Autodesk Fusion 360: комплексный подход к цифровому производству

В последнее время мы все чаще слышим дискусcии на тему четвертой промышленной революции или, как её еще называют, Индустрии 4.0 (термин, пришедший к нам из Германии). Много разговоров ведется вокруг её актуальности и темпов распространения в мире, включая Россию. В 2011 году Индустрию 4.0 определили как «средство повышения конкурентоспособности обрабатывающей промышленности Германии через усиленную интеграцию киберфизических систем в заводские процессы». Если говорить об основных явлениях, сопутствующих развитию четвертой промышленной революции, то это, прежде всего, дальнейшее развитие облачных сервисов, аддитивных технологий и средств для цифрового производства, инструментов виртуальной и дополненной реальности, систем машинного зрения и, конечно же, искусственного интеллекта.

Для сохранения конкурентоспособности многие компании сейчас развиваются в перечисленных направлениях, вкладывая значительное количество средств в инновации. В свою очередь, Autodesk может предложить свои решения почти для каждой из этих технологий. Ярким примером служит программное обеспечение Autodesk Fusion 360 – САПР нового поколения, которая представляет собой комплексный облачный CAD/CAM/CAE-инструмент для 3D-проектирования и разработки изделий. Fusion 360 объединяет возможности совместной работы, цифрового проектирования, инженерного анализа и подготовки изделия к производству в одном пакете. В процессе его создания команда разработчиков руководствовалась ключевыми технологическими трендами в промышленной индустрии. Кроме того, были учтены основные запросы пользователей: облачные сервисы и мобильный доступ к проекту, простые в использовании инструменты моделирования, высокая скорость подготовки документации и возможность подготовки модели к выпуску на станках с ЧПУ и 3D-печати, высококачественная визуализация и возможность проведения расчетов.

Бытует ошибочное мнение, что Fusion и Inventor – это два аналогичных продукта. Если говорить упрощенно, то Inventor – это решение для промышленного проектирования, обладающее мощным набором инструментов для работы с большими сборками вплоть до масштабов проектирования уровня производственных цехов. А Fusion 360 – решение для проектирования в основном потребительских товаров, то есть объектов меньших масштабов, но с большим вниманием к мелким деталям и дизайну. К тому же, с учетом его игры в более демократичном ценовом сегменте, сегодня Fusion является оптимальным решением для малых и средних предприятий, открытых к современному подходу к САПР в аспекте хранения результатов своих работ в облаке. Кроме этого, решение является бесплатным для образовательных учреждений – так же, как и прочие продукты компании Autodesk.

От совместной работы в облаке до загрузки файлов других САПР

Если говорить о том, какие форматы файлов можно открыть в системе Fusion 360, то на данный момент она готова принять модели от основных игроков на рынке САПР. При этом Fusion 360 обладает интересной особенностью – после загрузки файла можно попросить программу распознать операции, с помощью которых было смоделировано тело в исходной системе. Естественно, стопроцентное распознавание не всегда возможно. Тем не менее, с этой функцией имеет смысл поэкспериментировать. Здесь стоит также упомянуть о возможности сохранения файлов локально – на жесткий диск компьютера, на котором работает инженер. Сохранять модель можно в «родном» формате Fusion 360 и в нейтральных форматах – например, IGES или STEP. Отдельно отмечу возможность сохранения файлов в формате STL – они пригодятся при подготовке моделей к 3D-печати. Всё это можно сделать, используя инструмент экспорта непосредственно в среде Fusion 360. Кроме того, сервис Fusion Team позволяет получить дополнительную порцию форматов для выгрузки – например, файлов Inventor 2016, DWG, SketchUP и др. Эскиз, созданный в среде Fusion 360, можно сохранить в формат DXF, вызвав на нём в браузере контекстное меню. При выгрузке сборки в «родном» формате Fusion 360 на локальный ПК, вся структура сохраняется одним файлом.

Моделирование твердых и сетчатых тел для подготовки к 3D-печати

В дополнение к этому Fusion 360 предлагает набор инструментов для работы с сетчатыми телами, сведенный в отдельный модуль Mesh. Этот функционал позволяет преобразовывать обычные твердые тела в сетчатую структуру, инвертировать нормали полигонов сетки при необходимости, закрывать открытые поверхности сетчатой модели, оптимизировать сетчатую структуру изделия, увеличивая или уменьшая количество полигонов, сглаживать сетку и удалять объекты сетчатой модели, которые нам не нужны и т.д. Все перечисленные операции становятся актуальными в случае подготовки моделей к 3D-печати при отсутствии под рукой специализированного программного обеспечения – например, Autodesk Netfabb.

Немного теории. При подготовке моделей к 3D-печати наиболее частыми ошибками являются следующие.

Инвертированные нормали сетки

Проблема «незакрытой» полигональной сетки или «меш с дырками»

Нахлёст полигонов

Общие и совпадающие ребра сетки

Допустим, у нас есть CAD-модель – статуэтка кошки с подставкой, – которую мы хотим напечатать на 3D-принтере. Подставка выполнена как обычное твердое тело, фигурка – изначально сетчатая. Для отправки модели на печать статуэтка должна представлять из себя единое тело. Fusion 360 позволяет преобразовать подставку в «сетку», после чего объединить оба тела в одно. Единственный нюанс – в этом случае подставка будет избавлена от истории её построения. Далее мы обнаруживаем, что в модели присутствуют инвертированные полигоны, а также есть незакрытые поверхности, например, на тыльной стороне основания. Fusion 360 дает возможность с помощью двух функций инвертировать полигоны в нужную сторону и «зашить» открытую поверхность. Следующее, что нас может не устраивать – топология сетки. Допустим, мы хотим увеличить или уменьшить количество полигонов или просто оптимизировать структуру сетки, сгладив её. Программное обеспечение позволит нам сделать и это. Как видно на скриншоте, до оптимизации структура сетки была достаточно хаотичной, после – треугольники выстраиваются структурированно. Таким образом, используя набор инструментов Fusion 360, мы можем привести эту модель в порядок.

