GÉPÉSZETI TERVEZÉST TÁMOGATÓ TECHNOLÓGIÁK

BUDAPESTI MÛSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR GÉPÉSZETI TERVEZÉST TÁMOGATÓ TECHNOLÓGIÁK Szerkesztette: Váradi Károly, Horváth Imre Mûegyetemi Kiadó, 2008

Szerkesztõk: Prof. Dr. Váradi Károly Prof. Dr. Horváth Imre Készült a: Budapesti Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Gép- és Terméktervezés Tanszék valamint a Delft University of Technology Faculty of Industrial Engineering Section of Computer Aided Design Engineering együttmûködésében A kiadvány elkészítését a Korszerû Mérnökért Alapítvány támogatta egyetemi jegyzet oktatási célra Azonosító: 45086 ISBN 978 963 420 961 4 A Budapesti Mûszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Karának megrendelése alapján kiadja a Mûegyetemi Kiadó www.kiado.bme.hu Felelõs vezetõ: Wintermantel Zsolt Terjedelem: 16,11 (A/5) ív

Gépészeti tervezést támogató technológiák Előszó Napjainkban a számítógéppel segített gépészeti tervezés az önálló tudománnyá szerveződés szakaszában van. Tudományos alapját a tudományokat összekapcsoló (interdiszciplináris) jellegéből adódóan egyrészt a tudományok egzakt ismeretkészlete, másrészt a rendkívül progresszíven fejlődő saját ismeretanyaga adja. Létezésének mintegy 40 éve alatt mind a kognitív és empirikus elmélet, mind a módszertan és a támogató technológiák vonatkozásában rendkívül nagy előrelépés történt. A hetvenes években a hangsúly hatékony CAD és CAE módszerek fejlesztésén volt. A nyolcvanas évek fő problémájaként az integrált tervező rendszerek kialakítása lépett elő. A kilencvenes évek elején megjelenő virtuális valóság-orientált rendszerek a fejlődés új irányát jelölték ki. Napjaink kutatói a természetes interfésszel rendelkezi, virtuális modelleket a levegőben létrehozó és fizikai tulajdonságaikat érzékeltető rendszerek kidolgozásán munkálkodnak. Mindez azt támasztja alá, hogy a tervezés támogatás módszerei és rendszerei dinamikusan fejlődnek, és átfogó termék innovációs technológiákba mennek át. Az ipari vagy ipari jellegű termékek gyártásának és szerelésének korszerűsítése mellett egyre nagyobb hangsúlyt kap az egész világon a termékek korszerű tervezése és fejlesztése is. A tervezés különösen fontos terület, mert ez egyrészt meghatározza a gyártandó termék műszaki értékét, minőségét, és ezen keresztül a piaci érvényesülését, másrészt jelentős mértékben befolyásolja az árban tükröződő gyártási költségeket. Az új vagy újszerű termékek iránti igény, a termékek és szolgáltatások nyereség orientáltsága egyértelműen elvezet a legújabb tervezési módszerek, a működtetésükhöz szükséges tervezési együttműködés és kommunikáció, ezen belül a tervezést támogató technológiák alkalmazásához. Ugyanakkor ez ösztönzően hat a termelési technológiák tovább fejlődésére is. Az eddigiek alapján nyilvánvaló, hogy a tervezés korszerű módszereit, ezen belül a számítógéppel támogatott tervezés és termékfejlesztés eljárás alapjait a mérnök hallgatóknak már az egyetemen el kell sajátítaniuk, és meg kell ismerniük a tovább fejlődés fő irányait és várható eredményeit is A jelen tananyag a BME Gép- és Terméktervezés Tanszék alábbi tárgyainak oktatását kívánja segíteni a BSc képzés keretében: CAD alapjai, CAD rendszerek I. és II. Szerkezetanalízis és Termékszimuláció I. és II. A jegyzet első öt fejezetét Dr. Horváth Imre professzor és munkatársai készítették a Delft University of Technology, Faculty of Industrial Design Engineering, Computer Aided Design Engineering tanszéken. Az Advenced Design Support (2005/06) jegyzet első 5 fejezete amelynek fordítását és kisebb mértékben átdolgozott változatát olvashatjuk áttekinti a számítógéppel segített terméktervezés legkorszerűbb módszereit és eszközeit. A magyar fordítás több esetben nem volt képes a legmegfelelőbb kifejezéseket visszaadni a legutóbbi néhány év új fogalmaira, ezért mellékeltük a legfontosabb elnevezések angol-magyar szószedetét. A szerkesztő és a szerzők szívesen fogadnak javaslatokat a legmegfelelőbb szó-használat bevezetésére.

