CAD 3D: La guida completa

CAD (Computer Aided Design) è lo strumento che porta un progetto allo stato di produzione. È l’ambiente software essenziale in cui designer e ingegneri trasformano schizzi concettuali in modelli 3D che possono quindi essere visualizzati, ottimizzati, simulati, stampati direttamente in 3D o prodotti con strumenti di produzione tradizionali.

Nel corso di diversi decenni, un gruppo centrale di programmi CAD si è diversificato per includere ora dozzine di alternative praticabili, ognuna con i propri vantaggi e svantaggi, approcci di modellazione e usi di nicchia. Esaminiamo le opzioni a tua disposizione in modo che tu possa scegliere un ambiente di lavoro adatto che possa accompagnarti attraverso una carriera.

Che cos’è un software CAD?

Computer Aided Design (CAD) è un metodo per creare digitalmente disegni bidimensionali e modelli tridimensionali che ha sostituito lo schizzo manuale in molti settori. Gli strumenti software CAD offrono ai progettisti la possibilità di esplorare idee progettuali, modificare facilmente i progetti, visualizzare concetti attraverso il rendering, simulare il funzionamento di un progetto nel mondo reale, documentare schizzi, condividere progetti per ricevere feedback e molto altro. …facilitando l’innovazione e consentendo aziende per portare i loro prodotti sul mercato più velocemente.

Il software CAD esiste dal 1959, quando Doug Ross, un ricercatore del MIT, ha coniato il termine “progettazione assistita da computer” dopo aver sviluppato un programma che ha permesso al suo team di disegnare circuiti elettronici su un computer e ha riconosciuto il potenziale di modifica della tecnologia. rapida esplorazione dei concetti.

All’inizio degli anni ’80, il CAD era già integrato nel flusso di lavoro dei produttori dei settori automobilistico, aeronautico ed elettronico di consumo che potevano permetterselo. Negli anni ’90, i motori di modellazione solida erano alimentati dal rendering dei confini, un modo più coerente e affidabile per descrivere gli oggetti virtuali in base ai loro confini e alle loro interconnessioni. Questo metodo è stato adottato da sistemi noti oggi come SolidWorks (1995), SolidEdge (1996) e Autodesk Inventor (1999).

L’arrivo del 2000 ha segnato la comparsa di sistemi CAD open source come FreeCAD. Inoltre, sono state sviluppate nuove funzionalità e moduli per vari programmi CAD che hanno consentito ai progettisti non solo di sviluppare il prodotto fisico, ma anche di renderizzarlo, animarlo e simularlo, nonché di integrare lo sviluppo del prodotto nella gestione del progetto e nei processi di produzione. Gestione del ciclo di vita.

I più recenti sistemi software CAD sono basati su cloud, consentendo agli sviluppatori di collaborare sullo stesso modello da workstation diverse e di scaricare nel cloud l’esecuzione di algoritmi intensivi come progettazione generativa, simulazione e rendering. Le simulazioni avanzate consentono di testare un progetto basato su numerosi aspetti meccanici, impiegando solo ore anziché giorni. Il design generativo trasforma il computer in un co-creatore, utilizzando l’intelligenza artificiale per suggerire modi ottimali per risolvere specifici problemi meccanici.

I vantaggi dell’integrazione del CAD nel processo di sviluppo del prodotto sono i seguenti:

  • Sviluppo rapido del concetto: i progetti immaginati possono essere disegnati con precisione per una visualizzazione precoce e prototipi rapidi stampati in 3D .
  • Specializzazione: la diffusione del CAD all’interno dell’organizzazione sviluppa conoscenze specifiche che creano una comprensione comune di come portare parti specifiche in una fase in cui sono pronte per la produzione.
  • Visualizzazione: clienti e potenziali clienti possono essere informati e impressionati da rendering 3D, animazioni ed esperienze di realtà virtuale all’avanguardia dei prodotti in fase di sviluppo.
  • Ottimizzazione: i difetti e le imperfezioni possono essere rilevati e ottimizzati molto più velocemente in un ambiente virtuale. I divari tra l’intento progettuale e la realtà produttiva sono colmati da disegni meccanici con tolleranze precise.
  • Produzione rapida: i prodotti possono raggiungere la produzione più rapidamente utilizzando tecnologie di produzione assistita da computer .

