Co přináší nasazení 3D CAD a 3D CAM
Není to tak dávno, co byly s velkou slávou do konstrukčních oddělení nasazovány různé dvourozměrné systémy CAD, tedy 2D CAD (Computer Aided Design). Dnes je již ale standardem práce v trojrozměrném prostoru, tedy v systémech 3D CAD. Tohle softwarové řešení ovšem zdokonaluje pouze práci konstruktéra. Pro zdokonalení procesů výroby slouží systémy pro počítačem podporovanou výrobu CAM (Comuter Aided Manufacturing), které rovněž již nyní pracují ve dvou- či trojrozměrném systému.

Obr. 1 Proces vývoje výrobku při použití klasických systémů CAD a CAM

Nasazení systémů 3D CAD a CAM urychlí a zjednoduší práci konstruktéra, který může názorně představit to, co právě tvoří. Na sestavě výrobku, kde se vyskytují různé typy součástí (obráběné, plechové, plastové, spojovací materiál apod.), si názorně ověří vzájemnou bezkolizní funkčnost a smontovatelnost. Předem zjistí informace o hmotnosti, těžišti, ploše, průřezu atd.

Software pro řízení obráběcích strojů
Jakmile se konstruktér pomocí systému 3D CAD dopracuje k finální podobě dílu, předává jej dál do přípravy výroby programátorovi CNC (Computerized Numeric Control). Také aplikace CNC, které patří do kategorie CAM, pracují dnes běžně v trojrozměrném prostoru, takže programátor má k dispozici stejné výhody jako konstruktér. Na prostorovém modelu se lépe orientuje, má možnost nadefinovat způsob upnutí polotovaru, čímž předejde kolizím nástroje s upínkami, a hlavně je schopen obrábět obecné plochy, které dříve bez softwarového vybavení řešili specialisté na výpočty a nebo vůbec řešeny nebyly.

Expertní softwarové aplikace
Obecně je snahou, aby bylo přeneseno co nejvíce zkušebních a ověřovacích operací do virtuální roviny. Cílem je, aby byly „na počítači“ vyřešeny všechny vývojové operace a všechny problémové oblasti při zavádění výrobku do výroby . To přispěje k tomu, aby výroba včetně záběhu prototypu proběhly hladce, bez komplikací.
Pro tyto účely bylo vytvořeno spousta expertních softwarových aplikací, které slouží k různým analýzám nebo zjednodušují vytváření požadovaného modelu. Poté, co je pomocí softwaru vytvořen trojrozměrný model a následně jiným softwarem program pro stroj CNC, následuje program pro analýzu vytvořeného programu. Analýza zjistí, zdali jsou všechny plochy bezezbytku obrobeny, nebo naopak jestli nedochází někde k nežádoucímu úběru materiálu. Dále lze při tvorbě produktu navázat softwarem pro simulaci chování virtuálního stroje CNC. Ten se uplatní při zavádění nového výrobního programu, kdy je třeba znovu naprogramovat linku a tím dochází k velmi nákladným prostojům. Právě softwarové řešení pro simulaci chování celé linky prostoje minimalizuje, protože pomocí něj lze odstranit veškeré nedostatky programu CNC. Takové řešení se vyplatí nejen u rozsáhlých výrobních linek, ale i u standardních strojů CNC nebo například u pětiosého frézovacího centra, kde se pomocí něj předejde kolizi pohyblivých částí.
Třešinkou na dortu je software pro optimalizaci programu CNC, který sleduje průřez třísky a vzhledem k tomuto průřezu automaticky upravuje řezné podmínky. Tím se dosáhne delší trvanlivosti břitu nástroje, vyšší kvality obrobeného povrchu a hlavně zkrácení času obrábění. Vlastní proces obrábění je vždy nastaven na tu nejkritičtější hodnotu, ale ten zabírá jen 50 % celkového času obrábění. Zbývající polovina času připadá na pojezdy. Když se optimalizací podaří snížit pojezdy na polovinu, lze ušetřit 25 % celkového času obrábění. Za rok to musí být slušná částka, včetně ušetřených výdajů za nástroje a dokončovací práce mechaniků.
V oblasti lisování plastů lze využít softwarového řešení pro simulaci tečení plastu v modelu, případně ve formě. Společnosti vyvíjející takové systémy nenechávají nic náhodě – lze zvolit libovolné místo vtoku, sledovat plnění modelu v závislosti na čase, zjistit místa studených spojů, předpokládaných vzduchových bublin, spektrálně sledovat průběh teploty během plnění dutiny atd. Pro simulaci je možné zvolit z rozsáhlé nabídky konkrétní plast a určit jeho mechanické vlastnosti empiricky ověřené přímo výrobcem. Stejné analýzy lze provádět přímo na formě, což je výhodné zejména tehdy, jedná-li se o víceotiskovou formu.
Existují také aplikace pro sestavení formy na lisování plastů, které obsahují stále se aktualizující rozsáhlé databáze různých výrobců komponent forem. Návrhář pouze zadá základní rozměry součástí formy, umístí tvarové vložky, doplní trasy chlazení, ohřevu, další konstrukční prvky. Systém je natolik automatizovaný, že vygeneruje celkovou sestavu, jednotlivé modely pro následnou tvorbu programů CNC, základní pohledy na výkrese a kusovník. A to vše v trojrozměrném názorném zobrazení.
Pro lití do pískových forem nebo obecně odlévání kovů jsou k dispozici softwarová řešení simulující zatékání kovů. Jejich použití je podobné jako u systémů pro analýzu forem na vstřikování plastů.

