3D adatfeldolgozás és gyártás I.

Átírás

1 Háber István Ervin 3D adatfeldolgozás és gyártás I. Pécs 2015 A tananyag a TÁMOP F-14/1/KONV azonosító számú, A gépészeti és informatikai ágazatok duális és moduláris képzéseinek kialakítása a Pécsi Tudományegyetemen című projekt keretében valósul meg. 1

2 3D adatfeldolgozás és gyártás Háber István Ervin Szakmai lektor: dr. Bak Árpád Nyelvi lektor: Veres Mária Kiadó neve Kiadó címe Felelős kiadó: ISBN szám Pécsi Tudományegyetem Műszaki és Informatikai Kar Pécs, 2015 Háber István Ervin 2

3 TARTALOMJEGYZÉK 1. Bevezetés D adatfeldolgozás és gyártás I D modellezés D modellezés AutoCAD-ben D modellezés CATIA-ban Felületmodellezés Gyakorló feladatok End Credits

4 1. Bevezetés A 3D technológiák jegyzet célja, hogy különféle termékek, munkadarabok virtuális tervezésének korszerű lehetőségeit bemutassa. A virtuális térben való megjelenítés egyidős a számítástechnikával. Amint egyre inkább felgyorsult az adatfeldolgozás, fokozott igény jelentkezett az adatok képi vagy diagramon történő megjelenítésére is, hiszen az ábrázolás segíti a probléma jobb megértését, a feldolgozással pedig további értékes információkhoz juthatunk. Ha egy képet más perspektívába helyezünk, azzal feltárjuk annak további dimenzióit, megfoghatóvá tesszük, avagy a valósághoz hasonlatossá. A modern 3D programokkal szabadon forgathatjuk, módosíthatjuk, vizsgálhatjuk a tárgyakat a virtuális térben, emiatt lerövidülhet a termékek fejlesztési ideje. A technológia fejlődése töretlen, ahogy a számítási teljesítmény növekszik, a virtuális tér is mind részletgazdagabbá tehető, azaz közel kerülhetünk a virtuális valóság megalkotásához. Ezt kiegészítve megjelentek a valós tereket virtuális valósággá leképező alkalmazások (3D kamerák, 3D szkennerek), továbbá a virtuális valóságot is kézzelfoghatóvá tehetjük 3D nyomtatással, illetve számítógép vezérelte gyártási eljárásokkal (pl. CNC). A szakmai nyelv új fogalmakkal bővült, mint például a termékéletút menedzsment (PLM Product Lifecycle Management), amely a formatervtől kezdve a virtuális prototípusokon át, a termékek analíziséig (FEM Finite Element Method) lehetőséget biztosít a termékek fejlesztési ciklusának lerövidítéséhez. A hálózatos együttműködés lehetőségét kihasználva a tervezőcsoportok közösen dolgozhatnak egy-egy terméken, kiegészíthetik egymás munkáját, valós időben látják a különféle módosításokat (Virtual Collaboration). A virtualizálás és a megjelenítés fejlődése lehetővé teszi a termékek mellett gyártósorok, gyárak 3D térbe helyezését, és így, a virtuális valóságban mozogva, kizárható a tévedés, mivel ellenőrizhető az ergonómia, tervezhető a logisztika. Mindez, kombinálva az épületinformációs modellekkel (BIM Building Information Modelling), az épületek fenntartása is a virtuális térbe helyezhető. Ahhoz, hogy a 3D teret szerkeszteni tudjuk, ismernünk kell az alapokat, a megjelenítési módokat, a CAD- és a poligonmodellek közti különbséget és a közöttük való átjárhatóságot. Legegyszerűbben ezeket a gyakorlatban tudjuk megtanulni, így érdemes megnézni, hogyan készül egy CAD-modell, hogyan lesz belőle gyártható termék, vagy visszafelé, hogyan tudunk a 3D szkennelt adatokból CAD-modellt készíteni. 4

5 2. 3D adatfeldolgozás és gyártás I D modellezés A 3D modellezés során matematikailag írjuk le a virtuális valóságot. Alapvetően tömör és héjmodelleket különbözetünk meg, amelyek használata a modellezés céljától függ. A gépészetben többnyire bonyolult matematikai módszerekkel leírt tömör (solid) modelleket alkalmazunk. Alapvetően geometriai objektumokból lehet kiindulni, mint a gömb, hasáb stb., de ha bonyolultabb íveket szeretnénk leírni, akkor például többrendű polinomokat alkalmazhatunk, amely hasonlatossá tehető a szabadkézi rajzokhoz (erős korlátok közé szorítva). Ezeken a solid modelleken fizikai vizsgálatokat végezhetünk, vagy akár megadhatjuk a szoftvernek, hogy készítsen róla gyártási kódot. A felületmodellek vagy héjmodellek csak a felszínt, azaz az objektumnak a határoló felületét mutatják be, a tömegét nem mintha egy végtelen vékonyságú tojáshéjat ábrázolnánk. A héjmodellekkel sokkal könnyebb dolgozni, mint egy tömör modellel. Az animációs filmek és a játékok többségét felületmodellezési módszerrel készítik. Ezeknek a modelleknek az ábrázolásmódja többféle lehet: 1 Poligonmodellezés: pontok a 3D-s térben, amelyeket itt vertexnek hívunk, összekötve szakaszokkal. Ezek együtt poligonhálót alkotnak. Például a 3DS Max használja ezt a módszert. A mai modellek legnagyobb része manapság textúrázott poligonmodell, mivel ezek rugalmasan alakíthatók, és a számítógépek is könnyen és gyorsan renderelik őket. Még azzal együtt is, hogy a poligonok síkbeli alakzatok, így sok poligon felhasználásával is csak megközelíteni tudjuk a görbe felületek ívét. NURBS-modellezés: (Non-Uniform Rational B-spline Surfaces, nem uniform, racionális B-spline görbékkel definiált felületmodellezés) a NURB-felületeket súlyozott kontrollpontok által befolyásolt szplájnfüggvények görbéi definiálják. A görbék követik, de nem feltétlenül érintik a pontokat. A NURB-felületek nemcsak közelítik a görbületet kisméretű, lapos felületekkel, hanem valóban simák, így különösen alkalmasak organikus modellek készítésére. A Maya az egyik legismertebb kereskedelmi szoftver, amely natívan támogatja NURBS alkalmazását. Splines & Patches modellezés: a NURBS-höz hasonlóan ez is görbék segítségével ábrázol. A használat egyszerűségét és a rugalmasságát tekintve a poligonmodellezés és a NURBS-modellezés közé esik. Primitívmodellezés: geometriai primitíveket vesz alapnak, mint például gömbök, hengerek, kúpok vagy síkok, ezekből épít fel komplexebb alakzatokat. Előnye, hogy gyors és könnyű használni, a méretek abszolút pontosak, mivel a formák matematikailag definiáltak, ezen kívül a leíró nyelve is egyszerű. Ez a módszer jól alkalmazható technikai jellegű problémákra és kevésbé organikus dolgok modellezésére. Néhány 3D alkalmazás direkt módon tud renderelni primitívekből, 1 Wikipedia 3D modellezés. 5

