Oprogramowanie CAD - definicja, rodzaje oraz zastosowania

Wraz z upowszechnieniem się komputerów specjalistyczne oprogramowanie stopniowo zastępowało papier, linijkę i deskę kreślarską. Oprogramowanie CAD pozwala znacznie szybciej i efektywniej wykonywać schematy techniczne oraz modele obiektów, niż gdyby to samo zadanie realizowane było z pomocą ręcznych technik kreślarskich. Modelowanie komputerowe jest ponadto znacznie tańsze, ponieważ istotnie ogranicza użycie materiałów na etapie projektowania i prototypowania.

Podstawowe zadania oprogramowania CAD

Terminem CAD określa się wszelkiego rodzaju oprogramowanie służące do wsparcia procesu projektowania technicznego. Jego podstawowym zadaniem jest tworzenie rysunków oraz modeli obiektów technicznych, ale może służyć także do generowania dokumentacji konstrukcyjnej i technologicznej, jak również do tworzenia animacji i wizualizacji obiektów, np. w celach ofertowych oraz marketingowych.

Projekty tworzone za pomocą CAD cechują się z reguły łatwością udostępniania, przeglądania, edycji oraz symulacji, dzięki czemu możliwe jest szybkie wprowadzenie nowego produktu na rynek, zdecydowanie szybsze niż w przypadku stosowania ręcznych metod kreślarskich.

Programy CAD wykorzystywane są w zasadzie w każdej branży produkcyjnej, m.in. w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym, odzieżowym, chemicznym, farmaceutycznym oraz w architekturze. Poszczególne rodzaje tego oprogramowania zoptymalizowane są z reguły pod kątem wymagań jednej lub kilku branż.

 

Rys. 1. Przykładowy rysunek wykonany za pomocą oprogramowania typu EDA/CAD

Historyczne początki

Pierwszym komercyjnym programem zaliczanym do kategorii CAD był Pronto, opracowany w 1957 roku. Kolejnym przełomem było pojawienie się kilka lat później, w 1963 roku, programu Sketchpad, wyposażonego w graficzny interfejs użytkownika (co ciekawe, jako w ogóle pierwszy program komputerowy w historii), co znacznie poprawiało komfort pracy użytkownika. Sketchpad zawierał wiele przełomowych rozwiązań, które przeszły następnie do kanonu oprogramowania CAD – m.in. możliwość ponownego wykorzystania tych samych obiektów w wielu rysunkach (zmiana właściwości obiektu automatycznie aplikowana była we wszystkich jego instancjach) oraz możliwość definiowania geometrycznych właściwości obiektu, jak np. długość linii lub wartość kąta.

Pierwsze programy CAD powstały na długo przed upowszechnieniem się komputerów typu PC, były zatem przeznaczone do uruchamiania na komputerach uniwersyteckich, zajmujących niekiedy całe piętra budynków. Program dedykowany był z reguły dla konkretnego modelu komputera, często występującego jedynie w pojedynczym egzemplarzu. Przykładowo, Sketchpad napisano dla komputera TX-2 pracującego w MIT. Uniemożliwiało to szersze wykorzystanie tego typu oprogramowania w przemyśle oraz biznesie, co zaczęło ulegać zmianie dopiero w drugiej połowie lat 60. XX wieku wraz z postępującym upowszechnieniem komputerów typu mainframe, co było w dużej mierze zasługą firmy IBM.

Działanie CAD

Typowe oprogramowanie CAD wymaga do pracy środowiska wyposażonego w kartę graficzną. Do podstawowych modułów tego typu oprogramowania zaliczyć można bibliotekę graficzną oraz interfejs użytkownika, który zbiera dane wyjściowe, odpowiada za wyświetlanie widoków zawierających stworzone modele oraz umożliwia ich edycję.

Modele tworzone za pomocą CAD mają zazwyczaj trójwymiarową reprezentację. Oprogramowanie umożliwia wyświetlanie pojedynczego komponentu lub całego systemu, zaś użytkownik z pomocą interfejsu może kontrolować właściwości każdego z komponentów oraz ich wzajemne zależności – kształt, wymiary geometryczne, wzajemne położenie w przestrzeni. Zmiany poszczególnych parametrów wizualizowane są w czasie rzeczywistym, co znacząco upraszcza i przyspiesza proces projektowania.

