CAD – תכנון וייצור בעזרת מחשב – הטכנולוגיה מאחורי השיטה – כתבה חמישית בסדרה

בארבע כתבות הספקנו להכיר את שיטת התכנון והייצור בעזרת מחשב, למדנו מי עושה בה שימוש ואילו שימושים נרחבים קיימים בעזרתה. בכתבה האחרונה בסדרה נבין מהי הטכנולוגיה העומדת מאחורי השיטה.
במקור תוכנות לתכנון וייצור בעזרת מחשב התפתחו עם שפות מחשב כמו Fortran, ALGOL ועוד. אך עם התקדמות שיטות התיכנות המבוססות אובייקטים, הדבר השתנה בצורה קיצונית. שיטות מידול מודרניות טיפוסיות כמו parametric feature based modelerאו מערכות freeform surface נבנות סביב מספר מודולים בשפת תיכנות C עם ממשק התיכנות האופייני לכל אחד.

מערכת CAD יכולה להיראות כבנויה מהאינטרקציה של ממשק משתמש גרפי עם גיאומטריה NURBS ו/או נתוני boundary representation דרך geometric modeling kernel. ניתן להשתמש גם במנוע האילוץ הגיאומטרי על מנת לנהל את היחסים האסוציאטיביים בין גיאומטריות, כגון מסגרת של גיאומטריה בשרטוט או רכיבים בהרכבה.
יכולות בלתי צפויות של יחסים אסוציאטיביים אלה הובילו ליצירת אבטיפוס חדש שנקרא אבטיפוס דיגיטלי. זאת בניגוד לאבטיפוס מוחשי שמצריך זמן תכנון וייצור. מודלים של CAD יכולים להיווצר ע”י מחשב לאחר שהאבטיפוס המוחשי נסרק בעזרת מכונת סריקה CT תעשייתית. תלוי בטבע העסק, ניתן לבחור מראש אבי טיפוס מוחשיים או דיגיטליים בהתאם לצרכים הספציפיים.

כיום מערכות CAD קיימות בכל הפלטפורמות הגדולות (Windows, Linux, UNIX and Mac OS X). חלק מהחבילות אף תומכות במספר פלטפורמות.
נכון להיות לא נדרשת חומרה מיוחדת עבור רוב תוכנות ה CAD. למרות זאת, מערכות CAD מסוימות יכולות לבצע משימות גרפיות וחישוביות מורכבות, כך שמומלץ שיהיה מותקן על המחשב כרטיס גרפי מתקדם, מעבד מהיר וזיכרון RAM בכמות גדולה.

ממשק אדם – מכונה הינו לרוב דרך עכבר המחשב אך יכול להיות גם דרך עט מיוחד ומשטח רישום דיגיטלי (טאבלט). לרוב ניתן גם לבצע מניפולציה של צורת המודל על המסך בעזרת השימוש ב- Spacemouse/SpaceBall. חלק מהמערכות תומכות גם בזכוכית סטריאוסקופית על מנת לצפות במודל התלת מימדי. טכנולוגיות שבעבר היו מוגבלות להתקנים גדולים או יישומים של מומחים, הפכו לזמינות לקבוצה רחבה של משתמשים.

תוכנת ®COMSOL Multiphysics אותה משווקת בלעדית בישראל חברת נומריקל בע”מ, הינה תוכנת סימולציות מובילה המשמשת לתכנון ועיצוב מוצרים ומתפקדת כמעבדה ניסויית וירטואלית עם תוצאות תואמות מציאות. אל התוכנה ניתן לייבא תרשימים מתוכנות CAD רבות ותוכנות שרטוט כגון SolidWorks® , ולבנות מודלים מגוונים עליהם מבוצעים צימודים מולטיפיזיקליים ובחינת השפעות בדרך של אנליזה נומרית.