6 ilyen például a POV-ray. Más programok pedig csak szerkesztési eszközként alkalmazzák: az objektumot a későbbi műveletekhez poligonhálóvá konvertálják. A műszaki modellezésben a primitívmodellezés terjedt el, pontosan a nagyfokú méretpontosság miatt. Ez azonban a számítógépes megjelenítésben nem mindig tetten érhető, hiszen a számítógép csak poligonokat képes megjeleníteni, melyeket a beállított minőségnek megfelelően konvertál át a képernyőre, de a háttérben egyéb feldolgozásra a nagypontosságú adatok végig elérhetőek maradnak. A primitívmodellezésnek is több fajtája van, ezek a direkt (vagy nem parametrikus) és a parametrikus modellezés. A direkt modellezéssel például az AutoCAD-ben találkozhatunk D modellezés AutoCAD-ben Az AutoCAD programot a műszaki oktatásban már középiskolában megismerhetik a diákok, mégis kevesen ismerik a 3D modellezési lehetőségeit. Az AutoCAD modellterében mindig az aktuális geometriát láthatjuk, ezt módosíthatjuk viszonylag egyszerűen. A geometriai primitíveket halmazműveletekkel lehet egymáshoz rendelni, így kialakítva a végleges formát. A háromdimenziós primitíveket a 2D geometriából hozhatjuk létre, kihúzással (extrude), megforgatással, irányított kihúzással vagy szekcionált átmenettel. 1. ábra Az AutoCAD 3D eszköztára Hátránya az ilyen modellezésnek, hogyha a modell egy alapvető méretét utólag szeretnénk megváltoztatni, akkor gyakorlatilag elölről kezdhetjük a modell felépítését. 2. ábra Halmazműveletek Nagyon fontos, hogy a kiindulási rajz eldönti, hogy héjmodellt vagy tömör modellt fogunk rajzolni. Egy egyesített vonalláncból automatikusan tömör testmodellt készít a program, míg egy nyitott vonalláncból csak héjmodell készülhet. E kettőt nem lehet kombinálni, azt pedig, hogy milyen modellünk van, a drótváz nézetben ellenőrizhetjük. 6

7 TÁMOP F-14/1/KONV ábra A modellezett test elöl- és oldalnézetben Egy egyszerű modellen a direkt primitívmodellezés lehetőségeit mutatjuk be. Egy olyan egyszerű testet választottunk ki, amelyiknek a létrehozásához legalább két lépésre van szükség, bármilyen módon kezdünk neki. A két lépés között ráadásul rajzsíkot kell váltanunk, ami bonyolítja a modellezést, mivel az AutoCAD-ben ehhez felhasználói koordinátarendszer létrehozása szükséges. A direkt és a parametrikus modellezés, illetve az AutoCAD és a CATIA programok közti különbséget így egyszerűen felmérhetjük, mivel a fejezetben ugyanezen test lesz megalkotva CATIA programban. 4. ábra Az AutoCAD program ablaka Az AutoCAD programablak közepén a rajzlap helyezkedik el, ezen egy szálkereszt jelzi az egérmutató helyzetét. Az ábrán itt középtájon láthatjuk az origót is, az x és y tengely metszéspontjában. Felül a szokásos menüsor alatt mindjárt a grafikus eszköztárakat találjuk, 7

8 közöttük fülekkel tudunk váltani, de a kezdő szinthez a Kezdőlap éppen megfelelő, mivel ez válogatva tartalmazza a leggyakrabban használt parancsokat. A jobb alsó sarokban az állapotsor kapott helyet, ami nemcsak az egyes beállítások állapotát mutatja, hanem itt kapcsolhatjuk is azokat. 5. ábra Az AutoCAD kezdőlap eszköztára A 3D modellek elkészítése többnyire úgy történik, hogy először az egyik síkra rajzolunk valamit (többnyire a testre vonatkozó legjellemzőbb nézetet), majd ennek a rajznak/vonalláncnak/profilnak definiálunk egy térbeli kiterjedést. Ahhoz azonban, hogy a 3D térben megfelelően tudjunk mozogni, a 2D rajzolásban is jártasnak kell lenni. Alapvetően vonal, vonallánc, kör, ív, illetve téglalap, ellipszis, sraffozás objektumokat tudunk a Rajz eszköztárról használni, de ezeket a Módosítás eszköztár parancsaival tudjuk manipulálni. Ezen találhatóak a transzformációs eszközök, a lekerekítés, letörés, kiosztás stb. és a 3D testek definiálásához elengedhetetlen az Egyesítés parancs, amit az Eszköztár lenyitásával találunk meg. A Feliratozás eszköztár legfontosabb eleme a méretezés, amely alapesetben a hosszirányú méretmegadás lehetőségét mutatja, de ezt lenyitva sugár-, átmérő-, ívhossz-, szögméretezést találunk. A Fóliák eszköztár a különböző rajzelemek különválasztását teszi lehetővé, alapvetően az alábbi 12 fóliát érdemes használni, értelemszerűen. Bonyolultabb rajzokon egyes gépelemek látható éleinek is külön fóliát választhatunk, és az építészek is nagy hasznát veszik az egyes szakágak különválasztásánál. Az állapotsor az alapvető beállítások megjelenítésére szolgál, ilyenek a segédrács megjelenítése, vagy mellette a rácspontokra ugrás bekapcsolása. Ha itt bekapcsoljuk az orthogonális módot, csak vízszintes és függőleges vonalakat tudunk húzni, a poláris mód a 8