Oprogramowanie CAD pozwala również wygenerować tradycyjne rysunki techniczne, tworzone zazwyczaj za pomocą grafiki wektorowej lub rastrowej, co umożliwia pokazanie ogólnego wyglądu projektowanego systemu. Jak wspomniano, wraz z rysunkami technicznymi możliwa jest również generacja dodatkowych danych, takich jak lista wymaganych materiałów czy zakładana tolerancja wymiarów projektu.

Oprogramowanie pozwala zazwyczaj również na rejestrowanie historii zmian w projekcie, co ma szczególne znaczenie w przypadku projektów zespołowych, gdzie istotne jest dokumentowanie i kontrolowanie wzajemnych interakcji pomiędzy członkami zespołu pracującymi wspólnie nad jednym zagadnieniem.

Rodzaje oprogramowania CAD

Oprogramowanie CAD podzielić można na dwa podstawowe typy – dwuwymiarowe (2D) oraz trójwymiarowe (3D). Niekiedy wyróżnia się również oprogramowanie typu 2.5D, będące rozwiązaniem pośrednim pomiędzy dwoma podstawowymi typami.

Na początku lat 70. XX wieku powstały pierwsze wersje oprogramowania typu 2D CAD, które faktycznie weszły do powszechnego użytku w różnych branżach przemysłu, często zastępując rozwiązania tworzone uprzednio na wewnętrzne potrzeby pojedynczych dużych przedsiębiorstw.

Oprogramowanie typu 2D CAD wykorzystuje podstawowe kształty geometryczne, takie jak linie, prostokąty, łuki oraz okręgi w celu tworzenia "płaskich", dwuwymiarowych rysunków. Pozwala również na wykonywanie adnotacji na schematach, umożliwiając umieszczanie różnego rodzaju tekstów, np. informacji o wymiarach.

Ten rodzaj CAD może być wykorzystywany do wykonywania planów, szczegółowych schematów konstrukcji, jak też np. przekrojów oraz profili poszczególnych elementów systemu. Na tego typu rysunkach przedstawić można też wzajemne położenie obiektów. Do innych standardowych funkcjonalności tego typu oprogramowania zaliczyć można możliwość wykreślania krzywych Beziera, linii łamanych, linii typu spline, obszarów kreskowanych, a także generowanie BOM. Do popularnych aplikacji tego typu zaliczyć można m.in. AutoCAD (wczesne wersje), LibreCAD, CATIA oraz MEDUSA4.

Niektóre rodzaje oprogramowania stanowią rozwiązanie pośrednie pomiędzy CAD 2D oraz CAD3D, co niekiedy określane jest mianem CAD 2.5D. Tak jak w przypadku CAD 2D, ten rodzaj oprogramowania reprezentuje głębię obiektów za pomocą kształtów geometrycznych, jednak wykorzystuje też technikę map konturowych do wizualizacji wysokości poszczególnych punktów. Tego typu oprogramowanie spotyka się przede wszystkich w systemach przeznaczonych do obsługi frezarek CNC w celu uproszczenia projektowania elementów zawierających wiele płaski powierzchni o różnych głębokościach.

CAD 3D upowszechniło się wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej procesorów oraz kart graficznych. W przypadku tego typu oprogramowania możliwe jest tworzenie rzeczywiście trójwymiarowych modeli obiektów, umożliwiając lepszą wizualizację oraz łatwiejsze wykrywanie potencjalnych defektów. Wśród aplikacji CAD 3D wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje modelowania trójwymiarowego (niekiedy wszystkie z nich mogą być dostępne w ramach jednego środowiska pracy):

• Solid modeling – obiekt modelowany jest jako bryła, zatem aplikacja jest w stanie odwzorować dokładną geometrię obiektu obejmującą całą jego powierzchnię oraz objętość, uwzględniając również strukturę wewnętrzną.
• Wireframe modeling – obiekt modelowany jest za pomocą zbioru linii reprezentujących wszystkie jego krawędzie, bez informacji na temat jego powierzchni oraz struktury wewnętrznej.
• Surface modeling – modelowana jest zewnętrzna powierzchnia obiektu. Ten typ modelu jest szczególnie popularny w przypadku skomplikowanych oraz złożonych projektów.

Do popularnych aplikacji CAD 3D zaliczyć można Autodesk, ZW3D, Blender oraz CATIA V5.

