Techniki komputerowego wspomagania CAD (ang. Computer Aided Design) od wielu lat są nierozerwalnie związane z bardzo dynamicznym rozwojem przemysłu, a z każdą kolejną dekadą ich rola stale rośnie. Z systemów, które w pierwszych wydaniach były stosunkowo proste, bo stanowiły w zasadzie wirtualną deskę kreślarską, z czasem wykształciły się pakiety zaawansowanych narzędzi informatycznych. Mimo iż początkowo mogły korzystać z nich jedynie wybrane instytuty badawcze oraz największe i najbardziej rozwinięte korporacje, systemy CAD stopniowo upowszechniały się, zyskiwały coraz to nowsze funkcjonalności, a ich obsługa stawała się coraz łatwiejsza. Prawdziwa rewolucja nastąpiła jednak dopiero w dobie szybkiego Internetu i Przemysłu 4.0, gdyż to właśnie wtedy dynamicznie przekształciły się w zintegrowane z systemami klasy PDM oraz PLM wyrafinowane narzędzia, które oprócz możliwości opracowywania w środowisku wirtualnym kompletnej reprezentacji 3D produktu, wspierają w zasadzie wszystkie inne aktywności związane z szeroko rozumianym projektowaniem, konstruowaniem, cyfrowym prototypowaniem i przygotowaniem danych dla innych etapów cyklu życia produktu.
Komputerowe wspomaganie projektowania jako wstęp do PLM
Najważniejszym powodem dynamicznego rozwoju technik związanych z komputerowym wspomaganiem procesu projektowo – konstrukcyjnego jest nieustanne dążenie przedsiębiorstw do:
- redukcji czasu wykonywania wszystkich działań związanych z opracowywaniem i wprowadzaniem na rynek nowych produktów;
- skrócenia czasu wprowadzania zmian do istniejących produktów;
- łatwiejszego korzystania z istniejących zasobów wiedzy o produktach przedsiębiorstwa.
Współczesne systemy CAD oferują szeroki wachlarz możliwości w tym zakresie, począwszy od szybkiego wariantowania, poprzez możliwość przeprowadzania zaawansowanych obliczeń, aż do bogatych możliwości automatyzacji działań rutynowych i generowania w zasadzie nie tylko już nowych wersji modelu 3D, ale nawet kompletnej dokumentacji konstrukcyjnej.
Wyzwania przedsiębiorstw produkcyjnych w erze cyfrowej transformacji
Warto dodać, że obecnie wiele przedsiębiorstw, aby stawić czoła współczesnym wyzwaniom rynku i globalnej konkurencji, przyjmuje koncepcje zintegrowanego i zwirtualizowanego środowiska, którego częścią jest już nie jeden, lecz wiele systemów CAD od różnych dostawców, z których użytkownicy korzystają z miejsc rozsianych na całym świecie i zapisują dane do jednego rozbudowanego systemu służącego do zarządzania danymi o wszystkich produktach przedsiębiorstwa. Przy takiej koncepcji pracy ogromne znaczenie ma już nie tylko klasa samych systemów do projektowania, ale również sposób zarządzania ogromnymi ilościami danych, które przez te systemy są generowane w trakcie procesu projektowego. Tak więc, aby faktycznie mogły być zrealizowane najważniejsze założenia i koncepcje współczesnych przedsiębiorstw (którymi oprócz skrócenia czasu rozwoju nowego produktu, są również: poprawa jakości, skrócenie czasu dostawy i obniżenie kosztów) obecnie konieczne jest nie tylko posiadanie zaawansowanych narzędzi do projektowania, ale także efektywne zarządzanie danymi produktowymi. Ważne jest również właściwe zaprojektowanie i wdrożenie procesów związanych z obsługą tych danych, jak również zapewnienie dostępu do nich wszystkim uczestnikom procesu wdrożenia produktu, tak aby w każdym wymaganym momencie oraz we właściwym kontekście mogli z tych danych korzystać.
Czym jest CAD?
