgeCAM: komputerowe wspomaganie wytwarzania, Helion, Gliwice
• Bis J. (2008), Komputerowe wspomaganie projektowania CAD: podstawy, Rea, Warszawa
• Hirz M., Harrich A., Rossbacher P. (2009), Advanced 3D-CAD Design Methods in Education and Research, Systemics, Cybernetics And Informatics Vol. 7 - Number 6
• Kuang-Hua C. (2013), Product Manufacturing and Cost Estimating using CAD/CAE, Elsevier, Oxford
• Kuang-Hua C. (2014), Product Design Modeling using CAD/CAE, Elsevier, Oxford
• Miecielica M., Wiśniewski W. (2005), Komputerowe wspomaganie projektowania procesów technologicznych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa
• Nowakowski P. (2006), Wybrane techniki komputerowe w projektowaniu i wytwarzaniu, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice
• Pandey R., Tomar A., Sharma N. (2016), A Recent Role of CAD/CAM in Designing, Developing and Manufacturing in Modern Manufacturing Technologies, Imperial Journal of Interdisciplinary Research (IJIR), Vol-2, Issue-3,
• Tarnowski W. (1991), Komputerowe wspomaganie projektowania: laboratorium, Wyższa Szkoła Inżynierska, Koszalin
• Winkler T. (1997), Komputerowy zapis konstrukcji, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa

Autor: Mariola Kociołek, Krzysztof Krupa, Robert Stec