Obr. 2 Systém PLM umožňuje překrývání jednotlivých fází vývoje výrobku

Výpočetní softwarové systémy
Dále se při vývoji výrobků a jejich zavádění do výroby uplatní četné výpočetní softwarové systémy, které provádějí velké množství různých analýz, například pevnostní analýzy jednotlivých součástí nebo celých skupin. Takto lze předem vyhodnocovat a optimalizovat strukturální chování výrobků, teplotní chování dílů a sestav v různých oblastech přestupu a vedení tepla. Podle přepokládaného provozního zatížení, vlastností materiálu a životnosti lze stanovit, jaký počet pracovních cyklů součást snese, než dojde k poškození únavovým lomem atd.
Takto zjištěné údaje je možné následně využít jako vstupní informace pro zadání okrajových podmínek pro optimalizaci tvaru modelu. Jedná se systémy pro modelování chování prostředí (behavioural modeller). Tyto systémy umožňují provázat tvar modelu CAD s jakýmikoli technickými výpočty a sledovat vliv tvaru modelu na funkčnost, životnost, polohu těžiště, změnu proudění atd. Vhodným zadáním lze dosáhnout optimalizace tvaru. Výsledkem je optimální tvar výrobku, který je kompromisem mezi sledovanými vlastnostmi součásti.

Úskalí komunikace
Široké nasazování programů pro navrhování, simulaci a optimalizaci produktů je spojeno se zásadním problémem, a tím je komunikace. Odborníci umí většinou řešit jen dílčí část vývoje výrobku, a proto si musí předávat si data. Konstruktér vytvoří model součásti, pak potřebuje ověřit pevnost dílu, a nakonec jej předá „výpočtáři“. Vzhledem k tomu, že každý z nich používá software od jiného výrobce, musí použít společné komunikační rozhraní, stejný formát zápisu 3D modelu. Nejznámější, ale také nejstarší formát 3D dat, je zřejmě IGES, který je však již překonaný. Používají se modernější formáty VDA nebo STEP. Při předávání dat mohou nastat dva problémy. Buď se vyexportovaný model nepodaří do druhého softwarového systému načíst v pořádku, nebo oba systémy nemají společný formát ke komunikaci. První problém se dá vyřešit opravou modelu, což je řešení pracné a ne vždy musí být stoprocentní. Druhý problém je většinou možné vyřešit doinstalováním potřebného rozhraní, s čímž jsou spojené finanční výdaje.
Problém s přenosem dat zůstává neřešen již spoustu let a výrobci zachovávají stále stejnou licenční politiku. Proto se nabízí řešení PLM (Product Lifecycle Mangement), které umožňuje používat jeden základní software, který pokrývá veškeré části  v řízení životního cyklu výrobku, příp. nabaluje na sebe některé expertní softwary, ale hlavně plně odstraňuje všechny problémy s přenosem dat a navíc zefektivňuje komunikaci mezi jednotlivými uživateli.