A tananyag második része hazai szerzők munkája. A 6.-10. fejezetek az új keletű BSc képzést kívánják szolgálni, bemutatva azokat a tervezési eljárásokat és szemléletet, amely az utóbbi években Magyarországon is meghonosodott. Ezért kértünk fel az egyetemi kollégák mellett néhány hazai CAD szakembert is közreműködésre. A szerkesztő és a szerzők szívesen fogadják szakemberek véleményét és javaslatait az internetes tananyag következő változatának kidolgozásához. A szerzők nevében is köszönetemet fejezem ki a Korszerű Mérnökért Alapítvány anyagi támogatásáért. Budapest, 2008. június 26. Prof. Dr. Horváth Imre szerkesztő Prof. Dr. Váradi Károly szerkesztő

Tartalomjegyzék 1. Számítógéppel támogatott tervezés főbb eredményeinek tematikus áttekintése...1-1 1.1. A felhasználó-számítógép interakció tervezői rendszerekben...1-2 1.2. Számítógéppel támogatott koncepcionális tervezés... 1-3 1.3. A geometriai modellezés fejlődése...1-6 1.4. A termékek virtuális prototípusának létrehozása és a virtuális prototípusok alkalmazása... 1-10 1.5. Termékek fizikai prototípus gyártása és alkalmazása... 1-15 1.6. Számítógéppel támogatott folyamattervezés és gyártóberendezés tervezés...1-20 1.7. Adat, információ és tudás kezelés...1-23 2. Kommunikáció és együttműködésen alapuló probléma megoldás virtuális tervezői környezetben...2-1 2.1. Az együttműködéses tervezés társadalmi, gazdasági és ipari hátteréről...2-1 2.2. Együttműködéses tervezést támogató rendszerek és együttműködéses virtuális környezetek...2-4 2.3. Kommunikáció az együttműködéses virtuális környezetekben...2-5 2.4. Együttműködés az együttműködéses virtuális környezetekben...2-9 2.5. Virtuális vállalat és virtuális mérnöki munka: irány a jövő digitális vállalatai felé...2-13 3. Számítógéppel segített koncepcionális tervezés...3-1 3.1. A termék koncepciók modellezése információ feldolgozásszempontjából...3-1 3.2. A meglévő tudás felhasználása a termékalkotásban...3-2 3.2.1. Tartalom alapú képkereső eszközök...3-2 3.2.2. Lekérdezés a 3D-s modell adatbázisban...3-4 3.3. Eszközök a terv koncepciók működési elveinek vizsgálatához...3-5 3.3.1. Szimbólum alapú szoftver eszközök...3-5 3.4. Formatervezés...3-8 3.4.1. Számítógéppel támogatott vázolás...3-8 3.4.2. Koncepcionális forma modellezés felülethálózattal...3-9 3.4.3. Koncepcionális forma modellezés részecske rendszerrel... 3-12 3.4.4. Koncepcionális forma modellezés meta labdákkal...3-13 3.5. Fizikai szimulációk a koncepcionális tervezésben...3-14 3.5.1 Alakváltozáson alapuló forma modellezés...3-15 3.5.2. A termék koncepció mozgás szimulációja...3-17 3.6. Összefoglalás...3-18 4. A virtuális prototípus és alkalmazásai...4-1 4.1. Bevezetés és definíciók...4-1 4.2. A reprezentáció formái...4-3 4.3. Virtuális prototípus dinamikai szimulációhoz...4-6 4.4. A forma és a viselkedés modellezésének összekapcsolás a virtuális prototípusban...4-9 4.5. Ipari esettanulmány a Whirlpool-tól...4-11 4.6. Következtetések...4-16 5. A valósághűség kérdései: high-end megjelenítési technikák...5-1 5.1. Megjelenítés: miért fontos?...5-1 5.2. Jelenlegi trendek...5-2 5.3. A renderelés munkafolyamata...5-2

5.4. A számítógépes megjelenítési technikák rövid története...5-5 5.5. Textúrák és anyagok...5-7 5.6. Kontextus alapú renderelés...5-9 5.6.1 Világítási környezet létrehozása...5-9 5.7. Valóságos anyagok megjelenítése...5-10 5.8. Konklúzió...5-11 6. Szerkezetanalízis és optimálás...6-1 6.1. A végeselem módszer...6-2 6.1.1. A végeselem módszer lényege...6-2 6.1.2. A végeselem módszer kialakulása...6-4 6.1.3. A végeselem módszer... 6-9 6.1.4. A végeselem programok felépítése...6-13 6.1.5. A végeselem programokkal megoldható feladatok... 6-17 6.2. Szerkezetoptimálás... 6-18 6.2.1. Az optimumszámítás lényege, matematikai alapjai... 6-19 6.2.2. Optimumszámítás a gépészeti-műszaki tervezésben...6-20 7. Termékéletút-kezelés Product Lifcycle Managemen... 7-1 7.1. Digitális adatkezelés története...7-1 7.2. A PLM definíciója... 7-2 7.3. A PLM általános megfogalmazása...7-3 7.4. A PLM megoldások fő funkciói...7-5 7.4.1. Termékadat és információkezelés... 7-5 7.4.2. Dokumentumkezelés... 7-5 7.4.3. Verziókövetés... 7-5 7.4.4. Együttműködés támogatása...7-6 7.4.5. Döntéstámogatás... 7-6 7.4.6. Projekt menedzsment...7-6 7.4.7. Folyamattámogatás... 7-6 7.4.8. Integráció...7-7 7.4.9. Vizualizáció...7-7 7.5. PLM a gyakorlatban...7-8 7.5.1. A PLM rendszerek felépítése... 7-9 7.5.2. Jogosultság kezelés... 7-11 7.5.3. Információk kezelésének folyamata... 7-11 7.5.4. Mérnöki együttműködés...7-13 7.5.5. Kapcsolat egyéb rendszerekkel...7-13 7.6. PLM a jövőben...7-14 8. Termékadat-menedzsment Product Data Management...8-1 8.1. PDM alapok...8-1 8.2. A termék életciklusa...8-2 8.2.1. Projekttervezés...8-2 8.2.2. Tervezés...8-2 8.2.3. Szimuláció... 8-3 8.2.4. Gyártástervezés...8-3 8.2.5. Gyártervezés...8-3 8.2.6. Minőségbiztosítás...8-4 8.3. Adatok a termék életciklusában... 8-4 8.4. Adatkezelési kihívások a PDM rendszerek esetében...8-4 8.5. Darabjegyzékek szerepe a mérnöki adatok kezelésében... 8-7 8.6. Termékvizualizáció, megjelenítés a PDM rendszerekben...8-9