9 már meglévő rajzelemekhez való, az előre beállított szöggel való igazodást jelenti, ahogy a tárgyraszter beállítások is a már meglevő rajzelemekhez segítik az igazodást. Ezeket a funkcióbillentyűkkel is lehet ki-be kapcsolni, a tárgyraszter beállításait viszont a ctrl és a jobb egérgomb egyszeri lenyomásával jeleníthetjük meg. Balról jobbra továbbhaladva, a tárgyraszterkövetés és a léptékezési beállítások jönnek. A 3. ábrán látható tárgy rajzolásához a fóliák beállítása után, a vonal rajzeszközt használhatjuk elsőként. Nem kötelező, bár praktikus a rajzolást az origóban kezdeni vagy legalább ahhoz valamilyen viszonyt meghatározni, amit a 0,0 koordinátákkal adhatunk meg a dinamikus adatbeviteli mezőkben, tabulátorral váltva az x és y között, ahogy a 4. ábrán láthatjuk. Először az oldalnézetet célszerű megrajzolni, de ehhez segédvonalakra is szükség lesz. Ha be van kapcsolva az ortho mód, akkor egyszerűen az y tengely mentén adunk meg magasságnak 24 mm-t. Utána jobbra haladunk vízszintesen 4 mm-t, majd ennek a végpontját az origóval összekötjük, így a harmadik rajzolt vonal lesz a profil egyik látható éle. Az összekötéshez a tárgyraszter-beállításoknál a végpontot ki kell választani. A következő lépésben alul a trapéz alapját rajzoljuk meg (12 mm), aztán felül a meglevő ponttól húzunk egy 4 mm-es szakaszt vízszintesen, majd ezeket összekötjük. A tárgyraszter-beállítások a ctrl és a jobb egérgomb megnyomásakor előugró menü legalsó pontjában érhetők el. Itt külön-külön megadható, milyen rajzelemekhez igazodjon a 9

10 szálkereszt, amit az itt látható kis piktogramokkal munka közben is mutat a program, zöld színnel. 6. ábra Tárgyraszter-beállítások Ha elkészült a profil, a segédvonalak fóliát ki lehet kapcsolni, hogy azok ne zavarjanak, vagy akár törölni is lehet a segédvonalakat. Ahhoz, hogy tömör testet tudjunk létrehozni a rajzból, még a vonalakat kell egyesíteni egységes vonallánccá. Ehhez ki kell jelölni mind a négy élét a profilnak, majd az egyesítés parancs kiválasztása után entert nyomni. 7. ábra Profil egyesítése 10

11 Az AutoCAD-ben a 3D parancsokat a 3D alapok vagy a 3D modellezés módban érhetjük el, a módválasztót pedig vagy a gyorseszköztáron találjuk, vagy az állapotsoron a fogaskerék ikon mutatja. 8. ábra A 3D eszköztár kiválasztása Itt a már ismertetett eszközöket találjuk, amelyek közül most a kihúzást kell kiválasztani, hogy a test 38 mm-es szélességét (vagy mélységét) megadjuk. Amennyiben egyesített a profil, egy kattintással ki tudjuk jelölni, és ezt az AutoCAD kék vonalakkal jelzi. Ha esetleg nem így lenne, akkor az egyesítés nem történt meg, vagy nem tudta egyesíteni és nyitott maradt a profil. Ez például akkor lehetséges, ha nem érnek össze pontosan a vonalak. Utolsó lépésként meg kell adni a 38 mm kihúzási hosszt. 9. ábra A kihúzott profil, drótváz megjelenítésben, elforgatva A megjelenítési nézeteknél (3d módban a fóliák eszköztáron) kiválaszthatjuk, hogy a program hogyan jelenítse meg a 3d objektumot, vagyis a renderelési beállításokat módosíthatjuk itt (10. ábra). 11

12 10. ábra Megjelenítési beállítások A modellezés következő lényeges lépése a V alakú bevágás elkészítése a testen. Ehhez egy olyan síkra kell megrajzolni a kívánt profilt, amely egybeesik a test hosszanti tükörsíkjával. Az AutoCAD-ben ehhez egy új koordinátarendszert szükséges létrehozni. Felhasználói koordinátarendszert (FKR) a nézetválasztó (ViewCube) alatti VKR feliratra kattintva vagy az FKR parancs beírásával alkothatunk meg. Először az új KR origóját kell megadni, majd az x és az y koordinátatengely irányát kijelölni ábra A felhasználói koordinátarendszer létrehozása: az x tengely irányának kijelölése