Vývoj a výroba produktu v prostředí PLM
Prostředí PLM zajišťuje horizontálně i vertikálně provázaný tok informací nezbytných při vývoji výrobku a dovoluje sledovat informace vznikající v libovolné fázi života výrobku. Jak probíhá vývoj a výroba výrobku v prostředí PLM? Z marketingové studie vzejde popis toho, co si trh žádá. Tím je odstartován nový projekt v daném podniku. Zadání se dostane k návrháři, jenž navrhne skicu studie. Tyto návrhy provádí už v prostředí PLM. Výsledkem jeho práce mohou být dvourozměrné obrazy nebo trojrozměrné modely. Po schválení převezmou úkol pracovníci konstrukce, využijí již hotových studií a postaví v hrubých rysech základní model. V této fázi se jedná spíše o rozdělení pracovního prostoru. Vedoucí konstruktér navrhne rozložení skupin a přiřadí příslušné pracovní prostory konstruktérům, kteří budou za dané skupiny odpovídat. Výsledkem je zjednodušení komunikace mezi konstruktéry – každý má představu o prostoru, do kterého se musí vejít, neboť při následném skládání sestavy nelze udělat chybu. Pokud konstruktér zjistí, že má k dispozici prostoru málo, vedoucí projektu sám zodpovědně upraví rozdělení pracovního prostoru. Tuto změnu pouze oznámí, ale faktická změna tvaru prostoru se aktualizuje automaticky uvnitř softwarové aplikace.
Jakmile jsou jednotlivé součásti hotovy, jsou „předány“ do oddělení technologie a odtud odcházejí do přípravy výroby. Tento postup je standardním procesem vývoje a výroby výrobku, k němuž v různých obměnách dochází v každé společnosti. Pokud však probíhá v prostředí PLM, vyznačuje pružným předáváním dat mezi jednotlivými odděleními pomocí třírozměrných modelů. Usnadnění toku informací je na prostředí PLM to nejdůležitější a přináší obrovskou výhodu v provádění změnových řízeních. Jakmile se dohodne změna na výrobku, konstruktér ji zapracuje, a protože všichni navazují na společný model, automaticky se upraví všechny navazující operace až do vlastní výroby výrobku. Tato vlastnost se nazývá „jednotná databáze“. Konstruktér vytvoří model, formař použije stejný model k vytvoření otisku formy a technolog použije otisk pro vygenerování drah nástroje. Jakmile konstruktér provede modifikaci modelu, formaři se automaticky upraví tvar otisku formy a technologovi se automaticky upraví dráhy nástroje. Velmi jednoduché a velmi efektivní.
Obr. 1 ukazuje postup vývoje  produktu při použití klasických systémů CAD a CAM. Operace následují jedna za druhou. Při změnách v návrhu výrobku dochází ke smyčce, která se opakuje, dokud není produkt v pořádku. Při použití PLM (obr. 2) se proces zrychluje překrýváním jednotlivých fází. Z obr. 2 je zřejmé, že řešení PLM může, ale nemusí být doplněno expertními systémy. Všechny fáze vzniku nového výrobku jsou systémem PLM zaznamenávány, což umožňuje mít celý proces pod kontrolou, dohledat veškeré informace pro různé analýzy. Papírový výkres je již odsunut na úroveň doplňkové informace, která se tvoří až v závěrečných fázích projektu. Sice bude ještě chvíli trvat, než bude papír kompletně nahrazen, prozatím slouží k předávání informací na dílně nebo montáži.

Pavel Vojtěšek