ewolucja komputerowego wspomagania w procesie projektowo

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 53, ISSN 1896-771X
EWOLUCJA KOMPUTEROWEGO
WSPOMAGANIA W PROCESIE
PROJEKTOWO-KONSTRUKCYJNYM
OPAKOWAŃ SZKLANYCH
Sylwester Oleszek1a
1
a
Pol-Am-Pack S.A.
[email protected]
Streszczenie
Celem pracy jest przegląd rozwoju technik komputerowego wspomagania w procesie projektowokonstrukcyjnym opakowań szklanych, począwszy od najprostszych programów dwuwymiarowych, poprzez
trójwymiarowe, systemy PDM, aż po najbardziej zaawansowane systemy projektowania opartego na wiedzy
KBE.
Słowa kluczowe: CAx, PDM, opakowania szklane, KBE
EVOLUTION OF THE COMPUTER AIDED TECHNIQUES
OF DESIGNING GLASS CONTAINERS
Summary
The purpose of this paper is to trace the development of the computer aided techniques of designing glass
containers from its earliest 2D forms, through more advanced 3D, next PDM systems, to the present the most
advanced knowledge based engineering systems KBE.
Keywords: CAx, PDM, glass containers, KBE
1. WSTĘP
Konstruowanie opakowania szklanego jest tylko
jednym z etapów procesu rozwoju nowego produktu
(ang. New Product Development, NPD), jednak jest to
etap
najważniejszy.
To
właśnie
w
procesie
konstruowania należy bowiem uwzględniać aspekty
wszystkich kolejnych etapów jego istnienia [5], a więc
przede wszystkim względy marketingowe, ekonomiczne,
technologiczne, produkcyjne i logistyczne. Wszystkie
powyższe względy uogólnić można do dwóch
czynników, z których wypływają wszystkie inne,
a które mają decydujący wpływ na ostateczną postać
opakowania: funkcja, jaką ma pełnić opakowanie oraz
ograniczenia technologii produkcyjnej.
Funkcje spełniane przez opakowania to:
•
zabezpieczanie wartości użytkowej towaru
przed zepsuciem lub zniszczeniem (funkcja
ochronna),
promowanie produktów znajdujących się
wewnątrz opakowania (funkcja promocyjnosprzedażna),
•
umożliwienie przemieszczania, składowania
i użytkowania (funkcja organizacji pracy),
•
identyfikowanie i odróżnianie produktów
(funkcje:
informacyjna,
ekologiczna
i edukacyjna) [3].
Ograniczenia
technologiczne
uwarunkowane
są
głównymi cechami tworzywa, jakim jest szkło.
Zadaniem konstruktora pracującego nad nowym
produktem jest zatem pogodzenie wszystkich powyższych aspektów i utworzenie wirtualnej reprezentacji
opakowania będącej zbiorem geometrycznych cech
konstrukcyjnych oraz cech tworzywowych, które będą
odzwierciedlały jego strukturę zewnętrzną oraz wewnętrzną [2]. W celu osiągnięcia maksymalnej wydaj•
111
Ewolucja komputerowego wspomagania w procesie projektowo-konstrukcyjnym opakowań szklanych
ności konstruktor powinien mieć możliwość korzystania z wszelkich dostępnych metod i środków wspomagających proces konstruowania w tym również przyśpieszających podejmowanie decyzji.
2. RYS HISTORYCZNY METOD
PROJEKTOWANIA
ORAZ PROGRAMÓW CAx
STOSOWANYCH W PRZEMYŚLE
OPAKOWAŃ SZKLANYCH
Ręczne
tworzenie
dokumentacji
technicznej
opakowań szklanych przysparzało wielu problemów
i zajmowało czasami – w przypadku skomplikowanych
i grawerowanych wyrobów – bardzo dużo czasu.
Oprócz samego rysowania należało uporać się również
z obliczeniami pojemności (w przypadku nieokrągłych
opakowań stanowiło to czasami spore wyzwanie),
przyjęciem odpowiednich skurczów technologicznych,
wprowadzeniem pochyleń umożliwiających otwarcie
formy itd. (rys.1).
Rys.2. Rysunek wykonawczy butelki wykonany za pomocą
klasycznego programu CAD [archiwalne zbiory firmy Pol-AmPack S.A.]
Dopiero zastosowanie programów umożliwiających
tworzenie objętościowych modeli 3D stało się swego
rodzaju rewolucją. Po utworzeniu szczegółowego
modelu
geometrycznego
możliwe
stało
się
wszechstronne wielokrotne wykorzystanie go w wielu
innych obszarach projektowania i wytwarzania [1].