13 Ha sikeresen létrehoztuk az FKR-t, akkor a megfelelő segédvonalak segítségével elkészül a kivágás profilja. Hogy ne zavarjon, a segédvonalak fóliát ki lehet kapcsolni vagy törölni. Nem szabad megfelejtkezni a profil egyesítéséről, mert különben felületmodell jön létre a kihúzáskor. 12. ábra A segédvonalak kijelölése Ha a ViewCube-ot használva izometrikus nézetbe forgatjuk a rajzot, megfigyelhetjük a létrehozott profil (és az FKR) viszonyát az eddigi geometriához képest. Az egyesítés után ki lehet húzni a profilt a korábban használt kihúzás eszközzel. 13. ábra Az új profil helyzete a testmodellhez képest Az elkészült második testnek olyan mélységet adunk meg, hogy biztosan teljesen metssze az első testet. A kivonás parancs alkalmazható a második test elsőből való kivonására, ahogy azt a gyorssúgó is mutatja. 13

14 14. ábra A kivonás parancs használata 15. ábra A 3D testmodell Végül az elkészült 3D testmodellt méretezhetjük, elrendezést készíthetünk, vagy ha szeretnénk kinyomtatni 3D nyomtatóval, akkor a fájlmenü exportálás egyéb 14

15 fájlformátumok pontban stl, azaz Stereolitography fájlba mentve tudjuk a nyomtatóprogramokban feldolgozni. Az előzőekben bemutatott modellezési folyamat egy egyszerű példa a 3D testek direkt primitívmodellezéssel történő létrehozására, amely az alapvető tudnivalókkal ismertet meg. Ezen információk birtokában akár autodidakta módon is elkezdhetünk bonyolultabb alakzatokat modellezni. 15

16 D modellezés CATIA-ban A CATIA (Computer Aided Three-dimensional Interactive Application) egy multiplatform CAD/CAM/CAE alkalmazás, amit a francia Dassault System cég fejlesztett ki és világszerte az IBM árusítja. A C++ programnyelvben íródott, és a Dassault System PLM (product lifecycle management) szoftver csomagjának alapja. A CATIA kezdetben házi fejlesztésű programja volt a francia repülőgépgyárnak, az Avions Marcel Dassault-nak ben látott napvilágot a program, de akkor még CATI (Conception Assistée Tridimensionnelle Interactive French for Interactive Aided Three-dimensional Design ) volt a neve ben nevezték át CATIA-ra, mikor a Dassault egy külön részleget hozott létre a szoftver fejlesztésére és eladására, valamint az IBM-mel kötött egy disztribúciós szerződést ben a Boeing cég úgy döntött, hogy a CATIA lesz a fő 3D CAD-alkalmazás, amit a tervezéshez használnak ban a CATIA V3 UNIX rendszerekre portolták ben a General Dynamics Electric Boat Corp a CATIA-t választotta 3D CAD alkalmazásának, amiben később az Amerikai Haditengerészetnek terveztek meg egy Virginia osztályú tengeralattjárót ben a CADAM-t (Computer Augmented Design And Manufacturing) megvásárolta az IBM és a következő évben a CATIA CADAM V4-et publikálták ban négy Unix operációs rendszerre is átportolták. IBM AIX, Silicon Graphics IRIX, Sun Microsystems SunOS and Hewlett-Packard HP-UX ban megjelent a CATIA V5, amit az UNIX rendszerek mellett kiadtak még Windows NTre is, 2001-től pedig Windows XP-re is elérhetővé vált a program. Windows Vista és Windows 7 rendszert a V5 R19-ben már támogatja. Jelenlegi legújabb verziója a V5 R24 vagy más néven V5 6R ban a Dassault bejelenti és meg is jelenteti a CATIA V6-ot. A szerver fut Windowson, Linuxon vagy AIX-en is, de a kliens már csak Microsoft Windows rendszereken indul. Napjainkra a CATIA széles körben elterjedt a különböző gyártók közt ben már a repülők 70%-át, míg az autók 40%-át tervezték CATIA-ban. Pár ismertebb márka, amely CATIA-t használ a tervezéshez: Boing, BMW, Peugeot, Honda, Chrysler, Lockheed Martin. A CATIA tehát egy tervezőrendszer, amely rengeteg funkciót tartalmaz. Ezeket a funkciókat a készítők modulokba gyűjtötték, melyek külön-külön teljesen más típusú modellezésre vagy egyéb mérnöki feladatra adnak megoldást. A terméktervezés legfontosabb moduljai a Part Design modul (alkatrésztervezés), melyet kiegészíthet a Wireframe and Surface Design 16

17 modul (drótváz és felületmodellezés), ha bonyolultabb formákat, designfelületeket szeretnénk létrehozni, ahogy az AutoCAD-ben is láthattuk, a kiindulási alap az a 2D-s rajz, amit a CATIA Sketcher nevű moduljában készíthetünk el. A Sketcher nem is teljesen különálló modul, hiszen az egyes modulokon belül direkt elérhető, és az abban rajzoltak mindig további céllal készültek. Az egyes alkatrészeket az Assembly Design modulban rakhatjuk össze. A modulok a CATIA start menüjéből érhetőek el, az általunk használtak a Mechanical Design csoportban találhatóak. 16. ábra A Part Design modul kiválasztása Ha elindítjuk az alkatrésztervező modult (Part Design), egy kis ablak ugrik fel, amelyben megadhatjuk az alkatrész nevét. Ha bejelöljük az Enable hybrid design rádiógombot, akkor a Part Designban, a tömör testmodellek mellett felületekkel is dolgozhatunk majd, illetve létrehozhatunk Geometrical Set -et, és így olyan objektumokat valósíthatunk meg, amelyek függetlenek a PartBodytól, és minden egyes struktúra független a másiktól. 17. ábra Az új alkatrész nevének megadása A Part Design modul ablakszerkezete a következő ábrán látható. Felül a szokásos eszköztárak találhatók, itt a view menüpontban lehet a grafikus eszköztárakat ki-be kapcsolni és a nézeti 17