8.7. Mérnöki változtatások kezelése...8-10 8.8. Munkafolyamatok kezelése...8-13 8.9. PDM rendszerek kapcsolódása a vállalat többi részéhez...8-14 8.10. PDM rendszerek felhasználói felülete... 8-15 8.11. PDM rendszerek informatikai háttere...8-16 9. Integrált CAD rendszerek...9-1 9.1. Történeti áttekintés...9-1 9.1.1. Csúcskategória kiváltságosaknak...9-1 9.1.1. 3D-s CAD rendszerek széles körű elterjedése... 9-2 9.2. Az integráció irányai...9-3 9.3. CAD rendszerek integrációja más rendszerekbe...9-4 9.3.1. Technikai háttér... 9-4 9.3.2. A kernel, mint kereskedelmi termék... 9-4 9.3.3. Alkalmazások...9-5 9.4. Az integráció szintjei...9-5 9.4.1. Együttműködő alkalmazások... 9-5 9.4.2. Részleges integráció... 9-5 9.4.3. Teljes integráció: szakmodulok... 9-6 9.5. Integrálódás funkciók szerint...9-6 9.5.1. Specializált tervezői modulok...9-6 9.5.2. Általános célú modulok...9-8 9.6. Az integráció jövője...9-11 9.6.1. Virtuális termékmodellek...9-11 9.6.2. Hardver háttér töretlen fejlődése...9-11 9.6.3. Széles körű együttműködés...9-12 10. Anyagi modell előállítása virtuális modellből a gyorsprototípus készítés...10-1 10.1. A modellek és prototípusok szerepe a termékfejlesztésben... 10-1 10.2. A generatív gyártási eljárások jellemzői...10-3 10.2.1. A réteginformációk előállítása...10-3 10.2.2. Az anyagi rétegmodell elkészítése... 10-5 10.3. Gyorsprototípus készítési technológiák... 10-6 10.3.1. Sztereolitográfia (SLA)...10-6 10.3.2. Solid Ground Curing (SGC)...10-7 10.3.3. Szelektív lézer-szinterezés (SLS)...10-9 10.3.4. Fused Deposition Modeling (FDM))... 10-10 10.3.5. Laminated Object Manufacturing (LOM)...10-11 10.3.6. 3D nyomtatás (3D Printing)... 10-13 10.4. A gyorsprototípus készítési eljárások minősítése...10-15 10.5. Gyors szerszámkészítés... 10-17

Irodalomjegyzék 1. fejezethez Horváth, I., 1998, Shifting paradigms of computer aided design, Delft University Press, Delft, pp. 1-36 2. fejezethez Horváth, I., Duhovnik, J., Xirouckakis, P., 2003, Learning the methods and the skills of global product realization in an academic virtual enterprise, European Journal Engineering Education, Vol. 28. No. 1, pp. 83-102. Tromp, J.G. Steed, A., Wilson, J.R., 2003, Systematic usability evaluation and design issues for collaborative virtual environments, Presence, Vol. 12, No. 3,241-267. 3. fejezethez Blinn, J.F., 1982, A generalization of algebraic surface drawing, ACM Transactions on Graphics, 1(3), pp. 235-256. Berkley J., Ganter, M., Weghorst, S., Gladstone, H., Raugi, G., Berg, D., 1999, Realtime finite element modelling with haptic support, Proceedings of the 1999 ASME Design Engineering Technicai Conferences, September 12-15, Las Vegas, Nevada, DETC99DAC-8615. 4. fejezethez Paredis, C.J.J., Diaz-Calderon, A., Sinha, R., Khosla, P.K., 2001, Composable Models for Simulation-Based design, Engineering With Computers, Vol. 17. pp. 112-128. Pöhland, K., Berssenbrügge, J., Krumm, H., Ebbesmeyer, P., 2002, Virtual Reality- Based Dynamics Simulation for Virtual Prototypes, Proceedings of the Design Engineering technicai Conferences, DETC2002/CIE-34394, ASME, New York. 5. fejezethez Ashby J., Johnson, K., 2002, Materials and Design: the art and science of material selection in product design, Butterworth and Heinemann, Oxford. Bim, J., (digital) lighting & Rendering, New Riders, Indianapolis. Keller, AJ., & 8tappers, P.J., Using video collages in the design process to experience presence and atmosphere, Journal on CyberPsychology and Behavior, Special issue on Presence, 4(2), 2001. 6. fejezethez Bathe, K. J., Wilson, E. L., 1976, Numerical Methods in Finite Element Analysis, Prentice Hall, Inc. Englewood Cliffs, New Yersey. Papalambros, P. Y., 2000, Principles of optimal design: modeling and computation. Cambrige, UK: Cambrige University Press 7. fejezethez PDM to PLM: Growth of an Industry/CIMdata,2003 Understanding Product Lifecycle Management/Datamation Limited,2002 The process of innovation: A CIO s guide to product lifecycle management /Dassault- Gartner 9. fejezethez David Kushner: Masters of Doom (2003) IBM: V5R17 Configurations and Products Portfolio (Catia and Enovia) (2006) http://www.ageia.com http://www.c3d.hu