DAC utilizza

Tradizionalmente, i sistemi software CAD hanno portato alla generazione di una serie di disegni meccanici che informano la fabbrica su come produrre un prodotto, insieme alla tecnologia di produzione, ai materiali, alle finiture degli stampi e alle tolleranze necessarie. Oggi hanno molte altre funzioni:

  • Realizzazione di rendering fotorealistici per presentazioni aziendali interne e materiale di marketing aggiuntivo
  • Integrazione delle nomenclature dei materiali per gestire tutte le parti incluse in un insieme di esse, nonché la stima dei costi
  • Importazione diretta di parti meccaniche standardizzate e/o elementi ornamentali da database collegati di vari fornitori
  • Derivare un progetto di uno stampo a iniezione da una parte dopo aver impostato alcuni parametri di base
  • Assistenza nella progettazione e simulazione di componenti in lamiera, telai saldati e parti composite
  • Analisi di sollecitazioni e instabilità (analisi agli elementi finiti), simulazione di test di caduta e suggerimenti di ottimizzazione generati dal design generativo
  • Analisi di flusso di stampi per stampaggio ad iniezione
  • Analisi termica, vibrazionale e aerodinamica
  • Analisi del movimento e rilevamento dei disturbi per gli assiemi
  • Analisi ergonomica con manichini articolati tridimensionali
  • Appiattimento della superficie per disegni fustellati basati su un modello 3D
  • Algoritmi di posizionamento per ottimizzare l’organizzazione dei pezzi nel letto bidimensionale di un laser cutter o stampante 3D
  • Impostazioni automatiche della sporgenza delle gemme per il design dei gioielli
  • Simulazione di tessuti ed elementi gonfiabili
  • Sistemi di gestione del ciclo di vita del prodotto per controllare assiemi, cronologia delle versioni delle parti, rilasci, modifiche ingegneristiche, formati di file, metadati, stima dei costi, fornitori e fornitori, collaborazioni, controllo degli accessi, controllo delle revisioni, pianificazione del processo di produzione e relativi file, documenti e presentazioni delle parti
  • Funzionalità avanzate di dimensionamento e tolleranza geometrica (GD&T) per comunicare l’intento progettuale e ottimizzare il processo di produzione.
  • Importazione diretta dei dati di scansione 3D per il reverse engineering
  • Preparazione dei modelli per la stampa 3D
  • Mappatura e pittura delle texture per l’uso in arte, videogiochi, film e stampa 3D a colori

Tipi di sistemi software CAD

Negli ambienti professionali puristi, il termine CAD è spesso usato per riferirsi a un sistema parametrico che ha un albero della cronologia e capacità avanzate per lavorare con assiemi di parti complessi e strettamente vincolati, al contrario del software 3D progettato principalmente per generare modelli per visualizzazioni o scopi artistici.

In questo articolo, utilizziamo “CAD” per fare riferimento a qualsiasi programma in grado di generare modelli 3D modificabili per processi di produzione come stampaggio a iniezione , termoformatura o stampa 3D. In definitiva, lo stesso livello di controllo parametrico è esso stesso un parametro del programma che il progettista può scegliere.

I programmi che offrono un minor controllo dimensionale sono programmi di modellazione gratuiti o scultori di creta virtuali, in cui l’utente disegna forme da un oggetto base a rete, modificandolo liberamente senza alcun vincolo numerico. Gli esempi più importanti sono ZBrush e Mudbox.

Nella modellazione poligonale, nota anche come modellazione mesh o wireframe, l’utente inizia anche con una mesh come base, ma invece di scolpirla direttamente, la deforma eseguendo operazioni sugli elementi della mesh: i suoi vertici, bordi e facce. Inoltre, ci sono modificatori/deformatori che agiscono sull’intera forma, piegandola, torcendola, levigandola e trasformandola.

Ciò offre al progettista un certo grado di controllo numerico, sebbene le parti rimangano estranee a tutte le altre parti del modello. Wings3D è un’opzione gratuita, ma i modellatori di mesh come 3D Studio Max, Maya, Blender e Cinema4D includono anche funzionalità avanzate di rendering e animazione.

La modellazione solida è il modo più semplice per eseguire la progettazione 3D di modelli orientati alla produzione. Fin dall’inizio, il progetto virtuale viene trattato come un solido oggetto producibile a cui l’utente aggiunge materiale o rimuove materiale utilizzando tecniche di geometria di costruzione solida. Programmi come SolidWorks e SolidEdge consentono di creare schizzi su varie parti del modello che possono essere estruse o riorganizzate attorno a un asse per creare nuove funzioni.