Dane, których nośnikami mogą być modele tworzone
przy wykorzystaniu systemów CAx, można podzielić
na cztery grupy:
•
dane graficzne, definiujące grafikę wektorową
2D i 3D,
•
dane geometryczne, reprezentowane przez
odpowiednie modele 2D (wymiary, rzuty,
adnotacje) lub 3D (modele powierzchniowe,
bryłowe, hybrydowe),
•
dane rysunkowe, które odnoszą się do
poszczególnych
rysunków,
zazwyczaj
wykonawczych lub złożeniowych,
Rys.1. Rysunek butelki wykonany manualnie [archiwalne
zbiory firmy Pol-Am-Pack S.A.]
Wprowadzenie wirtualnej deski kreślarskiej, czyli
pierwszych programów do projektowania, tylko
częściowo rozwiązało ten problem. Przyśpieszyło to
proces rysowania i umożliwiało szybkie dokonywanie
zmian, jednak z uwagi na fakt, że dokumentacje ciągle
wykonywane były tylko w 2D, inne niedogodności
pozostały (rys.2).
112
Sylwester Oleszek
dane
modelu
produktu,
zawierające
strukturę
produktu,
specyfikację
list
elementów
i indeksów
materiałowych,
warianty produktu, specyfikację zmian
konstrukcyjnych [1].
W przypadku opakowań szklanych bardzo łatwe
stało się przypisanie modelowi parametrów fizycznych
szkła (masa, gęstość) i w bardzo prosty sposób
odczytanie wartości objętości całkowitej ze szkłem,
objętości
mierzonej
do
poziomu
napełnienia
opakowania,
teoretycznej
grubości
ścianki,
maksymalnego
kąta
wywrotu,
skurczu
temperaturowego i wielu innych.
Wszystkie nowoczesne współcześnie stosowane
programy CAx w sposobie modelowania opierają się na
tzw. technice modelowania obiektowego (ang. Feature
Modelling), a mianowicie modelowania na podstawie
zorientowanych graficznie obiektów (ang. Feature
Based Modelling). W technice tej obiekty (ang.
Features)
są
określane
jako
grupa
cech
geometrycznych,
najczęściej
3D,
które
mają
specyficzne właściwości konstrukcyjne i technologiczne
[1]. Innymi słowy, są to predefiniowane elementy
postaci geometrycznej, które są umieszczane przez
system na modelu po zdefiniowaniu przez użytkownika
wymaganych parametrów (wymiarów, referencji) [4].
Drugą kluczową cechą nowoczesnych systemów
CAx jest możliwość modelowania na podstawie
techniki parametrycznej (ang. Parametric Modelling
Technique). Modelowanie parametryczne jest ściśle
powiązane z modelowaniem obiektowym – wiąże cechy
geometryczne zmiennymi konstrukcyjnymi i w ten
sposób pozwala nimi sterować. W ten sposób na
dowolnym etapie tworzenia modelu można zmienić
wcześniej utworzony wymiar lub parametr, a model,
złożenie oraz powiązane z nimi elementy zostaną
automatycznie zaktualizowane w celu uwzględnienia
wprowadzonych zmian. Ma to szczególnie duże
znaczenie podczas projektowania opakowań o bardzo
złożonej postaci. W niektórych sytuacjach nawet
niewielkie zmiany w początkowych cechach powodują
po
zaktualizowaniu
modelu
znaczną
zmianę
w pojemności opakowania.
Najbardziej
rozpowszechnionymi
w
branży
opakowań szklanych programami CAx są: Creo
Parametric oraz NX. Są one stosowane zarówno do
projektowania samych opakowań jak również
elementów formujących oraz innego oprzyrządowania.
Poza rozbudowanymi kompleksowymi możliwościami,
systemy CAx oferują bardzo dobre możliwości
wizualizacji poprzez wbudowane moduły służące do
renderingu, jak na przykład ARX (ang. Advanced
Rendering Extension) Creo Parametric. Ma to
szczególne znaczenie w rozwoju nowego projektu, gdyż
pozwala zaprezentować klientowi jak będzie wyglądało
nowe opakowanie i dzięki temu udaje się czasami
uniknąć potrzeby tworzenia prototypu. Na rys. 3
przedstawiono przykład wizualizacji modelu butelki
wykonanej z użyciem modułu ARX.
•
Rys.3. Przykład wizualizacji opakowania szklanego wykonanej
w nowoczesnym systemie CAx
Wraz z rozwojem funkcjonalności programów CAx
rozwijały się formaty zapisu i wymiany danych. Za
początek procesu normalizacji można uznać rok 1981,
kiedy to została zatwierdzona przez ANSI norma IGES
1.0 (ang. Initial Graphics Exchange Specification).