http://www.nvidia.com http://www.ptc.com http://www.ugs.com http://www.yjfy.com http://en.wikipedia.org 10. fejezethez Andreas Gebhardt: Rapid Prototyping Werkzeuge für die schnelle Produktentstehung. 2. Aufl. Carl Hanser Verlag München, Wien, 2000. ISBN 3-446-21242-6 Kovács József Gábor: Gyors prototípus eljárások I. Az elmélet és annak felülvizsgálata. Műanyag és Gumi 39/2 46.o. (2002) Kovács József Gábor: Gyors prototípus eljárások II. Gyakorlati megvalósítások. Műanyag és Gumi 39/3 103.o. (2002) Kakuk Gyula, Kovács József Gábor: A számítógépes szerszámtervezés jelene és fejlődési tendenciái. Műanyag és Gumi 40/3 87.o. (2003) Spur-Krause: Das virtuelle Produkt Management der CAD-Technik.Carl Hanser Verlag München Wien, 1997. ISBN 3-446-19176-3

A számítógéppel segített tervezés legfontosabb angol magyar kifejezései CADE computer aided design and WIMP window, icons, mouse, pointer Context-sensitive Knowledge-intensiveness Soft modeling methods Advanced design support Design support system Shape Component Skeleton model Aesthetic driven shape surface oriented modeling Free form surface Form feature Artefact Upstream Computational optimization Solid free form fabrication Rapid Prototyping RP Rapid manufacturing RM Void- materialization Multi-materialization Rapid tooling RT Decremental RP Fused filament deposition Stereo lithography Selective laser sintering Rapid Prototyping RP Physical concept modeling PCM Knowledge asset Warehouse számítógéppel segített tervezés és engineering fejlesztés ablakkezelés, ikonok, egér és kurzor használa tán alapuló interakció szituáció/tartalom érzékeny tudás tartalom közelítő modellezési módszerek magas szintű tervezés támogatás tervezéstámogató rendszer forma szerkezeti rész váz modell esztétikai alapú forma modellezés szoborfelület alaksajátosság mesterségesen létrehozott tárgy, termék felfelé irányuló számítógépes optimálás szabadformájú testek gyártása gyors prototípus gyártás gyors megmunkálás üreges kivitel többanyagos kivitel gyors szerszámkészítés anyagleválasztásos RP szál-leolvasztás sztereolitográfia, lézeres porszinterelés Gyors prototípus gyártás fizikai koncepció modellezés tudás erőforrás tárház

Collaborative design Mega-trend Virtual enterprise Collaborative design support system CVE Collaborative Virtual environment STEP Standard for the Exchange of Product model data UML Unified Modelling Language XML Extensible Mark-up Language) CORBA (Common Object Request Broker Adapter) Java RMI (Java Remote Method Invocation) Media space conferencing Virtual space conferencing együttműködéses tervezés mega-trend/mega-irányzat virtuális vállalat együttműködéses tervezést támogató rendszer együttműködéses virtuális környezet termékmodell adatok átviteli szabványa egységesített modellező nyelv kiterjeszthető értelmező nyelv objektumok egymás közötti kommunikációjának szabályait rögzítő szabvány távoli metódushívás média konferencia virtuális konferencia EDGE (Enhanced Data GSM Environment) megnövelt sebességű GSM környezetet (megnövelt sebességű csomagkapcsolt adatátvitelű GSM rendszer) TDMA (Time Division Multiple Acces) CDMA (Code Division Multiple Access) Tactile feedback Distance design collaboration Central knowledge library Collaborative function CVE (Collaborative Virtual Environment) HPCS (High performance collaboration support) Conventional distance design collaboration Collaborative browsing feature Scene graph Manufacturing evaluation Tactile response systems Principles of concurrent engineering Lead-time Participatory collaboration időosztásos többszörös hozzáférésű rendszer kódosztásos többszörös hozzáférésű rendszer taktilis visszacsatolás távoli együttműködéses tervezés központi tudás könyvtár együttműködési feladatok együttműködéses virtuális környezet nagy hatású együttműködés támogatás hagyományos távoli együttműködéses tervezés együttműködéses böngésző eszköz látványelrendezés gráf gyárthatósági kiértékelés taktilis válaszadó rendszerek egyidejű termékfejlesztés alapelvei átfutási idő (a tervezéstől a piacra kerülésig eltelt idő) részvételes együttműködés