CAD – תכנון וייצור בעזרת מחשב – סוגים שונים של תוכנות – כתבה רביעית בסדרה

בשלושת הכתבות הקודמות למדנו מהי טכנולוגיית תכנון וייצור בעזרת מחשב, סקרנו את המשתמשים בשיטה ומהם השימושים הרבים שנעשים בה ברחבי העולם.
בכתבה רביעית זו נצלול יותר פנימה ונציג את סוגי ה- CAD הקיימים ומי עשוי למצוא שימוש בכל אחד מהם.

ישנם מספר סוגים שונים של CAD, כל אחד מצריך מהמשתמש חשיבה שונה לגבי השימוש ותכנון הרכיבים בצורה וירטואלית. ישנם יצרנים רבים של מערכות CAD דו מימדיות (2D) פשוטות כולל מספר תוכנות חינמיות בעלות קוד פתוח. תוכנות אלו מעניקות גישה לתהליך השרטוט ללא הצורך בבלגן שכרוך בשרטוט ידני, כיוון שהן ניתנות להתאמה כנדרש במהלך יצירת השרטוט הסופי.

הרחבה של תרשים דו מימדי הינה wireframe תלת מימדי. כל קו בשרטוט נכנס למודל בצורה ידנית. למוצר הסופי אין מאפייני מסה שקשורים אליו ולא ניתן להוסיף אליו מאפיינים בצורה ישירה. הגישה של המשתמש כאן דומה לגישתו אל מערכות 2D, על אף שמערכות תלת מימד רבות מאפשרות שימוש במודל wireframe על מנת ליצור את זוויות התרשים ההנדסי הסופי.

מוצקים “אילמים” בשלושה מימדים נוצרים בצורה מקבילה למניפולציה שנעשית על עצמים בעולם האמיתי. לצורות גיאומטריות תלת מימדיות פשוטות כגון מנסרות, צילינדרים, כדורים ועוד, יש נפחים קבועים אשר נוספים להם או מופחתים מהם, ממש כאילו מרכיבים או חותכים עצמים בעולם האמיתי. מוצקים פשוטים בתלת מימד לא כוללים בד”כ כלים אשר יאפשרו בקלות תנועת רכיבים, יגבילו את התנועה או יזהו התערבות בין הרכיבים.

ישנם שני סוגים של מודלים של מוצקים:

1. 3D parametric solid modeling מאפשר למפעיל להשתמש במה שמכונה “כוונת התכנון”. העצמים והמאפיינים שנוצרים ניתנים לשינוי. כל התאמה שתבוצע בעתיד תשנה את הדרך בה החלק המקורי נוצר. אם הייתה כוונה למקם מאפיין מסוים ממרכז החלק, על המשתמש למקם אותו ממרכז המודל. המאפיין יכול להיות ממוקם ע”י שימוש בכל אובייקט גיאומטרי שכבר קיים בחלק, אך מיקום רנדומלי זה יבטל את כוונת התכנון.
2. Explicit Modellers or Direct 3D CAD Modelers מספקים את היכולת לערוך גיאומטריות ללא עץ היסטוריה. עם שיטת מודל ישירה, ברגע שנעשה שימוש בשרטוט כדי ליצור גיאומטריה, השרטוט משתלב בתוך הגיאומטריה החדשה והמתכנן פשוט מתאים את הגיאומטריה ללא צורך בשרטוט המקורי.

מערכות CAD ברמה הגבוהה מציעות יכולות של שילוב יותר אורגני, אסטתי וארגונומי של מאפיינים לתוך התרשימים. לעיתים קרובות משלבים Freeform surface modeling עם מוצקים כדי לאפשר למתכנן ליצור מוצרים שמתאימים לדרישות האנושיות, כמו שהם מתממשקים עם המכונה.

תוכנת ®COMSOL Multiphysics אותה משווקת בלעדית בישראל חברת נומריקל בע”מ, הינה תוכנת סימולציות מובילה המשמשת לתכנון ועיצוב מוצרים ומתפקדת כמעבדה ניסויית וירטואלית עם תוצאות תואמות מציאות. אל התוכנה ניתן לייבא תרשימים מתוכנות CAD רבות ותוכנות שרטוט כגון SolidWorks® , ולבנות מודלים מגוונים עליהם מבוצעים צימודים מולטיפיזיקליים ובחינת השפעות בדרך של אנליזה נומרית.