Istotą systemów do komputerowego wspomagania projektowania, potocznie zwanych systemami CAD, jest cyfrowe modelowanie geometryczne, mające na celu określenie postaci konstrukcyjnej wyrobu. Innymi słowy, systemy CAD umożliwiają utworzenie kompletnej i szczegółowej, trójwymiarowej, wirtualnej reprezentacji produktu. Posiadanie szczegółowego modelu 3D na bardzo wczesnym etapie rozwoju produktu (przed wytworzeniem fizycznego prototypu lub makiety) otwiera wiele możliwości. Modele 3D są powszechnie stosowane do tworzenia wizualizacji, realizacji przeróżnych testów, jak na przykład weryfikacji działania mechanizmów, kolizji, dopasowania, ale również do prowadzenia testów i obliczeń wytrzymałościowych, które umożliwiają właściwe dobranie materiałów i wymiarów tych elementów produktu, które są obciążone siłami i na przykład wpływają na bezpieczeństwo lub jego trwałość. W efekcie, stosując zaawansowane systemy CAD mamy możliwość realizacji bardzo wielu czynności i symulacji na bardzo wczesnymi etapie rozwoju produktu, co w efekcie umożliwia dużo lepsze jego zrozumienie, a więc wykrycie i wyeliminowanie potencjalnych błędów, znacząco lepszą optymalizację konstrukcji, a wszystko to jest możliwe do osiągnięcia przy dużo niższych nakładach finansowych i w dużo krótszym czasie.
Rosnące znaczenie systemów CAD w przemyśle i ich powiązanie z PLM
Systemy CAD są obecnie powszechnie stosowane w niemalże wszystkich branżach przemysłu, począwszy od motoryzacji, lotnictwa, poprzez architekturę i budownictwo, przemysł ciężki i maszynowy, przemysł odzieżowy, a na dobrach konsumpcyjnych i produktach wzorniczych skończywszy. W ostatnim czasie, z uwagi na dynamiczny rozwój i upowszechnienie się innowacyjnych technik wizualizacji, jak np. VR (ang. Virtual Reality) i AR (ang. Augmented Reality), oraz szybkiego prototypowania (ang. Rapid Prototyping), użycie systemów CAD stale rośnie i to już nie tylko w przemyśle, ale także wśród osób niezwiązanych z przemysłem, które odkrywają w tych systemach nowe możliwości realizacji pasji i wdrażania w życie pomysłów, które bez tych systemów nie były by możliwe.
Systemy klasy CAD należą do szerszej kategorii systemów zintegrowanego wytwarzania, nazywanych też ogólnie CAx (ang. Computer Aided x), do której oprócz CAD należą również systemy klasy CAE (ang. Computer Aided Engineering) oraz CAM (ang. Computer Aided Manufacturing). Jeżeli natomiast spojrzymy na całość z szerszej perspektywy, to systemy CAx poprzez integrację z modułami PDM są częścią systemów PLM. Wszystkie te narzędzia ujęte razem, jako spójna całość tworzą źródło informacji o produkcie w trakcie całego cyklu jego życia i stanowią swoisty kręgosłup danych produktowych każdej organizacji (ang. Product Data Backbone).
Klasyfikacja systemów CAD
Biorąc pod uwagę zakres wspomagania prac inżynierskich i stopień ich zaawansowania systemy CAD można podzielić na oprogramowanie[1]:
- niskiego poziomu (ang. low-end),
- oprogramowanie średniego poziomu (ang. mid-range),
- oprogramowanie wysokiego poziomu (ang. high-end).
Oprogramowanie niskiego poziomu
Oprogramowanie niskiego poziomu obejmuje narzędzia ułatwiające tworzenie dwuwymiarowej dokumentacji rysunkowej, ale nieumożliwiające (lub umożliwiające w bardzo ograniczonym zakresie) pracy w środowisku trójwymiarowym. Narzędzia te z uwagi na ich ograniczone możliwości mają stosunkowo niewielkie zastosowania, ale z uwagi na ich niewielką cenę, prostotę obsługi i niskie wymagania sprzętowe są powszechnie stosowane do tworzenia mało złożonych rysunków i schematów. Do grupy tych narzędzi możemy zaliczyć bardzo popularny system Autocad oraz wszystkie jego klony.