18 beállításokat megváltoztatni. Az insert menüpontban megtaláljuk az adott modulban elérhető összes parancsot, függetlenül attól, hogy a hozzá tartozó grafikus eszköztár meg van-e jelenítve. Fontos tehát, hogy az összes funkció legalább két helyről elérhető, harmadikként pedig a leggyakrabban használt parancshoz gyorsbillentyűt is rendelhetünk. A legnagyobb helyet a pirossal jelölt modelltér foglalja el, és abban 3D alakzatok is meg fognak jelenni. A bal felső sarokban a modellfát találjuk (fehér kerettel jelölve az ábrán), ahol az alapértelmezett síkok az alaptestben (PartBody) kijelölhetők. Ezek az alapvektorok által meghatározott síkok: xy; yz; zx. Ez a három sík felhasználható az első skiccek létrehozásához, vagy transzformálható, ha egy bonyolultabb alakzat létrehozása azt igényli. 18. ábra A CATIA Part Design modul ablaka A kékkel keretezett sávban a File és a View menü grafikus eszköztár-változatát találjuk. A File eszközöknél a szokásos új/megnyitás/mentés/nyomtatás/kivágás/beillesztés parancsokon kívül a visszavonást és megismétlést találjuk. A View eszköztáron a funkciókat kijelölve lehet forgatni (Rotate), nagyítani/kicsinyíteni (Zoom) és mozgatni (Pan) a modellt, de ezeket egyszerűbben az egérről vezérelhetjük. Ha az egéren lenyomjuk a középső gombot, a modellt mozgatni tudjuk a képernyő síkjában. Ha a középső gombot nyomva tartva lenyomjuk a bal gombot, akkor addig, amíg ezeket együttesen nyomva tartjuk, a 3D modellt forgatni tudjuk a modelltérben. Ha továbbra is nyomva tartjuk a középső gombot az egéren, de felengedjük a bal gombot, akkor a nagyítás válik elérhetővé. Elsőre bonyolultnak tűnik, de gyorsan megszokható és praktikus ez a módszer. Ha van már modell a modelltérben, akkor látványos is. A kékkel keretezett részben találjuk még a mérési lehetőségeket, az Update gombot (Ctrl+U), de ezek (és a többi is) mind átrendezhetőek és ki is kapcsolhatóak, így nem 18

19 érdemes tovább boncolgatni a funkciókat. A lilával keretezett részre a modellezési eszközöket szoktuk csoportosítani, ezekről a következő példa elkészítése közben többet megtudhatunk. Egy egyszerű testet fogunk modellezni, az alábbi dimenziókkal: 19. ábra A modellezett test méretei Első lépésben kiválasztjuk a munkasíkot a modelltérben vagy a modellfánál, majd megnyomjuk a Sketch ikont az jobb oldali eszköztáron. Ekkor a program beforgatja a kiválasztott síkot a nézettel merőlegesen. Itt megrajzolhatjuk a test egy jellemző nézetét, hogy aztán abból egy egyszerű testet hozzunk létre. 20. ábra Rajzfelület kijelölése és a Sketcher indítása A rajzoláshoz használhatunk több eszközt is, felépíthetjük különálló vonalakból vagy a profil eszközzel (Profile) folytonosan rajzolhatunk. A profil eszköz beállításai a Sketch Tools ablakban jelennek meg, amelyet nem érdemes rögzítenünk az ablak peremén, mivel ez 19

20 dinamikus, az éppen kiválasztott funkciónak megfelelő beállításokat találjuk rajta. Itt lehet egyébként ki-be kapcsolni a vezető rácsot (Grid) és a rácspontokra ugrást is (Snap to grid). Balról a harmadik ikon a szerkesztővonal bekapcsolása (Construction Element), amellyel minden rajzelemet szerkesztővonallá konvertálhatunk. A sorban a további két ikon az automatikus kényszerek (constraints) egyes módjait kapcsolja. 21. ábra A Profile eszköz használata és példa az automatikus kényszerre (kék rajzelemek jelzik) Nagyon fontos szabály a CATIA-ban, hogy a főként zárt topológiájú rajzokból lehet csak háromdimenziós testet létrehozni, illetve speciális esetekben dolgozhatunk csak nyitott topológiával. A program a topológiát az Euler-szabállyal ellenőrzi, illetve ennek továbbfejlesztésével (pl. Euler Poincaré-szabály). Eszerint a testet határoló felület Eulerjellemzője: V E + F (V = vortex, azaz csúcs; E = edge, azaz határoló él; F = face, azaz határoló felület). A különálló testeket és áttöréseket nem tartalmazó alakok esetében az Eulerjellemző értéke c = 2. Az Euler-szabály: c = V E + F = 2. Egy téglatestnél, ahol a csúcsok száma 8, az élek száma 12 és a felületek száma 6, a szabály így alkalmazható: V E + F = = 2. (Azaz megfelel az Euler-szabálynak.) A rajzolás eszköze praktikusan a Profile, amit a jobb oldali eszköztáron találunk, vagy rajzolhatjuk a vonal (line) eszközzel is, de akkor minden él megrajzolása után újra ki kell jelölni az eszközt. Ha esetleg nem találunk valamit az eszköztárban, akkor érdemes az Insert menüben megnézni, hiszen az adott modulhoz tartozó összes lehetőség itt is megjelenik, nemcsak a grafikus eszköztáron. A CATIA-ban a kényszer (constraint) fogalmát használjuk a méretezés helyett, mivel itt nem a méretvonalakat helyezzük el a rajzon, hanem a 20