Inter-factory collaboration Mind writing Open office IDE students Conceptual design Design concept CACD Downstream CAD Product idea generation Working principle Conceptualization of shapes vállalatok közti együttműködés gondolat lejegyzés nyitott iroda terméktervező hallgatók koncepcionális tervezés terv koncepció számítógéppel támogatott koncepcionális tervezés lefelé építkező CAD rendszer termék ötlet alkotás működési elv formatervezés Behavioural simulation of conceptual solution koncepcionális megoldások viselkedés szimulációja Symbol based modelling tool Subdivision surface modelling Particle system modelling Meta-balls modelling Content-based image retrieval tool SQL Structured query language Multi-dimensional scaling algorithm Shape descriptor CAS computer aided sketching Point-set modell Volumetric extend Virtual sculpting Super quadrics Collision simulation Virtual reality Virtual engineering Augmented prototype Haptic interface Boundary representation (B-rep) Surface mesh representation Voxel representation Digital mock-up szimbólum alapú modellező eszköz felület felosztásos modellezés részecske rendszer modellezés meta-golyó modellezés tartalom alapú képkereső eszköz strukturált lekérdezési nyelv többdimenziós mérő algoritmus forma jellemző számítógéppel támogatott vázlatkészítés pontháló modell térbeli kiterjedés virtuális szobrászat másodrendű felületek ütközés virtuális valóság virtuális termékfejlesztés kombinált prototípus tapintási interfész határfelület-modell felületi háló térelem modell digitális makett

MBS Multibody System Degrees of realism Collision detection Real time Augmented prototyping Self-collision Representation FEM Finite Element Method Tessellation Virtual claying Symbolic attribute Symbolic representation Frame rate Component library System-level QFD Quality Function Development Imagery Depth of field Render, rendering Pattern Texture After effect 3D graphics accelerator Wireframe Shaded model Scan line, z-buffer Ray-tracing Radiosity Ambient occlusion Global illumination Final gathering Image-based lighting Reflection function Specular reflection Diffuse reflection több test rendszer valószerűség foka ütközés érzékelés valós idő, valós idejű kombinált prototípus gyártás önütközés szemléltetés VEM végeselem módszer háromszögekkel közelítés virtuális agyagozás szimbolikus jellemző szimbolikus szemléltetés képkockák száma (másodpercenként) alkatrész tár rendszerszintű funkcionális minőség fejlesztés képanyag mezőmélység renderelés (felületárnyalás) minta felületmintázat utóhatás 3D grafika gyorsító huzalváz árnyékolt megjelenítés tapogató egyenes, z-puffer sugárkövetés teljes visszaverődés környezeti takarás teljes megvilágítottság végső összeállítás fényképalapú megvilágítás tükröződési függvény fényes tükröződés szórt tükröződés

Subsurface reflection Photon tracing Highlight Environment mapping HDRI High dynamic range images Immersive Vague modeling felszín alatti tükröződés fotonkövetés kiemelő fény környezet leképezés (környezet képének tárgyra vetítése) nagy dinamikus tartományú kép teljesen magában foglaló határozatlan modellezés

Számítógéppel támogatott tervezés főbb eredményeinek tematikus áttekintése 1. Számítógéppel támogatott tervezés főbb eredményeinek tematikus áttekintése Prof. Dr. Horváth Imre (Delft University of Technology) E fejezet célja, hogy tematikus áttekintést adjon a számítógéppel segített tervezés és fejlesztés, (továbbiakban CADE, computer aided design and engineering), fő koncepcióiról, technológiájáról, és alkalmazásairól. E fejezet áttanulmányozását azon hallgatóknak ajánljuk, akik még nem szerezték meg a CADE módszereire, technológiáira, eszközeire és rendszereire vonatkozó alapismereteiket, de azoknak is akik még nem használtak ilyen tervezőrendszereket tanulmányaik és tervezési gyakorlataik során. Mindazonáltal, úgy gondoljuk, hogy e rövid áttekintés hasznos lehet azon hallgatóknak is, akik többet szeretnének megtudni a számítógéppel segített tervezés, fejlesztés, és gyártás fejlődésének mérföldköveiről, és akik meg akarják érteni a koncepcionális különbségeket a különféle megközelítések között. Valójában e fejezet csak a hagyományos elvekkel foglalkozik. A legújabb technológiák és rendszerek a következő fejeztek tárgyát képezik. Napjainkban már negyedik generációs CADE rendszerekről beszélünk. A fejlődési folyamatban néhány fontos fejlesztési és kutatási mérföldkövet ismerni kell. Ezeket az 1. ábrán foglaltuk össze. Az ábra mind a hardver technológiák fejlődésének, mind a szoftver technológiák és alkalmazásainak jelentősebb állomásait mutatja. 1.1. ábra. A tervezői támogató rendszerek hardver és szoftver technológiáinak fejlődési állomásai. Az első alfejezet az ember-számítógép közötti kapcsolat számos fontos kérdésével foglalkozik a tervezőrendszerek szempontjából. A számítógéppel segített koncepcionális tervezés technológiájának és főbb kérdéskörének ismertetése szerepel a második alfejezetben. A geometriai modellezés, mint a számítógéppel támogatott tervezés kulcstevékenységének különböző megközelítéseit és osztályozását a harmadik fejezet tárgyalja. A negyedik alfejezet a termékek virtuális prototípus készítésének módszereivel és technológiájával, valamint a virtuális prototípusok termék kiértékelésben, mérnöki elemzésekben, szimulációkban és optimalizálásban való alkalmazásával foglalkozik. Az ötödik alfejezet témája a valós prototípus gyártás technológiája, a termékek gyors prototípus gyártása, és alkalmazásaik. 1-1