Oprogramowanie średniego poziomu
Oprogramowanie średniego poziomu wprowadza możliwość modelowania przestrzennego, co daje możliwość dalszego wykorzystania modelu 3D w procesie rozwoju produktu, na przykład w programach obliczeniowych. Systemy te z reguły nie posiadają rozbudowanych i zaawansowanych modułów CAM i CAE (mogą posiadać pewne funkcjonalności w uproszczonej formie), ale oferują łatwą integrację z tymi systemami dostarczanymi przez innych producentów. W efekcie, stosując systemy klasy mid-range zintegrowane z wyspecjalizowanymi modułami, możliwe jest zrealizowanie spójnego środowiska, które będzie obejmowało poza procesem projektowania także inne funkcjonalności, jak np. przygotowanie kodu na obrabiarki sterowane numerycznie lub prowadzenie różnych złożonych symulacji, np. symulację wtrysku tworzywa do formy. Systemy te często posiadają dosyć rozbudowane możliwości automatyzacji działań rutynowych oraz otwarte interfejsy programistyczne, które umożliwiają programowe rozbudowywanie ich funkcjonalności. Do kategorii systemów mid-range możemy zaliczyć systemy takie jak Inventor, SOLIDWORKS lub SolidEdge.
Oprogramowania wysokiego poziomu
W grupie oprogramowania wysokiego poziomu znajdują się systemy najbardziej zaawansowane i złożone, które wspomagają pracę inżyniera na wszystkich etapach procesu projektowo-konstrukcyjnego, począwszy od projektu wstępnego, poprzez opracowanie konstrukcji i obliczenia zaprojektowanych części i zespołów, aż po zarządzanie projektami i dokumentacją. Systemy tej klasy są natywnie zintegrowane z oprogramowaniem PDM/PLM, dzięki czemu zapewniają bezproblemową i wydajną pracę zespołową, jak również zapisywanie i współdzielenie danych, które są w nich tworzone. Oprócz tego systemy high-end posiadają praktycznie nieograniczone możliwości automatyzacji, otwarte interfejsy programistyczne (najczęściej w wielu językach programowania), jak również zarządzania standardami oraz wiedzą. Dzięki temu organizacje często decydują się w oparciu o systemy high-end na tworzenie wysoko wyspecjalizowanych platform projektowych, które automatyzują złożone działania projektowe i są podstawą do budowy np. konfiguratorów produktowych lub systemów opartych na wiedzy (ang. Knowledge Based Engineering, KBE), w których implementowana jest wiedza techniczna organizacji. Z uwagi na złożoność systemów high-end praktycznie nie zdarza się, żeby wszystkie ich funkcjonalności mogły być wykorzystane na jednym stanowisku pracy lub nawet w jednym dziale firmy. Dlatego też najczęściej są oferowane jako wyspecjalizowane moduły, które dzięki możliwości pracy w sieci mogą współistnieć w jednym zintegrowanym środowisku lub dzięki zastosowaniu specjalnego modelu licencjonowania pewne funkcjonalności mogą być przez użytkowników współdzielone. Warto również dodać, że systemy CAx klasy high-end zintegrowane z systemami PLM stanowią jeden z głównych filarów koncepcji Przemysłu 4.0. Do systemów tej klasy jest zaliczane oprogramowanie Creo Parametric, CATIA, bądź też NX.
Należy mieć świadomość, że podana klasyfikacja ma charakter orientacyjny. Dynamiczny rozwój programów CAD sprawia, że ich możliwości są stale zwiększane i często zdarza się, że systemy low-end wraz z nową wersją zyskują bogatsze możliwości modelowania 3D, a systemy mid-range zostają rozbudowywane o funkcjonalności związane z zarządzaniem dokumentacją konstrukcyjną lub zostają wyposażane w zupełnie nowe moduły, przez co mniej ustępują systemom high-end.
Wykorzystanie systemów CAD w procesie projektowania w przedsiębiorstwach produkcyjnych
W erze transformacji cyfrowej i szybko rozwijającej się technologii informacyjnych, narzędzia i systemy cyfrowe stosowane są we wszystkich gałęziach przemysłu wspomagając niemalże wszystkie zadania realizowane w cyklu życia produktu. Co więcej, zastosowanie narzędzi cyfrowych w projektach wdrożeniowych i produkcyjnych stale rośnie, a obecnie według różnych źródeł w dominującej większości realizowanych projektów stosowane jest wsparcie w postaci narzędzi do projektowania i symulacji.