Drugim ważnym rokiem w tym procesie jest 1995,
gdyż wtedy utworzono normę ISO 13003, nazywaną
normą STEP (ang. Standard for Exchange of Product
Model Data), która określa zasady modelowania produktu i procesów jego wytwarzania za pomocą technik
CAx [1]. Obecnie formaty IGES oraz STEP są najważniejszymi i najbardziej popularnymi standardami
wymiany danych nie tylko pomiędzy programami
CAx, ale również pomiędzy wszelkimi innymi,
w których istnieje konieczność korzystania z modeli,
jak na przykład programy do edycji grafiki i video (3D
Studio Max, Maya, Rhino, Blender), programy AR
(ang. Augmented Reality), oprogramowanie do specjalistycznych symulacji rozkładu szkła w przedformie
i formie (NOGRID pintsBlow, Elfen GD) i wiele
innych.
3. SYSTEMY PDM
Kolejnym elementem, który wprowadził istotną
rewolucję do procesu konstruowania opakowań
szklanych, był rozwój systemów PDM (ang. Product
Data Management). Mimo iż rozwój tego typu
systemów
nastąpił
już
w
początkach
lat
dziewięćdziesiątych, to jednak powszechne ich
zastosowanie w biurach konstrukcyjnych hut szkła
rozpoczęło się stosunkowo niedawno. Dynamiczne
zmiany
na
rynku
objęły
również
przemysł
opakowaniowy. Coraz silniejsza konkurencja oraz
dążenie do coraz większego udziału w poszczególnych
segmentach rynku przez wprowadzanie nowych
produktów wymuszało skracanie cyklu ich rozwoju
oraz elastyczne dostosowywanie się do gustów
pojedynczego klienta [1]. Szczególnie wyraźnie można
to zaobserwować na przykładzie walki, jaka toczy się
np. pomiędzy przemysłem opakowań szklanych
113
Ewolucja komputerowego wspomagania w procesie projektowo-konstrukcyjnym opakowań szklanych
a opakowań PET i puszek aluminiowych, jak również
w dywersyfikacji butelek na piwo, jaka dokonała się
w ostatnich latach. Oprócz tego, że praktycznie każdy
liczący się na rynku browar posiada swoje własne
opakowanie, to te największe posiadają po kilka
zastrzeżonych wzorów opakowań przeznaczonych na
flagowe produkty. Trudno wyobrazić sobie, że przecież
jeszcze 6 – 7 lat temu istniało na naszym rynku
zaledwie kilka standardowych butelek piwnych,
z których korzystały wszystkie browary.
Kolejnym czynnikiem był rozwój na płaszczyźnie
współpracy
producenta
wyrobu
finalnego
z poddostawcami i kooperantami. Często współpraca
taka rozszerza się na wspólne prace badawczorozwojowe [1], jak na przykład w przypadku
współpracy konstruktorów huty szkła z konstruktorami
i technologami dostawcy elementów formujących lub
współpraca projektantów huty szkła z agencją
projektową podczas
wypracowywania
koncepcji
kształtu nowego wzoru opakowania.
Ogromnego
znaczenia
nabrało
również
nadzorowanie
i zarządzanie
przebiegiem
oraz
organizacją pracy oraz wspomaganie podejmowania
decyzji przy wykorzystaniu technik CAx, co
zaowocowało najpierw określeniem istniejących,
a następnie utworzeniem precyzyjnych sposobów
przepływu informacji (najczęściej dokumentów)
pomiędzy poszczególnymi komórkami biorącymi udział
w jej przetwarzaniu w sposób, który można opisać
algorytmem. Pojawiła się także potrzeba pracy
grupowej nie tylko w obrębie jednego biura, ale
w obrębie korporacji, w której poszczególne biura
rozsiane są po całym kontynencie lub świecie.
Odpowiedzią na wszystkie te potrzeby były właśnie
systemy PDM, takie jak np. Teamcenter firmy
Siemens, Enovia od Dassault Systemes lub Windchill
stworzony przez PTC. Oprócz wyżej wymienionych
zalet okazały się one być remedium na wiele innych
problemów. Biura konstrukcyjne, szczególnie te
większe, zaczęły być zalewane coraz większą liczbą
projektów, co wiązało się z ogromną liczbą danych
w postaci modeli i rysunków, które dotychczas
składowane były w tradycyjnej papierowej formie.
Dodatkowym problemem okazała się kontrola nad
numeracją projektów oraz nad wersjonowaniem, czyli
rejestracją zmian rysunkowych i zatwierdzeń, co ma z
kolei wpływ na wyszukiwanie informacji. Przesył
i dostępność danych również okazał się być bardzo
ważny w aspekcie globalizacji i pracy grupowej.