CAD – תכנון וייצור בעזרת מחשב – השימושים והמשתמשים – כתבה שלישית בסדרה

בשתי הכתבות הקודמות הכרנו את תחום התיב”ם – תכנון וייצור בעזרת מחשב, ולמדנו מהי חשיבותו הגדולה בעולם תכנון המוצרים בענפי ההנדסה, הפיזיקה והמדע. נגענו גם במשתמשים העיקריים בטכנולוגיה זו, ובכתבה זו נרחיב אודות השימושים ב CAD ומי מנצל זאת לטובתו.

תכנון וייצור בעזרת מחשב הינו אחד מהכלים הרבים בהם עושים שימוש מהנדסים ומתכננים, וכן נעשה בו שימוש בדרכים רבות, תלוי בתחום התמחותו של המשתמש וסוג תוכנת ה- CAD שברשותו.
CAD הינו חלק אחד מתוך מכלול פעילות הפיתוח של מוצר דיגיטלי בתוך תהליכי הניהול של מחזור חיי המוצר, וככזה נעשה בו שימוש בצוותא עם כלים אחרים, שעשויים להיות מודולים משולבים או לחילופין מוצרים שניתן להשתמש בהם באופן בלתי תלוי.

סוגים שונים של מוצרים, שיטות ותהליכים מהסוג הזה הינם:

• תכנון בעזרת מחשב (Computer-aided engineering) ואלמנטים סופיים (Finite element analysis).
• ייצור בעזרת מחשב (Computer-Aided Manufacturing) הכולל הנחיות למכונות הפועלות בשיטת Computer Numerical Control.
• יצירת תמונה ממודל באמצעות תוכנת מחשב (גרפיקה ממוחשבת).
• ניהול גרסאות ומסמכים ע”י שימוש בפונקציית ניהול נתוני מוצר.

שימוש נוסף של CAD הינו ביצירה מדויקת של סימולציות תמונה אשר לעיתים קרובות נדרשות בהכנה של דוחות השפעה סביבתיים, בהם תכנונים בעזרת מחשב של בניינים נוספים לצילומים של סביבות קיימות, על מנת להראות כיצד האזור ייראה כאשר תאופשר בנייתם של מתקנים מיועדים.

תיב”מ הוכח גם כיעיל מאוד עבור מהנדסים, בשימוש בארבעה מאפיינים: היסטוריה, תכונות, פרמטריזציה, ואילוצים ברמה גבוהה. ניתן להשתמש בהיסטוריית המבנה על מנת להביט שוב אל תוך המאפיינים האישיים של המודל ולעבוד על אזור ספציפי במקום על כל המודל. בפרמטרים ובאילוצים ניתן להשתמש כדי לקבוע את הגודל, הצורה ומאפיינים נוספים של האלמנטים השונים במודל.

ניתן לעשות שימוש בתכונות של מערכת ה- CAD עבור מגוון כלים למדידה כגון מאמץ מתיחה, מאמץ תפוקה, תכונות חשמליות ואלקטרו-מגנטיות. בנוסף ניתן למדוד את הלחץ במערכת, את המאמץ, כיצד אלמנטים במערכת מושפעים מטמפרטורות שונות ועוד.

תוכנת ®COMSOL Multiphysics אותה משווקת בלעדית בישראל חברת נומריקל בע”מ, הינה תוכנת סימולציות מובילה המשמשת לתכנון ועיצוב מוצרים ומתפקדת כמעבדה ניסויית וירטואלית עם תוצאות תואמות מציאות. אל התוכנה ניתן לייבא תרשימים מתוכנות CAD רבות ותוכנות שרטוט כגון SolidWorks® , ולבנות מודלים מגוונים עליהם מבוצעים צימודים מולטיפיזיקליים ובחינת השפעות בדרך של אנליזה נומרית.