Генеративный дизайн и возможности оптимизации изделия

Функционал нелинейного анализа и симулятора событий на данный момент доступен в режиме предварительного просмотра. Для проведения расчетов используется решатель Nastran. Помимо этого, вскоре «на испытательном сроке» должны появиться инструменты генеративного дизайна (порождающее проектирование или синтез форм – можно встретить и такие названия). Некоторым этот функционал может быть известен под названием Project Dreamcatcher – как следующее поколение САПР, которое способно самостоятельно создавать конструкцию будущего изделия, основываясь на исходных параметрах (граничных условиях), изначально заданных инженером. После получения этих данных система анализирует и прорабатывает их, возвращая несколько возможных вариантов исполнения. В результате проектировщик получает ответы в формате готовых геометрических решений. Таким образом, можно говорить о том, что конструкция изделия уже не создается непосредственно инженером, а определяется программой на основании изначально заданного человеком проектного намерения. При этом у проектировщика появляется возможность выбора альтернативных решений из нескольких предложенных программой вариантов.

Итак, основой для оптимизации служит исходная 3D-модель и ряд начальных условий, которые определяются последовательно набором инструментов, представленными в ленте данного вида анализа. Для начала определяем материал нашего изделия. Если мы его уже задавали изначально при построении детали, он может быть просто унаследован с этого этапа. В качестве альтернативы можно определить другой материал в рамках проведения оптимизации. Далее указываем закрепление нашей детали путем наложения ограничений и прикладываем нагрузку в нужном месте. Функция Shape Optimization позволяет указать зоны изделия, которые не будут затронуты в ходе топологической оптимизации. После этого нам предлагается определить, на сколько процентов мы хотим снизить массу нашего изделия. Естественно, на данном этапе необходимо учитывать реальные условия эксплуатации будущего изделия и объективно оценивать возможное снижение по массе. Далее при необходимости мы можем поменять настройки сетки – и остается лишь запустить решение нашей задачи. Как упоминалось ранее, данный вид расчета выполняется в облаке. После его завершения обе геометрии (исходная и оптимизированная) будут представлены в наложенном друг на друга виде. Исходную модель необходимо будет доработать, удалив излишки материала в соответствии с предложенным вариантом. Также стоит провести дополнительный прочностной анализ конечной версии конструкции – это позволит убедиться в том, что изделие соответствует реальным условиям его эксплуатации.

Fusion 360 для подготовки производства изделия

Сам процесс подготовки изделия к производству – стандартный: определяем нашу заготовку, выбираем операцию и соответствующий инструмент, профиль, который мы хотим обработать, при необходимости указываем дополнительные параметры обработки, затем применяем наши настройки и получаем траекторию инструмента. После задания всех обрабатываемых поверхностей нашей будущей детали получаем управляющую программу.

В заключение

• Имеется функционал работы с поверхностями, близкий к тому, что мы привыкли видеть в системе Inventor. Для таких целей предназначен модуль Patch. Инструменты этого модуля позволяют создавать тела или компоненты с помощью поверхностей нулевой толщины, а также позволяют «зашивать» открытые поверхности в том числе по построенным эскизам, что может быть полезно при необходимости устранения дефектов модели.
• Доступны библиотеки материалов с возможностью их редактирования, копирования, наполнения, применения на модели, что в итоге обеспечивает получение реалистичных изображений. После применения настроек визуализации на созданное изделие можно настроить освещение сцены, а также определить окружение по необходимости. После завершения всех манипуляций запускается процесс рендеринга, который возможно выполнить как локально, так и в облаке. Характеристики полученного изображения определяются преднастроенными параметрами либо задаются вручную. За создание реалистичной визуализации в продукте Fusion 360 отвечает модуль Render.
• Модуль Animation позволяет создавать анимацию сборки и разнесенные виды. При этом разнесение выполняется как в ручном, так и в автоматическом режиме. После создания такого вида возможен его перенос на поле чертежа.
• Поддерживается оформление чертежей. Преднастроенных библиотек для выполнения конструкторских документов по ГОСТу пока нет. Тем не менее, можно отредактировать подложку чертежа. То же касается и библиотек стандартных изделий. Стандартные элементы доступны в иностранных онлайн-библиотеках – по ссылке непосредственно из Fusion 360.
• Модуль работы с листовым металлом представлен функционалом Sheet metal. Еще недавно его инструменты предлагались только в ознакомительном режиме, но с 8 августа 2017 года они стали доступны всем пользователям. Принцип работы аналогичен тому, что мы привыкли видеть в стандартных CAD-системах: задаются параметры гибки листа и производится формирование изделия. После создания детали возможно получение развертки относительно заданной плоскости с последующим переносом на поле чертежа и генерацией таблички, которая показывает основные параметры гибки.