Rosnące wymagania w zakresie zarządzania danymi CAD w firmach a rola systemu PLM
Stale również rośnie rola systemów CAD, które doskonale wpisują się we wszystkie idee cyfrowej transformacji. Z uwagi na coraz większą potrzebę i korzyści z użycia modeli wirtualnych, jak również stale rosnącą wirtualizację procesów i integrację systemów, wiele organizacji, aby stawić czoła globalnej konkurencji i coraz to nowym wyzwaniom przemysłu wytwórczego, decyduje się przyjmować koncepcję wirtualnego wytwarzania. W tradycyjnym, stosowanym powszechnie podejściu, systemy CAD stosowane były do tworzenia modeli 3D i na ich podstawie dokumentacji rysunkowej, która była podstawowym nośnikiem informacji o konstrukcji i technologii produktu. Dokumentacja rysunkowa przechowywana była w archiwum na dyskach współdzielonych, w systemie klasy ECM (ang. Enterprise Content Management) lub prostych systemach PDM. Takie podejście, mimo iż nadal jest powszechnie stosowane, generuje wiele problemów związanych z efektywnym zarządzaniem dokumentacją konstrukcyjną, zarządzaniem zmianą, jak również efektywnym wykorzystaniem danych 3D. Bardzo utrudniona jest również integracja systemów stosowanych w działach konstrukcyjnych z innymi systemami, co prowadzi do bardzo niekorzystnego zjawiska powstawania silosów (ang. silo effect). W efekcie, z niezwykle cennych danych o produkcie nie może korzystać cała organizacja. W związku z tym, organizacje stopniowo odchodzą od takiego sposobu pracy na rzecz zintegrowanego podejścia, w którym to modele 3D opisane szeregiem atrybutów i parametrów są podstawowym źródłem danych o produkcie. Inżynierowie realizują wszystkie prace w systemach CAD, które są zintegrowane z systemami PLM, a więc od razu w kontekście cyklu życia. Wszystkie dane konstrukcyjne od początku są wiązane z kontekstem produktu i są dostępne dla wszystkich członków zespołu projektowego.
Czym jest multi-CAD
Wiele organizacji, szczególnie w branży motoryzacyjnej i lotniczej, do projektowania i rozwoju swoich zaawansowanych produktów, od bardzo dawna stosuje systemy CAD różnych firm lub też systemy różnej klasy, jak np. systemy do projektowania mechanicznego (ang. mechanical CAD, MCAD) oraz elektrycznego (ang. electrical CAD, ECAD). W związku z tym, firmy te stają przed trudnym wyzwaniem zarządzania danymi CAD, które są ze sobą niekompatybilne. W trakcie procesu rozwoju produktu generowane są ogromne ilości danych, a w celu maksymalnego skrócenia czasu wdrożenia i wprowadzenia nowego produktu na rynek, konieczna jest ciągła współpraca pomiędzy członkami zespołu wdrożeniowego i współdzielenie danych, a więc konieczna jest realizacja spójnego środowiska współpracy, bez względu na typ danych. Firmy te stają więc przed wyzwaniem zarządzania i kontroli nad danymi, jak również dostarczania zawsze aktualnych i precyzyjnych danych osobom, które ich w danym momencie potrzebują.
Różnica pomiędzy PDM i PLM
Jeśli rozważamy zagadnienie zarządzania danymi CAD lub też szerzej na to patrząc – danymi produktowymi, oraz zarządzania cyklem życia produktu, koniecznie należy przybliżyć główne idee związane z systemami klasy PDM i PLM. Skróty te często są ze sobą mylone i używane zamiennie, mimo iż ich znaczenie znacząco się od siebie różni. Dzieje się tak, gdyż wyraźna granica pomiędzy nimi nie jest jasno określona, a co więcej – zdarza się, że obydwa typy systemów są używane w podobny sposób. Niemniej jednak, systemy PLM koncentrują się na całym cyklu życia produktu i obejmują dużo większy zakres danych, natomiast systemy PDM najczęściej są stosowane do zarządzania danymi, które są tworzone w trakcie procesu projektowania i konstruowania, czyli przede wszystkim modelami 3D i powiązanymi z nimi rysunkami. Patrząc na to z historycznego punktu widzenia, systemy do zarządzania danymi produktowymi są następstwem szerokiego stosowania systemów CAx, a więc zrodziły się z potrzeby ustrukturyzowanego gromadzenia, współdzielenia i ponownego użycia ogromnej ilości cennych danych, które były generowane w trakcie procesu projektowego. Natomiast oprogramowanie do zarządzania cyklem życia produktu (PLM) jest kolejnym etapem tego rozwoju i naturalnym następstwem PDM. Podczas gdy systemy PDM doskonale radzą sobie ze śledzeniem cyklu życia dokumentacji konstrukcyjnej i powiązanych z nią dokumentów oraz procesów, nie sposób z ich poziomu nadzorować całego cyklu życia produktu. Tak więc w przypadku braku informacji na temat aktualnego stanu cyklu życia produktu z innych systemów, dane zapisane w bazie danych PDM mogą szybko przestać być aktualne.