21 méretszám megváltoztatásával a geometria is a megadott értékre módosul. Nemcsak méretkényszereket, hanem relatív kényszereket is alkalmazhatunk (részletesen később), és a cél az, hogy a skicc minden elemének relatív pozíciója és mérete meg legyen határozva, amit úgy is értelmezhetünk, hogy a szabadságfokok számának (DOF) zérusnak kell lennie. Ekkor az adott rajzelem színe zöldre vált. 22. ábra A méretkényszerre való dupla kattintással a méretparamétert megváltoztathatjuk Ha befejeztük a jellemző nézet rajzolását a Sketcher modulban, akkor az Exit workbench ikonra kattintva visszatérhetünk a 3D modelltérbe, a Part design modulba. 23. ábra A megfelelően kényszerezett rajz 21

22 24. ábra Az Exit workbench ikon A Part design modulban a 3D parancsok tárházát találjuk meg. Innen indultunk, mielőtt a Sketcherben megrajzoltuk a 2D profilt. Három eszköztárban találhatók a leglényegesebb 3D parancsok: - Sketch-Based Features (skicc alapú alaksajátosságok): kihúzás (pad), negatív kihúzás (pocket), forgatás (shaft), negatív forgatás (groove), furat (hole), irányított kihúzás (rib), negatív irányított kihúzás (slot), testek összevonása (solid combine), profil alapú test (multi section solid), negatív profil (removed multi-section solid) - Dress Up Features (felöltöztető alaksajátosságok): éllekerekítés (edge fillet), letörés (chamfer), oldalbedöntés (draft angle), héj (shell), oldalvastagság megadása (thickness), menet definiálása (thread/tap), oldal eltávolítása (remove face) - Transformation Features (transzformáció alapú alaksajátosságok): eltolás (translate), mirror (tükrözés), kiosztás (pattern), átméretezés (scale). 25. ábra A 3D modellezés eszköztárai Ahogy az eszköztárak neve is mutatja, az egy csoportba rendezett parancsokat a modellezés különböző fázisaiban szokás használni. Az egyik módszer szerint (amit jelen test modellezésénél is követünk Bottom-up design), először a skiccet készítjük el, utána az alaptestet, majd erre alkalmazzuk a felöltöztető alaksajátosságokat. A 26. ábrán láthatjuk egy test modellezésének a menetét. Az egyes alaksajátosságok (feature) használata megjelenik a modellfában, alapesetben a modellezés sorrendjében. A modellfa hierarchiája átrendezhető és az egyes feature-ök visszamenőleg is módosíthatók. Ha asszociatívan építettük fel a modellt, akkor ebben további lehetőségek rejlenek, de sokszor megkötést is jelentenek. A jó designer mielőtt nekiáll modellezni, átgondolja, hogy hogyan fogja felépíteni a modellfát, hogy a struktúra minden eshetőségre nyújtson megoldást. 22

23 26. ábra A modellezés szokásos menete Ha elkészült a 2D profil (megfelelően van méretezve és zárt a topológiája), akkor a Pad paranccsal lehet megadni a kiterjedését a harmadik dimenzióban. A Pad Definition ablak Selection részében meg kell adni a kihúzni kívánt profilt arra a skiccre (jelen esetben Sketch.1) való hivatkozással, amelyben készült. Egy skiccben ebből következően csak egy zárt vonalláncot (profilt) szoktunk megrajzolni. A Reverse Direction a kihúzás irányát fordítja át, amely mindenkor a sketchre merőleges. A Mirrored Extent lehetőséggel akkor élünk, amikor két irányba akarjuk kihúzni a profilt. Ennek az lehet az előnye, hogy ekkor a sík a test középsíkjában marad. A kihúzás hosszát meg lehet adni mm-ben (Dimension) vagy az első felületig (Up to next), és így tovább. 23

24 27. ábra A Pad parancs és a kihúzás megjelenítése Érdemes a véglegesítés előtt mindig a Preview gombra kattintani bár mindent módosíthatunk visszamenőleg is, mert ezzel pár extra kattintástól megkímélhetjük magunkat. 28. ábra Az alaptest 3D modellje A következő lépés a V alakú bevágás elkészítése a testen. Ehhez újra a Sketcher modult kell elindítani, mivel ilyen jellegű öltöztető alaksajátosság (dress-up feature) nem áll rendelkezésre. Ehhez itt nem kell újabb síkot definiálni, mivel az alapsíkok között találunk megfelelőt. Ha az alaptest kontúrjának az xy síkot választottuk ki, akkor most az yz sík lesz a megfelelő, hiszen az a test hosszanti tükörsíkjával párhuzamos (28. ábra). A Sketcherben megrajzoljuk a szükséges profilt (29. ábra), majd ezt kell ellátni a megfelelő kényszerekkel. 24

25 29. ábra A V alakú bevágás profilja Az első kényszer, amit használunk, egy relatív kényszer. A fordított trapéz felső élének a helyzetét kell meghatározni, amely ebből a síkból tekintve, az alaptest felső lapjával egybeesik. Miután kiválasztottuk azt a felületet és a profil megfelelő élét, a Constraint defined in dialog box ikonra kattintva tudjuk megadni a kényszert, amely az egybeesés (coincidence) lesz. Ezen a párbeszédpanelen mindig azok a kényszerek aktívak, amelyek az adott szituációban használhatóak és ez a kijelölt elemektől függ. Ebben az esetben, amikor két egyenest jelöltünk ki, ezekre az egybeesés mellett (vagy helyett), a párhuzamosságot (parallelizm), a merőlegességet (perpendicular) vagy az irányítottságát (horizontal vagy vertical) adhatjuk meg, továbbá a távolságukat (distance), a hosszukat (length) és az egymással bezárt szöget (angle), de ez utóbbiakat többnyire a méretkényszereknél adjuk meg. 30. ábra Az egybeeséskényszer alkalmazása és eredménye A további lépésekben a méretkényszerek megadása mellett szimmetriatengelyt is definiálhatunk, ha azzal könnyítünk a rajzolási folyamaton, mert kevesebb méretet kell megadni. 25