I modellatori di superficie tratta un oggetto virtuale come un insieme di superfici e solo se queste superfici sono completamente connesse su tutte le facce il modello può essere considerato “a tenuta stagna” e convertito in un corpo solido pronto per la produzione, ad esempio, mediante la stampa 3D. Il creatore inizia creando schizzi che si estendono lungo un percorso predefinito, riorganizzano attorno a un asse o si spostano su altri schizzi. Le superfici possono quindi essere fuse e rifinite insieme per creare un design complesso. Le superfici possono essere tangenti, nel senso che una fluisce direttamente nell’altra. Questo è chiamato continuità G1.

Tuttavia, quando la variazione di tangenza rimane uniforme anche lungo una superficie, può essere chiamata continuità di curvatura o G2. Funzionalità avanzate di modellazione delle superfici nella gamma G2 si trovano in programmi come Alias, Creo e Rhinoceros. Quando anche il cambio di curvatura deve rimanere fluido, come ad esempio nell’ottimizzazione aerodinamica, si parla di continuità G3 e il progettista entra nel regno delle superfici di classe A, per le quali solo software più avanzati, come CATIA. Quando si sceglie un modellatore di superfici, è importante considerare se il motore dietro di esso è basato su NURBS, Bézier, T-Splines o le definizioni di tipo Coons obsolete. nell’ottimizzazione aerodinamica si parla di continuità G3 e il progettista entra nel regno delle superfici di classe A, per le quali solo i sistemi software più avanzati, come CATIA, sono adatti.

Quando si sceglie un modellatore di superfici, è importante considerare se il motore dietro di esso è basato su NURBS, Bézier, T-Splines o le definizioni di tipo Coons obsolete. nell’ottimizzazione aerodinamica si parla di continuità G3 e il progettista entra nel regno delle superfici di classe A, per le quali solo i sistemi software più avanzati, come CATIA, sono adatti. Quando si sceglie un modellatore di superfici, è importante considerare se il motore dietro di esso è basato su NURBS, Bézier, T-Splines o le definizioni di tipo Coons obsolete.

Modellatori parametrici danno al progettista il pieno controllo del processo di modellazione, a differenza dei modellatori diretti. Tutti i dettagli possono essere creati sulla base di una serie di misure e vincoli che ne determinano dimensioni, forma e posizione. Questi elementi si basano l’uno sull’altro e creano una cronologia dell’albero del modello che riflette il modo in cui il modello è stato costruito. Qui, il progettista lavora più direttamente sui parametri che determinano il progetto, piuttosto che sulla geometria. Questo arricchisce il processo di lavoro perché permette di programmare parti del disegno, aprendo un vasto panorama di nuove possibilità in termini di texture, pattern e varianti per la personalizzazione del prodotto. I modellatori parametrici ottengono il massimo dal CAD, ma valutano sempre se intralciano l’esplorazione dei concetti.

Non è raro che il passaggio al lavoro parametrico avvenga troppo presto nel processo creativo. CATIA, Creo e OnShape includono funzionalità avanzate di modellazione parametrica. Sebbene Rhinoceros sia un modellatore diretto, il suo plug-in Grasshopper è un ottimo esempio di come il controllo parametrico può essere incorporato nel processo. In OpenSCAD, tutta la geometria è codificata in un’altra finestra, anziché disegnata direttamente nello spazio virtuale. L’antimonio sostituisce il invece di disegnarlo direttamente nello spazio virtuale. L’antimonio sostituisce il invece di disegnarlo direttamente nello spazio virtuale. L’antimonio sostituisce il script testuali con un diagramma di flusso basato su nodi simile a quello che fa Grasshopper. Anche SolidWorks consente il controllo basato sui dati utilizzando un foglio di calcolo come definizione di input.

Nella progettazione generativa, i risultati complessi sono generati dai computer, al di là dell’ambito della visione di un singolo designer umano. La definizione di un progetto può essere modificata modificando manualmente i numeri di input e il modello si aggiornerà di conseguenza. Il processo può essere svolto anche parzialmente o totalmente da un’intelligenza artificiale in grado di potenziare il processo di modellazione 3D con ricorsione ed evoluzione verso forme ottimali, come abbiamo visto nell’ottimizzazione topologica.