Számítógéppel támogatott tervezés főbb eredményeinek tematikus áttekintése 1.1. A felhasználó-számítógép interakció tervezői rendszerekben A tervezést támogató rendszereknek két általános követelménynek kell megfelelniük: (i) felhasználó barát környezet és (ii) hatékony probléma megoldási lehetőség biztosítása. Az első követelmény a felhasználó-számítógép kapcsolat minőségéhez és a vizuális megjelenítéshez kapcsolódik. A legtöbb fejlesztőnek és CADE felhasználónak e követelmény sokkal fontosabb, mint a rendszerek alapját képező számítógépes technológiák és modellezési módszerek. Az interakció (együttdolgozás) fontossága abból ered, hogy a tervezés lényegében az egyéni tervezők és tervezőcsoportok, számítógépre alapozott eszközök és módszerek, és fejlődő tervezési koncepciók, modellek és termékek között dinamikus kölcsönhatásokon és visszajelzéseken alapszik. A megfelelő együttdolgozás egyrészt a tervezési kreativitás, másrészt a tervezők kényelme szempontjából fontos. Tulajdonképpen ezek a területek, ahol a jövőben jelentős új fejlesztések várhatók. A felhasználó számítógép együttdolgozás kutatásának és fejlesztésének jelenlegi fő célja, hogy kiküszöböljék a jelenleg használatos képernyőre és billentyűzetre alapozott WIMP interfészek korlátozásait. (A WIMP mozaikszó az angol window, icon, mouse, pointing, azaz ablak, ikon, egér, és mutató, szavak kezdőbetűire utal). Az ilyen típusú interfészek hátránya, hogy az utasítások kifejezése alacsony szintű eszközökkel történik, mint amilyenek például a geometriai alakot leíró elemi alapegységek és utasítások. Ebből adódóan az ilyen interfészek erős figyelmet igényelnek a tervező rendszerek felhasználóitól és e mellett a modellépítést is fáradságossá teszik. A nyolcvanas évek elején számos kutató úgy gondolta, hogy a tervező rendszerek probléma megoldó képességei és működési intelligenciája határtalanul növelhető a mesterséges intelligencia technológiák alkalmazásával. Számos irracionális és teljesíthetetlen ötletet javasoltak és fogadtak el észszerű kritika nélkül. Mindazonáltal ezen és egyéb technológiák szorgalmazása napjainkban is folytatódik ugyanolyan súllyal, mint azelőtt. A széleskörű alkalmazásuk ellenére a képernyőre alapozott interfészek két alapvető problémával küzdenek a tervezés támogatása szempontjából: Egyrészt, nem elég értelmesek és szituáció érzékenyek, ezért behatárolják annak módját ahogy a tervezők kifejezhetik azt, amit szeretnénk, hogy a tervezést támogató rendszer megtegyen. Másrészt, nem elég természetesek és célratörők, ezért behatárolják a tervezők elgondolásainak és ötleteinek gyors és alkotó módon való kifejezését a háromdimenziós modellezési térben. 1.2. ábra. Bepillantás a fejlett tervezéstámogatás jövőjébe. 1-2

