Czym różnią się formaty plików CAD, NURBS, MESH?

Auto powierzchnia vs Model CAD

Niniejsza prezentacja ma na celu porównanie modelu składającego się z powierzchni NURBS wygenerowanego za pomocą funkcji auto powierzchni (AutoSurface) oraz parametrycznej bryły CAD powstałej na drodze modelowania.

Auto powierzchnia

Model parametryczny

Auto powierzchnia vs modelowanie CAD

Geometria powierzchniowa przedstawiająca model 3D, składająca się z szeregu powiązanych ze sobą wielokątów (przeważnie są to trójkąty).

Siatka trójkątów (MESH)

Siatka trójkątów – powstaje przez połączenie punktów chmury zebranej podczas skanowania w trójkąty. Modele w postaci siatek trójkątów również mogą posiadać kolorową teksturę . Model w tej postaci jest powszechnie wykorzystywany w druku 3D oraz przez programy do grafiki komputerowej, niektórych programach CAD i systemach CAM, gdyż dają możliwość generowania obróbek na maszyny CNC.

Popularne formaty zapisu to: STL, OBJ, WRL, PLY

STL jest formatem zapisu z siatki trójkątów

Powierzchnie NURBS – Obiekt edytowalny w programach CAD

Powierzchnie NURBS – matematyczny model powierzchniowy opisany za pomocą punktów i krzywych. Obiekt taki można modyfikować w programach CAD, ale nie jest łatwo edytowalny. Taki typ powierzchni bardzo dobrze odwzorowuje zeskanowane obiekty organiczne. Jeśli obiekt jest opisany powierzchnią NURBS z każdego kierunku (jest zamknięty) to przez programy CAD jest interpretowany jako bryła.

Popularne formaty zapisu: STP, IGS, SAT, x_t.

Model CAD – parametryczny model bryłowy lub powierzchniowy.

Główną cechą takiego obiektu jest jego łatwa edytowalność w innych programach CAD.

Popularne formaty zapisu: STP, IGS, SAT, x_t.

Model parametryczny

Tworząc model parametryczny na podstawie skanu możemy  zrekonstruować uszkodzone części lub przemodelować element zgodnie z wytycznymi.

Gdzie można wykorzystać siatkę trójkątów?

Siatkę trójkątów możemy wykorzystać jako podstawę dalszych prac. Siatkę trójkątów wykorzystamy w inżynierii odwrotnej.

Po zaimportowaniu takiego wyniku do oprogramowania, które poradzi sobie z tym formatem np. Geomagic Design X, nakładka na program SolidWorks – Geomagic for SolidWorks czy ZW3D można wirtualnie odtworzyć detal. Robiąc przekroje przez siatkę trójkątów, dopasowując powierzchnie, tworzymy model CAD ściśle trzymając się wymiarów, jednocześnie mamy możliwość ich edycji i naniesienia poprawek.

Druk 3D

Bardzo dobre efekty obserwujemy, kiedy zeskanujemy obiekt/kształt, który składa się z nieregularnych kształtów (powierzchni swobodnych). Takimi przykładami są: rzeźby, figurki czy też osoby.  Trzeba pamiętać, że po zeskanowaniu np. części mechanicznych dla uzyskania lepszych efektów wydruku często lepiej jest zrobić inżynierię odwrotną, a na podstawie takiego modelu wykonać wydruk 3D.

Wizualizacje 3D

Do animacji w grach czy też filmach. Bardzo przydatne są skany z teksturą – czyli takie, które posiadają informacje o rzeczywistych kolorach obiektu.

Kontrola jakości.

Doskonale sprawdza się w rożnego rodzaju przedsiębiorstwach podczas kontroli jakości, np. wytworzonych kopii elementów i ich zgodności z oryginałem.

Model CAD

Model CAD – główne wykorzystanie takiego pliku powstałego w wyniku inżynierii odwrotnej, to dalsze prace konstrukcyjne nad tym detalem. Często z braku dokumentacji technicznej jedyną opcją do posiadania edytowalnego pliku 3D jest jego zeskanowanie.

Model CAD można z łatwością edytować w programach CAD

Model CAD – uzyskany plik 3D możemy wykorzystać w obróbce CAM przez co możemy masowo wytwarzać np. poniższy detal.

Powierzchnia NURBS

model zbudowany przez powierzchnie NURBS (autopowierzchnie) będzie miał zastosowanie, wtedy kiedy w szybki sposób potrzebujemy plik, który można zapisać w popularnych formach CADowski. Wykorzystać to można w wyświetleniu takiego pliku w programach CAD oraz obróbce CAM.

Powierzchnia NURBS tak jak modele CAD nadają się do przeprowadzenia analizy wytrzymałościowej MES.

Powierzchnia NURBS

Alternatywnym wykorzystaniem powierzchni NURBS jest modelowanie hybrydowe. W przypadku kiedy chcemy mieć edytowac tylko pewne obszary obiektu, to możemy zamodelować je parametrycznie a pozostały kształt stworzyć autopowierzchnią. Przez co uzyskujemy bryłę, w krótkim czasie, na której możemy wykonać dalsze prace.