La maggior parte dei sistemi CAD odierni sono ibridi, poiché contengono aspetti e strumenti di vari tipi di approcci di modellazione CAD richiesti da un settore specifico o da un tipo di prodotto. SolidWorks e Cobalt lavorano al meglio con i solidi, ma hanno anche straordinarie capacità di modellazione delle superfici. CATIA, Siemens NX e Creo hanno capacità avanzate di modellazione di superfici e solidi, nonché opzioni per la modellazione di superfici, pur rimanendo completamente parametrici. Blender offre modellazione poligonale e scolpita in un unico ambiente. SelfCAD e Fusion 360 combinano la modellazione mesh con la modellazione solida. Anche ZBrush è un sistema ibrido, nel senso che oltre ad avere argilla virtuale con cui lavorare, offre anche ottimi strumenti di modellazione poligonale.

Per quanto riguarda l’hardware, sono indispensabili una potente CPU, un processore grafico e una RAM espansa, soprattutto per i software CAD parametrici e i sistemi non basati su cloud. Investire in un mouse di progettazione 3D dedicato o in una periferica di controllo è piuttosto vantaggioso.

Come scegliere un ambiente CAD

Può essere allettante scegliere un programma CAD basato su funzionalità che hanno un certo appeal o sono particolarmente innovative. Tuttavia, è fondamentale valutare se queste caratteristiche siano davvero rivoluzionarie, se rappresentino innovazioni radicali o solo piccoli miglioramenti di scarso valore.

Essere in grado di soddisfare i requisiti di complessità del prodotto è fondamentale per decidere quale spazio di lavoro virtuale scegliere. Il tuo prodotto richiederà funzionalità avanzate di modellazione della superficie come levigatura della curvatura, appiattimento della superficie per prodotti morbidi o funzioni di modellazione come le transizioni a gradini? Avrai bisogno di funzionalità avanzate per aumentare lo spessore delle pareti, controllo parametrico su tutte le dimensioni o progettazione avanzata di assiemi per oltre 100 parti?

Quando si aggiungono strumenti CAD al processo di sviluppo, non sottovalutare l’importanza della compatibilità dei formati file. In caso di disparità, assicurarsi che nulla sia andato perso tra i formati può richiedere molto tempo.

In secondo luogo, esamina la complessità richiesta per l’intero processo di lavoro oltre la progettazione delle parti, nelle fasi successive. Il programma verrà utilizzato esclusivamente per conversioni tecniche di disegni concettuali realizzati su carta o verrà utilizzato anche per esplorazioni creative in sé? Saranno necessarie analisi meccaniche per portare i risultati in una fase di produzione? L’azienda produrrà più versioni dello stesso prodotto o prodotti simili della stessa famiglia con le stesse parti? Le parti avranno bisogno di revisioni radicali che richiedano un controllo dell’intero albero storico? Esiste un’opportunità per l’archiviazione su cloud o il rendering di rete, o sarà tutto basato su server e workstation locali? Con quale frequenza avrai bisogno di stampare prototipi in 3D o parti di uso finale?

È meglio valutare una versione di prova del software per diverse settimane prima di prendere una decisione di acquisto. Questo ti permette di verificare quanto sia impegnativo il software sulla CPU e sul processore grafico, se è abbastanza stabile o se contiene ancora dei bug (se ce ne sono che mandano in crash il programma), oltre a sapere come funzionerà la gestione dei file .

Quindi, controlla se il software è incluso nei programmi educativi locali. Se è probabile che il team di progettazione o ingegneria dell’azienda non abbia familiarità con il software, valuta se l’interfaccia utente è sufficientemente intuitiva da consentire loro di seguire una breve curva di apprendimento e iniziare rapidamente i progetti. L’interfaccia utente grafica può essere personalizzata per soddisfare le esigenze sia dei principianti che degli esperti e offrire scorciatoie istantanee ai comandi utilizzati più di frequente?

E infine, poiché i sistemi CAD avanzati diventano più costosi, in alcuni casi potrebbe valere la pena considerare alcune alternative gratuite o convenienti. DesignSpark è un’alternativa gratuita ad AutoCAD. Invece di ZBrush, è possibile utilizzare opzioni gratuite come ZBrushCoreMini e Sculptris. Blender è completamente gratuito e produce risultati paragonabili a Maya e 3D Studio Max. Se è troppo complicato, Wings3D è un modellatore di poligoni che è anche gratuito e facile da imparare.

SolidEdge è un derivato semplificato di NX, mentre SolidWorks, sebbene meno avanzato e completo, in molti casi funziona altrettanto bene di CATIA. FreeCAD è gratuito, open source e un buon inizio per chiunque voglia approfondire la modellazione basata su elementi e funzionalità.



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