Wszystkie te i wiele innych funkcji przejęły systemy
PDM. CIMdata Inc. tak klasyfikuje podstawowe
funkcje systemów PDM:
•
zapis, przechowywanie oraz zarządzanie
dokumentami
(ang.
Data
Vault
and
Document Management),
•
zarządzanie przebiegiem prac i procesów (ang.
•
•
•
•
•
•
•
Workflow and Process Management),
zarządzanie strukturą produktu (ang. Product
Structure Management),
klasyfikacja i wyszukiwanie informacji (ang.
Classyfication and Retrieval),
zarządzanie programami (ang. Programm
Management),
komunikacja
i
powiadamianie
(ang.
Communication and Notification),
przesyłanie i przetwarzanie danych (ang. Data
Transport and Translation),
przetwarzanie obrazu (ang. Image Services),
administracja
systemem
(ang.
Administration) [1].
4. PROJEKTOWANIE OPARTE NA
WIEDZY (KNOWLEDGE BASED
ENGINEERING)
Najnowszym osiągnięciem w dziedzinie procesu
projektowo-konstrukcyjnego w branży opakowań
szklanych jest zastosowanie systemów opartych na
wiedzy
KBE
oraz
modeli
autogenerujących
(stosowanych też w innych gałęziach przemysłu).
Zakłada się, że około 80% całkowitego czasu
potrzebnego na wykonanie projektu jest poświęcane na
działania rutynowe, natomiast zaledwie 20% na
działania twórcze, które mogą prowadzić do nowego
i lepszego
rozwiązania.
Wynika
z
tego,
że
implementacja metod prowadzących do odciążenia
konstruktora z zadań rutynowych i w rezultacie
skrócenia czasu poświęcanego na te działania
doprowadzi do zwiększenia czasu na działania
innowacyjne, co może spowodować polepszenie
rezultatów i wyników jego pracy.
W trakcie pracy nad modelem geometrycznym
opakowania szklanego do takich rutynowych zadań
można zaliczyć:
•
wygenerowanie wstępnego zarysu korpusu,
podstawy, piersi i szyjki opakowania,
•
definiowanie i tworzenie postaci zagłębienia
dna,
•
definiowanie i dodawanie do modelu danych
wejściowych i parametrów;
•
pobranie z bazy danych i dodanie do złożenia
zamknięcia,
•
dodanie oznakowania oraz kodu kropkowego
lub alfanumerycznego;
•
umieszczenie
na
modelu
elementów
dekoracyjnych,
•
graficzne oznaczanie poziomu napełnienia,
•
definiowanie typu i umieszczanie na modelu
moletki,
•
dodawanie do modelu pozycjonera.
W
tradycyjnej
metodzie
konstruowania
w trójwymiarowym systemie CAx użytkownik tworzył
114
Sylwester Oleszek
poszczególne elementy niezależnie od złożenia,
a następnie dodawał je do podzłożeń, aby finalnie
utworzyć złożenie końcowe. Często okazywało się, że
niektóre elementy nie pasowały do siebie idealnie
i wymagało to ręcznego dostosowania i korygowania
błędów. W dużych złożeniach wprowadzanie korekt
było pracochłonne i czasami po wykryciu znaczących
różnic w wymiarach (na przykład w wysokości całego
projektu) konstruktor musiał zlokalizować i dostosować
każdy komponent, na który miała wpływ różnica.
kompletny model wykonany z wykorzystaniem tego
szablonu na rys.6.
Modele wykonane tą metodą idealnie wpisują się
w koncepcję działania systemów PDM, gdyż wszystkie
wprowadzane przez konstruktora parametry używane
są w tych systemach jako kryteria wyszukiwania.
Dodatkowo w systemie PDM mogą być składowane
nie tylko gotowe produkty, ale również szablony do
projektowania, dzięki czemu dostęp do nich mogą mieć
wszystkie biura konstrukcyjno-projektowe organizacji.
Wprowadza to sytuację, w której zestandaryzowane
zostają techniki projektowe wewnątrz całej organizacji.
Kolejną zaletą jest perspektywa rozwoju na przyszłość
– wysoki poziom parametryzacji stanowi doskonały
punkt wyjścia do rozbudowy systemu KBE do projektowania opakowań o inne moduły, na przykład służące
do tworzenia wizualizacji, obliczeń MES, projektowania form lub optymalizacji.
5. PODSUMOWANIE
Ewolucja, jaką przeszedł proces projektowokonstrukcyjny opakowań szklanych na przestrzeni
kilkudziesięciu lat, wynika z wielu czynników.