PLM i PDM a zarządzanie danymi CAD w środowisku przemysłowym
PDM jest więc częścią większej architektury, która oprócz zarządzania danymi konstrukcyjnymi obejmuje całe spektrum systemów, które służą do zarządzania wymaganiami i projektami, zarządzania portfolio produktów czy też zarządzania procesami produkcyjnymi. Wszystkie te aplikacje ujęte razem i zintegrowane w postaci jednego spójnego środowiska określamy mianem PLM. Co więcej, w odróżnieniu od zakresu PDM, systemy PLM obejmują również te etapy cyklu życia produktu, które rozpoczynają się po opuszczeniu fabryki, a więc np. serwis, wycofanie z użycia, czy też aspekty związane z wpływem produktu na środowisko. Oprócz tego, PLM może obejmować zakres, który wykracza poza samą organizację, bo na przykład umożliwia zarządzanie danymi powiązanymi z dostawcami lub kontrahentami. Można więc podsumować, że system PDM jest częścią PLM i podczas gdy ten pierwszy wspomaga tylko prace związane z opracowywaniem produktu (najczęściej tylko etap tworzenia dokumentacji projektowo – konstrukcyjnej), PLM kompleksowo wspomaga wszystkie działania związane z zarządzaniem cyklem życia produktu od momentu powstania pomysłu na produkt, do momentu wycofania produktu z użycia (ang. from dawn to dusk).
Windchill – System PLM
System Windchill, dostarczany przez firmę PTC, jest wiodącym systemem klasy PLM. Jego architektura jest całkowicie oparta na rozwiązaniach sieciowych, co oznacza, że w pełni wspiera filozofię „projektuj gdziekolwiek, wytwarzaj gdziekolwiek” (ang. design anywhere – manufacture anywhere, DAMA). Dzięki temu zapewnia możliwość efektywnej współpracy zespołom rozlokowanym na całym świecie, dając możliwość obsługi wszystkich istotnych obszarów związanych z kompleksowym zarządzaniem cyklem życia produktu z dowolnej lokalizacji. Od zarządzania danymi produktowymi, poprzez zarządzanie listami materiałowymi (ang. Bill of Materials, BOM), zarządzanie zmianą (ang. Change Management) oraz opcjami i wariantami (ang. Configuration Management). Windchill wspiera również obszary związane z zarządzaniem planowaniem procesu produkcyjnego, opracowywaniem instrukcji produkcyjnych, jak również zarządzanie jakością, umożliwiając stałe usprawnianie jakości produktu, a także zmniejszanie przestojów produkcyjnych.
Moduł PDMLink jako trzon systemu PLM – PTC Windchill
Sercem wszystkich komponentów z rodziny PLM firmy PTC jest Windchill PDMLink. Moduł ten umożliwia kompleksowe zarządzanie kompletnym wykazem części, a więc pełną strukturą złożonego produktu, obejmującą dane mechaniczne, elektryczne, czy też oprogramowanie. Co jest bardzo istotne, Windchill PDMLink wspiera bardzo elastyczne podejście do obiektów listy materiałowej, umożliwiając odseparowanie danych CAD, od obiektów, które nie posiadają swojej reprezentacji graficznej, jak np. klej, zszywki, naklejki itd., dając możliwość ujęcia ich w wykazie bez wykonywania dodatkowych zabiegów.