Számítógéppel támogatott tervezés főbb eredményeinek tematikus áttekintése A második korlátozás a termékfejlesztés kifinomultságát és tudástartalmát befolyásolja. Ez a probléma már igen hosszú idő óta a CAD kutatók és fejlesztők vizsgálatainak központjában áll. Azonban az ezirányú erőfeszítések ellenére a modellezési eszközök inkább az alapvető matematikai elméletekre épülnek, mintsem a valós tervezői igényekre. Látszólag a fejlesztők és forgalmazók túlnyomó többsége, de a felhasználók is, tabunak tekintik a képernyő, a billentyűzet, az egér, és matematika által meghatározott megjelenítést. Általában szkeptikusak a fejlődésben lévő interaktív eszközökkel kapcsolatban ugyanúgy, mint a közelítő modellezési módszerekkel (1.2 ábra). Ez a hozzáállás határozottan hozzájárult a fejlődés lelassításához az elmúlt évek során. 1.2. Számítógéppel támogatott koncepcionális tervezés A számítógéppel segített koncepcionális tervezés fejlesztésének fontossága napjainkra egyre inkább hangsúlyossá válik. Az évek során azonban az is bizonyítottá vált, hogy a koncepcionális tervezés számítógépi támogatása különlegesen nagy kihívást jelentő feladat. Ennek megértéséhez először is meg kell értenünk a termék koncepció kialakításának lényegét, valamint a folyamat sajátosságait. Általánosan megfogalmazva a koncepcionális tervezés a termékfejlesztés első lépése, amely során a tervező megállapítja a termékkel szemben támasztott követelményeket, és meghatározza a funkcióit, szerkezetét, alakját, beépített anyagait, interfészeit, működését, és külalakját. Ami a koncepcionális tervezést az alakdefiniálástól és a részlettervek kidolgozásától megkülönbözteti, az az ugrásszerű kreatív alkotás, aminek gyökerei az emberi tudásban, intuícióban, megértésben, elemzési képességben, kifejező képességben, kreativitásban, szintézisben és megtapasztalásban fakadnak. A koncepcionális tervezés inkább a termék szándékolt jellemzőivel mint sem a termék tulajdonságaival foglalkozik. Erős kihatása van a termék megvalósulására, az előállítás költségeire, és a termék minőségi követelményeik kielégítésére. Azon ok miatt, hogy a tervezési bizonytalanságok teljes mértékben nem küszöbölhetők ki, több koncepciós megoldás létrehozására van szükség. Tulajdonképpen nem létezik a koncepcionális tervezésnek egyértelmű definíciója, mivelhogy több szempontból is megközelíthető. Módszertani szempontból tekintve egy kreatív problémamegoldó eljárás, ami általában a piac-termék-technológiák vizsgálata után vagy azzal átfedésben indul, és amivel a tervezők különböző tervezési megoldásvariációkat hoznak létre. A koncepcionális tervezés tekinthető egy kognitív, azaz tudásalapú folyamatnak, amely során ötletképzés, szemléltetés, szintézis és mentális egységek, ún. tervezési koncepciók, módosítása történik egyfajta szimbiózisban, rövid távú fejlődési folyamatokat alkotva. Az informatikai tudomány és számítástechnológia szemszögéből, a koncepcionális tervezés egy nem teljes mértékben meghatározott iteratív kereső folyamat, amelyben a tervezők a tervezési koncepciókhoz kapcsolódó információk és tudás összegyűjtésével, létrehozásával, leírásával, átalakításával, és kezelésével foglalkoznak. Az algoritmikus tervezés szempontjából a koncepcionális tervezés a termékkoncepciók számítógépes létrehozását, modellezését, kiértékelését és dokumentálását elősegítő vagy automatizáló követelmények forrása, és a különféle számítógépre alapozott eszközök és módszerek alkalmazásának célterülete. Számítógéppel segített koncepcionális tervezés a termékkoncepció képzés algoritmikus támogatását igyekszik megvalósítani. Azonban a termékkoncepció képzés az emberi ötlet kiváltásra és a tervezési koncepciók kreatív kombinációjára épül. Más szavakkal ez azt jelenti, hogy az emberi szándéktól, intuíciótól, tudásállapottól, felfogástól, észleléstől, következtetésektől, preferenciáktól és döntésektől való függés az igazi kihívás a koncepcionális tervezés számítógépes támogatás számára. Ezen túlmenően, a korai tervezési infor- 1-3

Számítógéppel támogatott tervezés főbb eredményeinek tematikus áttekintése mációk jellemző tulajdonsága az absztraktság. Vagyis a számítógéppel segített koncepcionális tervező rendszereknek az absztrakció, azaz az elvonatkoztatások kezelésére is képesnek kell lenni. Az absztrakció egyébként nem csak a tervezők gondolkodásában figyelhető meg a termék koncepciók képzése során, hanem a termékötleteket leíró és szemléltető információkban is. Mindezen túlmenően az információk bizonytalansága vagy teljes hiánya, a nem egyértelműen megfogalmazott feltételek, a koncepciók gyors fejlődése, az elképzelések több szempontú szintézise, és az alternatív megoldások valószínűsége szintén számottevően hozzájárul a kihívásokhoz. Gondoljunk csak az egyik legnépszerűbb és legkifejezőbb absztrakt szemléltetésre, a kézi vázlatolásra. Mint köztudott, ezen egyszerű technika számítógépes támogatása meglehetősen nehéznek bizonyult. 1.3. ábra. A számítógép orientált koncepcionális modellek osztályozása. car body mirror base fixing mechanism human control electric motor holding unit support of mirror hand motion control unit collision effect dynamic vibration wind load side focus mirror direct setting by hand back focus mirror mirror heating image 1.4. ábra. Egy autó visszapillantó tükör funkcionális diagramja. 1-4