Format plików CAD

Co do zasady formaty plików wykorzystywane w oprogramowaniu typu CAD podzielić można na dwa rodzaje – formaty natywne oraz neutralne.

Neutralne formaty plików umożliwiają przenoszenie projektu pomiędzy różnymi platformami i środowiskami, z zachowaniem dokładnego odwzorowania kształtu i formy modelowanego obiektu. Odpowiednikiem tego typu koncepcji jest format pdf dla plików tekstowych. Co ciekawe, w modelowaniu 3D również spotkać można się z tym formatem, określanym jako pdf 3D. Do innych neutralnych formatów zaliczyć można STEP (Standard for the Exchange of Product model data, .stp, .step), STL (Stereo Litography, .stl), IGES (Initial Graphics Exchange Specification, .igs, .iges) oraz DXF (Drawing Interchange Format .dxf). Tego typu formaty zapewniają przynajmniej częściową przenoszalność projektu pomiędzy różnymi środowiskami, z reguły wiążą się jednak z utratą części danych, specyficznych dla danego środowiska pracy (w przeciwieństwie do formatów natywnych). Należy również liczyć się z tym, że eksport/import tych formatów nie zawsze przyniesie rezultaty zgodne z oczekiwanymi i niektóre elementy projektu wyglądać będą nieco inaczej niż w pliku źródłowym.

Większość aplikacji CAD ma format natywny, który jest domyślnym rozszerzeniem plików projektowych. Format ten z reguły nie jest w żaden sposób kompatybilny z innymi rodzajami oprogramowania, za to zapewnia najwyższą wydajność oraz możliwość skorzystania z wszystkich funkcjonalności oferowanych przez środowisko pracy. Przykładowe formaty natywne to m.in. .dwg (dla AutoCAD), .sldprt/.sldasm (dla SolidWorks), .CATPart/.CATProduct (dla CATIA V5), czy .SchDoc/.PcbDoc (dla Altium).

Popularne programy typu CAD

Współcześnie oprogramowanie typu CAD obecne jest w niemal wszystkich branżach związanych z wytwarzaniem jakichkolwiek produktów. Wspiera pracę inżynierów oraz projektantów w całym cyklu projektowym. Poniżej przedstawiono krótki opis kilku popularnych programów CAD – niektóre z nich przeznaczone są do szerokiej gamy zastosowań, zaś inne dedykowano dla konkretnych branż.

AutoCAD to jeden z najstarszych i najbardziej popularnych programów typu CAD, jego historia sięga początku lat 80. XX wieku. Jest powszechnie stosowany w przemyśle oraz budownictwie. Wspiera tworzenie modeli 2D oraz 3D. Cechą charakterystyczną AutoCAD jest możliwość stosowania specjalistycznych nakładek, przeznaczonych dla poszczególnych branż. Dzięki otwartej architekturze możliwe jest również tworzenie własnych nakładek, z czego korzysta wiele firm projektowych i produkcyjnych.

Oprogramowanie Solidworks przeznaczone jest głównie do tworzenia trójwymiarowych modeli obiektów, aczkolwiek może pracować również z modelami 2D. Pozwala na tworzenie modeli złożeniowych, rysunków technicznych, symulacji ruchu i obciążenia, a także animacji. Zostało zaprojektowane do pracy z systemami sięgającymi kilkunastu tysięcy elementów. Często wykorzystywane do projektowania narzędzi i form przemysłowych.

CATIA to jeden z najbardziej wszechstronnych i rozbudowanych środowisk typu CAD. Pozwala w pełni zarządzać i kontrolować całym cyklem życia produktu. Jest bardzo popularne w przemyśle lotniczym oraz motoryzacyjnym. Do użytkowników tego systemu zaliczyć można takie koncerny jak Being, Airbus, NASA, Volkswagen oraz Lockheed Martin.

Altium to środowisko stworzone z myślą o projektowaniu obwodów drukowanych oraz układów elektronicznych. Pozwala m.in. na tworzenie schematów elektrycznych oraz rysowanie mozaiki ścieżek PCB. Umożliwia też generowanie BOM, plików produkcyjnych oraz trójwymiarowe modelowanie obwodu wraz z umieszczonymi na nim komponentami. Oprogramowanie do tego celu często nazywa się "CAD-em elektrycznym", aby odróżnić jego funkcjonalność od "CAD-a mechanicznego". Inna nazwa to oprogramowanie EDA (Electronic Design Automation). Producentami programów EDA są ponadto Cadence Design Systems, Mentor Graphics, Synopsis.