CAD – תכנון וייצור בעזרת מחשב – סקירה כללית – כתבה שניה בסדרה

בכתבה הקודמת בסדרה עשינו היכרות עם טכנולוגיית המחשוב CAD המאפשרת לתכנן מוצר על שלל ההיבטים של תהליך ייצורו, ולמדנו אודות היתרונות הרבים שתכנון וייצור בעזרת מחשב (תיב”ם) מעניק בתעשיות ובענפים רבים. בכתבה זו נציג סריקה כללית אודות התוכנה, למה היא משמשת ומי מנצל אותה וחוסך זמן רב בתהליך.

תחילת הסיפור בשנות ה- 80, תוכנות CAD מצמצמות בצורה משמעותית את הצורך באנשי שרטוט, במיוחד בחברות קטנות ובינוניות. מחירן הנמוך באופן יחסי ויכולתן לרוץ במחשבים אישיים איפשרו למהנדסים לבצע את שירטוטיהם ועבודתם האנליטית באופן עצמאי, עובדה שחיסלה את הצורך במחלקות שלמות

בעולם של היום המון סטודנטים באוניברסיטאות אינם לומדים טכניקות שרטוט ידניות כיוון שאין מהם דרישה לכך. ימי השרטוטים הידניים פסו וירטואלית מן העולם. אוניברסיטאות אינן נזקקות יותר למד זווית ומצפנים בכדי ליצור שרטוטים, במקום זה ישנן מספר כיתות המתמקדות בשימוש בתוכנת CAD.

חבילות תוכנת CAD כיום נעות בין מערכות תרשים מבוססות וקטורים בדו-מימד (2D), עד למודלים תלת מימדיים (3D) של שטחים ומוצקים. חבילות CAD מודרניות מסוגלות לעיתים קרובות לאפשר תנועות סיבוביות בשלושה מימדים, מה שמקנה למשתמש את היכולת לצפות באובייקט המתוכנן מכל זווית רצויה, אפילו מבפנים בראיה החוצה. חלק מתוכנות ה- CAD מסוגלות ליצור מודלים מתמטיים דינאמיים.
נעשה שימוש ב- CAD בפיתוח כלים ומכונות ובשרטוט ותכנון של כל סוגי הבניינים, מהקטנים ביותר המיועדים למגורים ועד למבני התעשייה והמסחר הכי גדולים כמו מפעלים ובתי חולים.

בעיקר נעשה שימוש ב- CAD בתכנון מפורט של מודלים 3D ו/או שרטוטים 2D של רכיבים פיזיקליים, אך גם נעשה בו שימוש במהלך עבודת התכנון, משלב הרעיון של המוצר והמתווה אודותיו, דרך אנליזות דינמיקה וחוזק של תהליכי ההרכבה, ועד להגדרת שיטות הייצור של הרכיבים. מעבר לכך, יישומי CAD רבים מציעים היום תמיכה מתקדמת ואפשרויות אנימציה כדי שמהנדסים יבינו טוב יותר כיצד המוצרים בתכנון נראים מבחינה ויזואלית.
טכנולוגיית CAD הפכה לחשובה במיוחד במרחב של טכנולוגיות בעזרת מחשב, עם יתרונות כמו עלויות פיתוח מוצרים נמוכות וכן מחזור תכנון קצר בהרבה. CAD מאפשר למתכננים להציג את העבודה והתכנון על המסך, להדפיס ולשמור לעריכה עתידית, וכך לחסוך זמן בשרטוט.

תוכנת ®COMSOL Multiphysics אותה משווקת בלעדית בישראל חברת נומריקל בע”מ, הינה תוכנת סימולציות מובילה המשמשת לתכנון ועיצוב מוצרים ומתפקדת כמעבדה ניסויית וירטואלית עם תוצאות תואמות מציאות. אל התוכנה ניתן לייבא תרשימים מתוכנות CAD רבות ותוכנות שרטוט כגון SolidWorks® , ולבנות מודלים מגוונים עליהם מבוצעים צימודים מולטיפיזיקליים ובחינת השפעות בדרך של אנליזה נומרית.