Számítógéppel támogatott tervezés főbb eredményeinek tematikus áttekintése Mivel nincs univerzális számítógépes módszer vagy eszköz a koncepcionális tervezés támogatására, különféle speciális modelleket fejlesztettek ki az elmúlt évtizedek során. A legfontosabb számítógép orientált modellek osztályozását az 1.3 ábra mutatja. A koncepcionális tervezés bizonyos területein, például a funkcionális és szerkezeti koncepcionálásban, gyakran különböző absztrakt szemléltetési sémákat használnak a probléma megoldás ésszerűsítése, és a termék első, nem teljes körű és értékű leírására. Az 1.4 ábra a funkciók grafikus ábrázolására mutat egy példát. Ezt a szemléltetési séma a 60-as évek kezdetén fejlesztették ki, és tipikusan a gépészeti és elektromechanikai részrendszerek funkcionális koncepcionálásban használják. 1.5. ábra. Egy vázmodell három nézete a fizikai hatások alkalmazását lehetővé tevő bemenetekkel (portokkal). A koncepcionális tervezés egy másik részterülete a formatervezés. A termékek vagy alkatrészek egy részének formáját elsődlegesen a funkció határozza meg, és nem az esztétika vagy az ergonómia. A termékek és alkatrészek másik részére viszont ennek ellenkezője igaz. Az első esetben, meglehetősen gyakran, egyszerűsített geometriai modelleket hoznak létre a koncepcionális tervezés során. Ennek egyik példája a vázmodell, amely a funkciót hordozó alkatrészeket huzalvázként vagy fizikailag jellemzett vázszerkezetként írja le. Az 1.5 ábra az utóbb említett modell egy gyakorlati alkalmazására mutat példát. Az ilyen típusú modellek hasznosnak bizonyultak koncepció változatok kidolgozására és előzetes mechanikai számítások elvégzésére. Az esztétikai által meghatározott formák modellezésére felület orientált koncepcionálási eszközöket fejlesztettek ki. Ezek az eszközök elrejtik a felületgenerálás matematikai hátterét, és olyan interaktív módszereket biztosítanak a tervezőknek, amelyekkel könnyűszerrel nagyszámú felületkoncepciót tudnak az intuícióikra támaszkodva kialakítani, és azokat egyszerűen és gyorsan módosítani. Az 1.6 ábra egy autóipari alkalmazási példát mutat a számítógéppel támogatott koncepciómodellezésre. Az emberközpontú koncepcionális tervezési technikák korlátozott száma és a megalapozó elméletek teljes hiánya jelentik a legfontosabb okokat, hogy a számítógéppel segített koncepcionális tervezés még nem tudott felkapaszkodni a számítógéppel segített részlettervezés szintjére. Mindennek ellenére nagyszámú olyan probléma van a koncepcionális tervezésben, amelyek megoldására léteznek számítógépes technikák, és ezek már alkalmazásra is kerültek. 1-5

Számítógéppel támogatott tervezés főbb eredményeinek tematikus áttekintése 1.6. ábra. Digitális koncepciómodellezés az autóiparban. Gyakorlatilag a számítógéppel segített koncepcionális tervezés minden technikája magában foglal valamilyen szintű absztrakciót. Emiatt további erőfeszítésekre és információkra van szükség amikor a tervezők a koncepció képzés eredményeit át akarják vinni a strukturális vagy részlettervezésbe. A tapasztalatok szerint automatikus átalakítás és átvitel számos esetben nem lehetséges. Ez az egyik oka a koncepcionális tervező rendszerek behatárolt ipari elterjedésének. Az iparban a termék koncepcionálás és a koncepcionális tervezés leszűkül kreatív csoportok megbeszéléseire, kísérletek elvégzésre, és már létező termékekből képzett analógiák felhasználására. Ugyanakkor a koncepcionálási feladatokat e technikákkal láthatólag sikeresen meg is oldják. A számítógéppel segített tervező (CAD) rendszerek piacával ellentétben a számítógéppel támogatott koncepcionális tervező (CACD) rendszerek piaca szunnyadozik. Az ipar a koncepcionális tervezést mostohagyermekként kezeli, és egyszerűen mellőzi az egyetemek által kifejlesztett koncepcionális eszközök használatát. A legtöbb technológiai igazgató hajlandó a kiváló ötletelő munkaerőt megfelelően megfizetni, de sajnálja a pénzt kiadni tudás-alapú koncepcionális tervező eszközök használatára. Természetesen, mint mindig, vannak kivételek és siker történetek, de a koncepcionális tervező rendszerek általános alkalmazása erősen megkérdőjelezhető. Meglehetősen ritka amikor egy tipikus vállalat a mindennapi gyakorlatban egyetemi fejlesztésű számítógéppel támogatott koncepcionális tervező módszereket és eszközöket használ. Még ritkábban történik meg, hogy egy iparvállalat a saját ötleteire alapozott koncepcionális tervező eszköz fejlesztését és/vagy kivitelezését kéri az egyetemektől. 1.3. A geometriai modellezés fejlődése Felismerve, hogy egy kép többet ér, mint ezer szó, a kutatók és fejlesztők a grafikai megjelenítésre összpontosítottak a műszaki tervek és dokumentációk készítése tekintetében. Az erőfeszítések eredményeként digitális rajzoló rendszerek kerültek forgalomba, amelyek kétdimenziós (2D) grafikai és szöveg alapegységek alkalmaztak. A következő lépés a háromdimenziós (3D) modellezés koncepciójának bevezetése volt a gépészeti alkatrészek tervezésének elősegítésére, ami forradalmi változásokat idézett elő nem csak a gépészeti tervezési folyamatok számítógépes támogatásához kapcsolódó gondolkodásunkban, hanem később a tervezést segítő rendszerek és technológiák fejlesztésében is. Az 1960-as évek végén megjelenő első 3D-s modellek valójában huzalváz modellek voltak, amelyek nem biztosítottak eszközöket a modellezett gépészeti alkatrészek felületeinek leírására (1.7 ábra). 1-6