26 31. ábra A szimmetriatengely beállítása A tengely megadása előtt sorrendben ki kell jelölni azt a két elemet, amelyekre a kényszert alkalmazni akarjuk, majd harmadikként egy konstrukciós vonalat, amely ezután betölti a szimmetriatengely szerepét. 32. ábra A megfelelő kényszerek beállítva Ezután, ha minden elemre beállítottuk a megfelelő kényszert (minden megrajzolt elem zöld), akkor kiléphetünk a Sketcher modulból (Exit workbench ), így visszatérve a 3D nézetbe. Ezután a következő lépés a Pocket parancs használata, mivel ezzel tudjuk a profilnak megfelelő formát kivágni a már meglévő testből. A mélységet konkrét dimenzióval állítjuk 26

27 be, vagy ebben az esteben beállíthatjuk azt is, hogy a legközelebbi lehetséges megoldást keresse meg a program (Up to next). 33. ábra A Pocket parancs használata Az elkészült modellt osztott nézetben is meg lehet tekinteni, így akár négy nézetét is láthatjuk egyszerre. 34. ábra Osztott nézet Ha az elkészült alkatrészt szeretnénk kinyomtatni, elmenthetjük stl formátumban a mentésnél, a CATIA saját formátuma pedig a CatPart kiterjesztés, de ez csak ebben a 27

28 programban használható. Univerzális CAD formátum az igs (IGES szabvány) és a stp (STEP szabvány), ezeket szinte bármely CAD program kezeli, az stl viszont egy poligon kimenetet ad, amit utána már csak nehezen, erre alkalmas programmal tudunk módosítani (pl. MeshLab). Ha arra van igény, akár műhelyrajzot is készíthetünk, ezt a modulválasztóban a Mechanical Design csoportban a Drafting modul kiválasztása után tehetjük meg. A Drafting modul indítása után egy párbeszédablakban kiválaszthatjuk a nyomtatási papírméretet, továbbá megadhatjuk azt is hogy a CATIA képezzen le számunkra automatikusan nézeteket. Akár az összes létező nézetet kérhetjük, majd le lehet törölni azt, ami nem kell. 35. ábra A Drafting indítása A Drafting modul ablaka ezután másodikként nyílik meg, érdemes a View menüben beállítani a tile vertically vagy horizontally lehetőséget, így egyszerre látjuk mindkét ablakot, amire bizonyos nézetek beállításánál szükség lehet ábra A megosztott munkablak a Draft és a Part Design ablakkal

29 Ha az üres lapot választottuk, a Create view paranccsal tudunk leképezni egy nézetet, aminek a pozícióját a jobb felső sarokban megjelenő pozicionáló vezérlővel tudjuk beállítani. 37. ábra A nézetvezérlő és az aktuális nézet Ha beállítottuk a kívánt nézetet, a vezérlő közepén levő gombbal lehet véglegesíteni. A fő nézet mindig az aktív nézet (piros kerettel), ebből már egyszerűbben lehet létrehozni egyes vetületeket (projection view). Végül a Dimensioning parancsokkal tudjuk a méretvonalakat elhelyezni a rajzokon, ez már magától értetődő. Izometrikus nézetet is létre lehet hozni, ebben az esetben a Part design ablakban kell beállítani a kívánt nézetet, majd a rajz egyik síkjára kattintva tudjuk azt átvinni a műhelyrajz ablakba. A végeredményt a 19. ábrán láthatjuk méretezve. 38. ábra A nézetablak és a nézetparancsok 29

30 2.1.3 Felületmodellezés A CATIA az egyik legelterjedtebb alkalmazás az autóiparban és a repülőgépiparban, amit nagy részben a fejlett felületmodellezési lehetőségeinek köszönhet. A Wireframe and Surface Design modul és a Generative Shape Design modul használható e célra, amely komplex lehetőségeket kínál a felületek készítésére. Hogy miért olyan fontos a felületmodellezés? Mert olyan szabadkézi rajzhoz hasonló minták, formatervezési koncepciók hozhatók létre segítségével, amelyek a mai ipari formatervezési irányzatokban elengedhetetlenek. Ezt a mai járműdizájnokon is nyomon követhetjük, ha belegondolunk, milyen lehetőségek rejlenek a primitívmodellezésben, akkor rájöhetünk, hogy ezen túl szükség van egy ilyen módszerre is. Két modul (Workbench) is alkalmazható tehát felületmodellezésre, az alapvető eszközök mindkettőben megtalálhatóak. 39. ábra A felületmodellezés eszközei A kihúzás (extrude), offset, söprés (sweep), kitöltés (fill) és szekcionált kihúzás (multi section surface) a legfontosabb lehetőségek a Surfaces eszköztáron ( Toolbar). A kiindulási geometriákat, ahogy a 40. ábrán látható, egy skiccben is megrajzolhatjuk. Az alábbiakban az alapvető felületkészítési módokat mutatom be. 40. ábra A kihúzás (extrude) művelet Az offset parancs bemutatásához az imént kihúzott felületet fogjuk felhasználni. Az offset parancs nem egyszerűen eltolja a felületet, hanem az ívekre felveszi a normálvektorokat és azok irányába mozgatja, minden részét a megadott távolságra. Ez azt jelenti, hogy ív esetén nem ugyanazt a rádiuszt kapjuk vissza, hanem az eredeti ív és az eltolás irányától függően kisebbet vagy nagyobbat. Sík felületek esetén értelmezhető csak az offset egyszerű eltolásnak. 30

31 41. ábra Az offset funkció használata A söprés (sweep) eszköz megfelelő használatához már két, sketchben definiált vonalra (vagy görbére) van szükség. Az egyik a húzott profilt képviseli, a másik a söprés irányát mutatja meg. 42. ábra A söprés (sweep) parancs eredménye és a referenciaként használt elemek A párbeszédablakban fellelhető beállítások sokaságából következtethetünk, hogy ez már egy bonyolultabb eszköz, ahol az egyes (egyéb esetben már létrehozott) felületekhez is lehet összesimítást vagy bizonyos korrekciós tényezőket beállítani. 31