Początkowo głównym powodem prowadzenia prac
badawczo-rozwojowych w tym kierunku była chęć
zmniejszenia liczby produkcji pilotażowych oraz zmian
w dokumentacji i narzędziach formujących po każdej z
nich. W miarę jak zmieniał się rynek i następowała
coraz
większa
dywersyfikacja
zamówień
oraz
zmniejszanie poszczególnych partii produkcyjnych
pojawiła się potrzeba skrócenia procesu projektowokonstrukcyjnego, co z kolei wpłynęło na powstawanie
większej
niż
przedtem
liczby
dokumentacji
technicznych, którą trzeba było zarządzać (składować,
oznaczać, wersjonować itd.). Rozpoczęły się pierwsze
dążenia standaryzacyjne. Coraz większa konkurencja
ze strony innych rodzajów opakowań, które posiadały
zalety, jakich nie posiada szkło, wyznaczyła nowe
kierunki rozwojowe w dziedzinie projektowania, które
trwają do dzisiaj – nieustanne dążenie do zmniejszania
masy opakowań (ang. lightweighting), coraz większe
wymagania
jakościowe
oraz
coraz
bardziej
zaawansowane kształty. Wszystkie te nowe dążenia
wymusiły doprowadzanie projektu do poziomu niegdyś
nieosiągalnego. Narastające procesy globalizacyjne
i szybki rozwój Internetu umożliwiły wymianę
doświadczeń i tworzenie się międzynarodowych
zespołów projektowych. Zaczęto gromadzić wiedzę,
przetwarzać ją i stosować w zupełnie nowy,
efektywniejszy sposób.
W przyszłości należy spodziewać się dalszego
rozwoju metod projektowania opartych na wiedzy, jak
również większego zaangażowania biur w rozwój
technik badań wytrzymałościowych opakowań na
etapie projektowania. Obecnie niekwestionowanym
liderem w tej dziedzinie jest amerykańska firma AGR
Rys.4. Tradycyjne (na górze) i nowe podejście KBE do
projektowania
W nowym podejściu konstruktor rozpoczyna proces
konstruowania od pobrania z głównego repozytorium
odpowiedniego do danego projektu szablonu w postaci
głównego
złożenia
zawierającego
wszystkie
podzłożenia, a następnie wprowadza podstawowe
informacje do projektu – dane wejściowe i parametry poprzez arkusz. Informacje te używane są do
sterowania całym złożeniem. Idea tradycyjnego oraz
nowego podejścia do projektowania przedstawiona
została schematycznie na rys. 4. Szablon stanowiący
punkt wyjścia do budowania modelu geometrycznego
zawiera szkielet konstrukcyjny w postaci krytycznych
dla projektu wymiarów, bazy do nadbudowy modelu
oraz strukturę cech.
Wszystkie
główne
zmiany
do
projektu
wprowadzane są z najwyższego poziomu złożenia, a
następnie automatycznie aktualizowane na całą
strukturę złożenia. W trakcie pracy nad projektem
konstruktor wychodząc od konceptu, wypracowuje
ostateczny
projekt,
uruchamiając
poszczególne
programy KBE i w ten sposób uszczegóławiając model,
a wszystkie zmiany na bieżąco są regenerowane i
przenoszone
do
niższych
poziomów
złożenia.
Przykładowy szablon pokazany został na rys.5, a
115
Ewolucja komputerowego wspomagania w procesie projektowo-konstrukcyjnym opakowań szklanych
(American Glass Research). Podejmowane są również
próby zwiększenia wpływu na wczesne etapy
powstawania projektu poprzez pogłębienie współpracy
z klientem, badanie trendów rynkowych oraz większe
niż dotychczas angażowanie konstruktorów w działania
marketingowe.
Rys.5. Przykładowy szablon służący do projektowania opakowań stanowiących bryły obrotowe (notacja programowa)
Rys.6. Model gotowego wyrobu wykonany z użyciem KBE (notacja programowa)
Literatura
1.
Chlebus E.: Techniki komputerowe CAx w inżynierii produkcji. Warszawa: WNT, 2000.
2.
Dietrych J.: System i konstrukcja. Warszawa: WNT, 1985.
3.
Hales C. F.: Opakowanie jako instrument marketingu. Warszawa: PWE, 1999.
4.
Shih R. H.: Parametric modelling with Creo Parametric 3.0. 2014, SDC Publications.
5.
Skarka W.: Metodologia procesu projektowo-konstrukcyjnego opartego na wiedzy. Monografia. Gliwice: Wyd.
Pol. Śl., 2007.
116