FreeCAD to oprogramowanie typu open source, które pozwala na generowanie dwu- oraz trójwymiarowych modeli dla wielu obszarów zastosowań, jak np. mechanika oraz architektura. Dzięki temu, że jest darmowe, jest często wybierane w niewielkich projektach lub podczas nauki.

Zastosowania

Jak już wspomniano, oprogramowanie CAD znajduje zastosowanie w zasadzie w każdej branży związanej z wytwarzaniem, projektowaniem oraz konstrukcją dowolnych obiektów. Poniżej przedstawiono i pokrótce omówiono użyteczność CAD w wybranych obszarach.

Zarówno poszczególne podzespoły, jak i całe pojazdy, takie jak samochody osobowe, ciężarówki, samoloty, a nawet promy kosmiczne są wstępnie projektowane oraz prototypowane za pomocą CAD. Model stworzone w tego typu programach mogą być poddawane symulacjom pod kątem wytrzymałości struktury, właściwości aerodynamicznych, bezpieczeństwa oraz wielu innych aspektów. To wszystko zaś możliwe jest do realizacji przed konstrukcją jakiegokolwiek fizycznego prototypu. CAD jest również wykorzystywane w automatyzacji procesów produkcyjnych, służąc m.in. do generowania dokumentacji produkcyjnej.

Plany architektoniczne i budowlane to szczególny rodzaj rysunku technicznego. CAD znacząco ułatwia wykonywanie tego typu dokumentacji – przykładowo, umożliwia generowanie rozkładu pomieszczeń na poszczególnych piętrach oraz przekroju budynku na podstawie uprzednio stworzonego trójwymiarowego modelu konstrukcji. Pozwala przy tym na zachowanie skali oraz geometrycznych proporcji poszczególnych pomieszczeń. Podobnie jak w przypadku zastosowań przemysłowych, konstruktorzy budynków i innych obiektów budowlanych mogą wykorzystać modele do różnego rodzaju testów i symulacji, np. pod kątem wytrzymałości ich struktury na obciążenia, efektywności energetycznej czy wymagań dotyczących oświetlenia wnętrz.

W przypadku obiektów inżynierii lądowej dużym benefitem jest również możliwość odwzorowania otoczenia projektowanej instalacji, np. odwzorowanie topografii terenu wokół mostu lub drogi, a także symulacji wpływu konstrukcji na to środowisko.

Branża medyczna korzysta z CAD m.in. w celu projektowania różnego rodzaju protez, implantów oraz innych produktów wymagających dostosowania do indywidualnych potrzeb pacjentów.

Jak już wielokrotnie wspomniano, CAD pozwala projektować zarówno całe maszyny i systemy, jak również poszczególne ich części. Stworzony model można zaś poddawać testom pod kątem wytrzymałości, wydajności oraz funkcjonalności. Większość środowisk CAD umożliwia generowanie danych dla maszyn CNC oraz drukarek 3D, co pozwala na szybkie uruchomienie produkcji projektowanych komponentów.

Podsumowanie

Oprogramowanie CAD stanowi współcześnie nieodzowny oraz kluczowy element każdego nowoczesnego procesu produkcji, bez względu na to, czy jest to produkcja mebli, czy też promu kosmicznego. Programy te ułatwiają, przyspieszają oraz optymalizują pracę inżynierów, przyczyniając się wydatnie do poprawy jakości produktu końcowego oraz bezpieczeństwa i komfortu jego użytkowników. Pozwalają również redukować koszt procesu projektowania i produkcji, ponieważ ograniczają konieczność przygotowywania kosztownych i z reguły czasochłonnych prototypów, do minimum skracają też czas potrzebny na wprowadzenie zmian, korekt i modyfikacji.

Programy CAD pozwalają nie tylko na tworzenie dwu- oraz trójwymiarowych modeli projektowanych obiektów, lecz stanowią z reguły rozbudowane środowisko projektowe stworzone z myślą o zarządzaniu całym cyklem życia produktu – od etapu prototypu, poprzez przygotowanie dokumentacji i procesu produkcyjnego, aż po różnego rodzaju testy, symulacje oraz animacje i wizualizacje, które mogą być wykorzystywane w celach marketingowych.

Damian Tomaszewski