32 43. ábra A sweep parancs párbeszédablaka A kitöltés (sweep) parancs olyan vonalakra és vonalláncokra tud felületet feszíteni, amelyek önmagukba térnek vissza, tehát zártak. Ilyen lehet egy önmagában zárt sketch-elem is, vagy több él, amelyek együtt egy zárt területet jelölnek ki. Többnyire viszont csak az egy síkra eső vonallánc esetén ad szép megoldást ami egy sík felület lesz, egyéb esetben látszólag mindenféle szabály nélkül borít egy leplet a kijelölt tartókra. A felületek készítésénél amúgy is érdemes mindig a párbeszédablak előnézet (Preview) funkcióját használni, itt láthatjuk, mi lesz az eredmény, mielőtt véglegesítenénk. A fillnél is kitapasztalható, hogy mely esetekben ad megfelelő eredményt, és melyek azok az esetek, amikor nem is érdemes vele próbálkozni. 32

33 44. ábra A parancs érzékeli, ha zárt a vonallánc (Closed contour) A legösszetettebb, és a legtöbb lehetőséget rejtő eszköz a Multi Section Surface, amivel pontosan megadhatók a határoló élek, és hogy milyen irányítottsággal szeretnénk a felületet létrehozni. A környező felületekhez való simítás és egyéb fejlett funkciók is megadhatók. Ezen eszköz használatát a 20. század egyik leghíresebb, formatervezett termékének kapcsán is lehet ismertetni, és ez a Panton-szék. Verner Panton ( ) dán építész, bútortervező és grafikus a szék megálmodója, aki anno építésznek tanult között az egyik talán legismertebb tervező, Arne Jacobsen építészeti cégénél dolgozott, majd ezt követően némi utazgatás és az első komolyabb munkák, megrendelések után 1955-ben saját építészeti és designcéget alapított. Szenvedélyesen szerette az élénk színeket és a geometrikus formákat, éppen ezért elrugaszkodott az akkoriban divatos dán formáktól és a faanyagtól is, és teljesen új anyagokkal és formavilággal kezdett kísérletezni. Ám nemcsak a bútortervezés területén lépet új utakra, hanem lámpákat, textileket, szőnyegeket, tapétákat, fali paneleket is tervezett és komplett terek berendezésével is foglalkozott. Természetesen ennek a kísérletező tulajdonságának lett az eredménye a világhíressé vált fröccsöntött műanyagból készült Panton-szék is, melyet az 1950-es évek végén készített el. Néhány év fejlesztés után a szék tömeges gyártása 1968-ban kezdődött, az akkor debütáló svájci Vitra cégben. (Kisebb megszakításokkal a mai napig a Vitra gyártja, számos egyéb designdarabbal együtt.) A szék legutolsó verziójának gyártását még maga tervező felügyelte az 1990-es évek végén. A technikai fejlődésnek köszönhetően a szék pedig szintén ekkorra vált valóban olyanná, amilyennek egykor tervezője megálmodta

34 45. ábra A klasszikus Panton-szék Ennek a széknek a megálmodásához akkoriban nagy képzelőerő kellett, míg ma az alapkoncepciót néhány gombnyomással megadhatjuk. Ha létrehozzuk az alsó és a felső profilt, és ezeket összekötjük a vonalvezetéssel (Guide curve), akkor gyakorlatilag megkapjuk azt a design- felületet, amelyből a késztermék kifejlődhet. 46. ábra Az alsó profil egy 500x500 mm-es négyzetbe fér el Az alsó profilt egy szerkesztővonalként definiált négyzetben vesszük fel, a spline eszközzel. A felső profilt (a támla felső élét) pedig egy olyan síkon kell felvenni, ami a megfelelő magasságban van. Ehhez a plane paranccsal az xy síkot eltoljuk z irányban, a szék magasságának megfelelő távolságban. 34

35 47. ábra A felső profil egy 500x100 mm-es téglalapban fér el Ezután a profilok két végpontját és a középpontját összekötjük a megfelelő vonallal (spline), és a Multi Section Surface paranccsal létrehozzuk a felületet. 48. ábra A Panton-székhez hasonló designfelület 35

36 2.1.4 Gyakorló feladatok Sketcher gyakorló feladatok TÁMOP F-14/1/KONV

37 37 TÁMOP F-14/1/KONV

38 Part design gyakorló feladatok 38

39 2.2 End Credits Jelen jegyzet a TÁMOP F-14/1/KONV támogatás keretében készült el. Alapvetően az egyetemi oktatás támogatására készült, de bárki találhat benne hasznos információt, akit érdekelnek a 3D tervezési, megjelenítési vagy gyártási technológiák. Jelen jegyzet egy előzetes tanulmánynak tekinthető, amely jelentős változtatásokkal remélhetőleg egy terjedelmesebb könyv alapja lesz, beleépítve az olvasók és a hallgatók véleményét és további technológiákat. Törzsanyagon kívül három, a PTE-MIK-n témavezetőként támogatott szakdolgozat lett bedolgozva a tananyag második fejezetébe. A 3D szkennelés részbe Balog Viktor munkája, a 3D nyomtatás fejezetebe Aladics Dániel azonos című szakdolgozata lett részben bedolgozva, míg a CNC nyomtatásba Kovács Zsolt Prototípus tervezés CATIA-ban c. szakdolgozatából kerültek részletek. A hivatkozott szakdolgozatok irodalomhivatkozásai alapján az alábbi művekből is kerülhettek részek a jegyzetbe: Dr. Zsiga Zoltán - Dr. Makó Ildikó: CNC szerszámgépek, célgépek CATIA Surface Machining tutorial - Dassault systems