CAD – תכנון וייצור בעזרת מחשב שמשנה את העולם ההנדסי

תכנון וייצור בעזרת מחשב, מוכר יותר בראשי התיבות תיב”ם (CAD – computer-aided design), הינו השימוש במערכות מחשב לשם סיוע ביצירה, התאמה, אנליזה ואופטימיזציה של תכנון מוצרים. השימוש בתוכנת CAD מבוצע כדי להגביר את פרודוקטיביות המתכנן, לשפר את איכות תכנון המוצר, את התקשורת הדוקומנטרית, וכן לטובת בניית מאגרי מידע ייצוריים. תוצרי CAD לרוב מוצגים בצורת קבצים אלקטרוניים להדפסה, עיצוב בעזרת מכונה, או אופרציות ייצור אחרות.

תכנון וייצור בעזרת מחשב מנוצל בתחומים רבים. שימושו בתכנון מערכות אלקטרוניות ידוע בשם “מיכון תכנון אלקטרוני” (מאנגלית – EDA – Electronic design automation). בתכנון מכני הוא נקרא “מיכון תכנון מכני” (מאנגלית – MDA – Mechanical design automation) או תרשים בעזרת מחשב (מאנגלית – CAD – Computer-aided drafting), אשר כולל את תהליך יצירת שרטוט טכני, בעזרת השימוש בתוכנת מחשב.
בתוכנת CAD עבור תכנון מכני נעשה שימוש בגרפים מבוססי וקטורים על מנת להציג את האובייקטים של התרשים המסורתי, אך ניתן גם להפיק גרפיקה ממוחשבת המציגה את ביצועיהם הכוללים של האובייקטים בתכנון. בכל אופן, תוכנת CAD לתכנון מכני מציגה יותר מאשר צורות בלבד. כמו בתרשים ידני של שרטוטים הנדסיים וטכניים, פלטי CAD מעבירים אינפורמציה, כגון חומרים, תהליכים, מימדים, טולרנטיות ועוד, ע”פ מוסכמות מוגדרות יישום.
אפשר להשתמש ב- CAD על מנת לעצב עקומות וצורות במרחב הדו-מימדי (2D); או עקומות, שטחים ומוצקים במרחב התלת-מימדי (3D).

CAD הינו כלי תעשייתי בעל שימוש נרחב בענפים רבים, לרבות תעשיות הרכב, תעשיית בניית האוניות, ענפי החלל והתעופה, תכנון תעשייתי ואדריכלי, פרוסתטיקה ועוד. ל CAD יש גם שימוש נרחב בהפקת אנימציה ממוחשבת עבור אפקטים מיוחדים בסרטים, בפרסומות, וכן בספרי הוראות טכניים.
המודרניזציה בה ניתן להימצא במקומות רבים בו זמנית, יחד עם עוצמת המחשבים, המשמעות היא שאפילו בקבוקי בשמים ושמפו מעוצבים בעזרת שיטות שהמנדסי שנות ה- 60 אפילו לא חלמו לשמוע עליהם. בשל חשיבותו הכלכלית האדירה, CAD הפך לכוח מניע רב במחקרי גיאומטריה חישובית, גרפיקה ממוחשבת (חומרה ותוכנה) ועוד.

תוכנת ®COMSOL Multiphysics אותה משווקת בלעדית בישראל חברת נומריקל בע”מ, הינה תוכנת סימולציות מובילה המשמשת לתכנון ועיצוב מוצרים ומתפקדת כמעבדה ניסויית וירטואלית עם תוצאות תואמות מציאות. אל התוכנה ניתן לייבא תרשימים מתוכנות CAD רבות ותוכנות שרטוט כגון SolidWorks® , ולבנות מודלים מגוונים עליהם מבוצעים צימודים מולטיפיזיקליים ובחינת השפעות בדרך של אנליזה נומרית