Windchill posiada także bogate możliwości w obszarze tworzenia w pełni dostosowanych do potrzeb przepływów pracy (ang. workflow), jak również umożliwia praktycznie nieograniczoną ich automatyzację. W połączeniu z rozbudowanymi funkcjonalnościami zarządzania rolami biznesowymi oraz zespołami projektowymi, wprowadza to niezwykłe możliwości mapowania nawet najbardziej złożonych procesów, precyzyjnego określania odpowiedzialności i uprawnień, a w efekcie osiągania wysokiej ich optymalizacji i sprawności.
Co jest bardzo istotne, otwarta architektura Windchilla umożliwia łatwą integrację z istniejącymi systemami, a wysoko konfigurowalna i modułowa budowa sprawia, że jest to narzędzie, które doskonale sprawdza się zarówno w dużych korporacjach, jak i małych firmach.
Rozwiązania PTC w zakresie zarządzania danymi multi-CAD w środowisku PLM
Jedną z najistotniejszych możliwości, jakie zapewnia ekosystem firmy PTC jest spójna integracja wielu systemów CAD w jedno zintegrowane środowisko PLM (ang. multi-CAD) bez konieczności wyrzeczeń i negatywnych skutków dla użytkowników czy też spadku wydajności pracy. Windchill oferuje zaawansowany moduł integracyjny Workgroup Manager, po zainstalowaniu którego zyskujemy możliwość zarejestrowania w systemie PLM wielu różnych systemów CAD, takich jak np. CATIA, NX, SOLIDWORKS, czy też Autocad. Workgroup Manager zapewnia płynną integrację nowego systemu CAD, dodając do interfejsu użytkownika nowe polecenia umożliwiające użytkownikowi pracę w środowisku PLM. W efekcie użytkownik ma możliwość pracy w systemie PLM bez konieczności opuszczania systemu CAD mając poczucie natywnej integracji. Dzięki integracji multi-CAD możliwe jest pełne zarządzanie danymi CAD, bez względu na to, w jakim systemie zostały one wytworzone. Możemy więc korzystać z obszarów roboczych (ang. workspace) systemu PLM, w których prowadzone są działania rozwojowe oraz realizować współbieżny sposób pracy (ang. concurrent engineering) w zespołach rozproszonych, budować kompletne listy materiałowe, w których będą znajdowały się obiekty z wielu systemów. Dzięki temu zyskujemy elastyczność i możemy w pełni skupić się na udoskonalaniu projektu naszego produktu, bez konieczności koncentrowania się na kwestiach związanych z narzędziami informatycznymi.
Podsumowanie
Nie sposób wyczerpać zagadnienia związanego z zarządzaniem danymi MCAD w środowisku PLM w jednym artykule. Wyzwań i aspektów jest o wiele więcej, zwłaszcza kiedy zaczniemy je analizować w kontekście określonego przedsiębiorstwa. Istnieje wiele różnych systemów CAD, których przedsiębiorstwa używają zamiennie lub komplementarnie. Każdy system ma swoje mocne i słabe strony, dlatego w wielu przypadkach, aby realizować swoje cele biznesowe, organizacje są zmuszone do korzystania z różnych rozwiązań. Jednak w każdym przypadku niezwykle ważna jest możliwość efektywnego zarządzania takimi heterogenicznymi środowiskami, zapewniając przy tym wysoką wydajność wszystkim użytkownikom. Zaawansowane systemy klasy PLM, których doskonałym przykładem jest PTC Windchill, umożliwiają efektywne zarządzanie danymi utworzonymi w wielu systemach CAD w jednym spójnym środowisku. Umożliwia to organizacjom pełne wykorzystanie możliwości systemu PLM, dzięki czemu są w stanie pracować z dużą większą efektywnością i są w dużo większym stopniu pewne swojej przyszłości.
Wdrożenie systemu PLM i zintegrowanie go z już istniejącymi w firmie systemami jest złożonym zadaniem, ale finalny efekt jest wart inwestowania czasu i środków finansowych. Co więcej, istnieją organizacje, które mogą kompleksowo pomóc Ci w tym wyzwaniu. Jeśli poszukujesz partnera biznesowego, który świadczy usługi wdrażania systemu PLM i unifikacji go ze środowiskiem multi-CAD lub jeśli zmagasz się z problemem związanym z integracją aplikacji CAD z obecnymi systemami PDM lub PLM – napisz do nas!
[1][2] Duda J. [2016], Zarządzanie rozwojem wyrobów w ujęciu systemowym, Politechnika Krakowska, Kraków.