Obróbka CAM, a format pliku

Generowanie obróbki CAM wiąże się ze wskazywaniem odpowiednich kształtów geometrii obrabianej (ściana, kieszeń, rowek, otwór, krawędź, powierzchnia, bryła).

Często wystarczy jedynie zaznaczenie całej części, a generowana operacja oblicza się w sposób charakterystyczny założony przez producenta oprogramowania według zamysłu i wiedzy użytkownika, lecz niejednokrotnie bazujemy na wybranym fragmencie w modelu by zachować jak najwyższą jakość wykonania miejsca istotnego z punktu widzenia projektu.

Należy zwrócić uwagę, że generowana operacja CAM na modelu NURBS czy MESH nie odzwierciedli dokładnie wszystkich miejsc charakterystycznych takich jak zaokrąglenia, płaskość czy krawędzie, ponieważ generowanie ścieżki CAM bazuje na geometrii modelu.

W związku z tym projekt wytwarzania danego elementu musi być od początku dobrze przemyślany i musimy założyć odpowiedni format pozyskania modelu 3D, tak by móc wykorzystać w pełni zasoby oprogramowania CAM i otrzymać odpowiednią tolerancję i jakość powierzchni po obróbce.

Jakie formaty, jakie operacje?

Siatka trójkątów (MESH) – możliwości obróbkowe operacji zgrubnej

Wygenerowanie operacji zgrubnej (operacja zazwyczaj pozostawia naddatek), stąd dokładność modelu STL nie ma tu większego znaczenia w precyzji obróbki.

Powierzchnia NURBS – możliwości obróbkowe operacji 5 osiowej

Zaletą powierzchni NURBS nad plikiem MESH jest fakt możliwości bezpośredniego wskazywania łat NURBS do generowania obróbki 5-cio osiowej. Model MESH nie przenosi informacji o wektorze normalnym do powierzchni, ponieważ w rzeczywistości model MESH jest to siatka trójkątów, a nie rzeczywista powierzchnia CAD. W operacjach modułu 5x Frezowanie należy zazwyczaj dodawać powierzchnie prowadzącą, co jest już możliwe mając model powierzchniowy NURBS, ponieważ tam fizycznie możemy te miejsca wskazać. W modelu siatki trójkątów rozwiązanie generowania operacji 5-cio osiowej wiąże się z dodaniem dodatkowej geometrii powierzchni, która wskazuje krzywiznę, a za tym wektor normalny sterujący pochyleniem narzędzia.

MESH

Wstawiona dodatkowa powierzchnia prowadząca

CAD – NURBS

Ścieżka bazuje na wskazanych łatach powierzchni NURBS

CAD – parametryczny

Ścieżka bazuje na wskazanej rzeczywistej powierzchni modelu

Powierzchnia NURBS – możliwości obróbkowe, przykład

Założenie przykładu projektu:

Uszkodzona część maszynowa, do której części zamienne są niedostępne. Element posiada geometrię współpracującą z innymi elementami ruchomymi. Priorytetem jest zachowanie tolerancji wykonania w celu wykonania w pełni funkcjonalnej części zamiennej. Zakładamy wykorzystanie technologii skanowania 3D z zamiarem późniejszego odwzorowania tego za pomocą maszyny CNC.

Wstawiona dodatkowa powierzchnia prowadząca

Model MESH nie da nam wysokiej precyzji wykonania na CNC

Miejsca istotne jednakowo niedokładne

Model NURBS automatycznej powierzchni również nie nada się do precyzyjnej obróbki

Model CAD parametryczny

Niezbędny format do uzyskania precyzyjnej obróbki CNC

Miejsca istotne właściwie odwzorowane (inżynieria odwrotna) – możliwa obróbka CAM z zachowaniem tolerancji wymiarowej.

Precyzja w możliwości zaznaczenia krawędzi, miejsc walcowych i otworu

CAD parametryczny – możliwości obróbkowe

W modelu CAD parametrycznym mamy nieograniczone możliwości generowania operacji CAM. Mamy do dyspozycji wybór powierzchni, krawędzi, kieszeni, otworów czy ścian prowadzących. Ścieżka jest generowana z zachowaniem krzywizn, przy czym wykrywane są łuki a nie zbiór krótkich linii co może powodować pewne niedokładności powierzchni (MESH, NURBS), a kod CNC w modelu CAD parametrycznym jest dużo krótszy i dokładniejszy w wyniku wykrycia i opisania powierzchni łukiem.

Szeroka gama dostępnych strategii obróbczych, powoduje że definiowanie obróbek CAM na modelach parametrycznych staje się proste i intuicyjne. W przypadku wykorzystania oprogramowania ZW3D CAD/CAM, program zapewnia asocjatywność projektu, oznacza to że w każdym momencie możemy wrócić do poziomu modelowania CAD w celu modyfikacji geometrii, przy jednoczesnym zachowaniu projektu CAM. Po powrocie do poziomu obróbki program jest w stanie automatycznie dopasować wygenerowaną ścieżkę narzędzia do zmodyfikowanej geometrii modelu.