Projektová výuka s využitím digitálních prototypů a CAM aplikací

Zajímavé spojení technologií a tématu. Tak lze nazvat projekt, který byl vytvořen Janem Málkem z VOŠ a SPŠ ve Žďáře nad Sázavou. Projekt je pěknou ukázkou komplexního nasazení produktové řady společnosti Autodesk Inventor HSM ve školství a ukazuje na velmi zajímavé možnosti splynutí tradičních postupů výuky s nejnovějšími technologiemi tvorby digitálních prototypů. Realizace náhonu modelu motorového vozu se navíc stala ukázkou mezioborového studentského projektu, který se dočkal své praktické realizace v prostředí školních dílen a výroby na CNC stroji.

Koncept projektu
Hlavním cílem projektu bylo vytvoření náhonu a šnekových převodovek pro model motorového vozu M286, který od 70. let brázdil naše železnice, v měřítku 1:87 a velikosti H0. Výrobcem skutečného vozu byla Tatra Kopřivnice, Vagonka Tatra Studénka a motoráček byl k vidění na našich železnicích po dlouhá léta. Z pohledu koncepce výukového projektu se jedná o minimalistický, mechanicky funkční model s náhonem náprav pomocí šnekových převodovek, který je realizován až po finální řešení s aplikací nejnovějších postupů a technologií 3D navrhování. Jedná se díky tomu o velmi pěknou ukázku, kam je možné na střední škole dotáhnout například závěrečné projekty a realizace v rámci dlouhodobějších vzdělávacích aktivit. Navíc zdařilé modelářské zpracování modelu si jistě zaslouží pár řádků naší pozornosti nad rámec školní výstavky projektů.

Studie 3D modelu motorového vozu M286 po přípravě v Autodesk Inventoru a Autodesk Showcase

Základem je digitální prototyp

Konstrukční řešení minimalistické šnekové převodovky v Autodesk Inventoru

Prvotní koncept mechanicky funkčního 3D modelu byl vystavěn nad polotovarem skříně vozu. Z tohoto důvodu bylo nutné ve výuce zpětně digitalizovat dostupnou skříň modelu vozu a tu následně rozpracovat pomocí funkčního navrhování do podoby digitálního prototypu. Honza pro tyto účely využil prostředků polygonálního zpracování mračna bodů. Pro zvýšení přesnosti modelu skříně byla následně aplikována metoda odvozených ploch a jejich částečné parametrizace. Ze zkušeností nelze jednoznačně říci, je-li tento postup v případě takto složitého modelu efektivnější, než vytvoření zcela nového, plně parametrického 3D modelu. Zpětná digitalizace modelu má řadu úskalí a obecně vzniklý výsledek je nutné dále rozsáhle modifikovat tradičními metodami modelování, nemluvě o velikosti finálního objemu dat. Navíc dostupnost potřebných technologií 3D digitalizace pro tyto potřeby je na našich školách také omezena. V našem případě bylo využito řešení společnosti GOM.

Velmi příjemnou funkčností Autodesk Inventoru pro přípravu dalších částí modelu je adaptivní modelování v sestavě. Model motorového vozu se ukázal jako typický příklad toho, kdy je vhodné nasadit tuto metodu. Adaptivní modelování v sestavě je postaveno na postupech a metodice tvorby nových součástí v rámci určitých omezujících podmínek, v našem případě rozměrů skříně. Zjednodušeně řečeno, umožňuje optimalizovat rozměry celé mechanické konstrukce podvozku vozu do jeho skříně. Základem jsou referenční rozměry skříně, které přímo jako hraniční geometrie definují a ovlivňují její následné rozměry. Tak bylo možné prakticky „nacpat“ do velmi malého prostoru podvozku vozu všechny potřebné součásti jeho pohonu. Současně bylo díky existenci digitálního prototypu možné optimalizovat polohu těžiště podvozku, který na první dotek překvapí svou vysokou hmotností.

Vizualizace a maketová studie
Digitální prototyp modelu vozu byl dále maketově upravován. Samozřejmě existuje celá řada aplikací využitelných pro tyto účely. Finálně byla zvolena pro techniky asi nejefektivnější cestu tvorby vizualizace v Autodesk Showcase. Aplikace poskytuje veškerý potřebný komfort práce s vizuálními styly, na druhou stranu nevyžaduje extrémně pracné nastavování prostředí scény, jak ho známe z tradičních nástrojů pro vizualizaci a animaci 3D modelů. Autodesk Showcase je velmi flexibilním nástrojem, který dává velmi rychle, kvalitní vizuální výstupy. Jedinou oblastí, kam bylo nutné zasáhnout v Autodesk Showcase byla modifikace materiálových knihoven s ohledem na maketový vzhled povrchu vozu. Pro demonstraci strategie projektu a jeho konceptů se ukazuje Autodesk Showcase jako výborný nástroj pro technickou prezentaci 3D prototypů. To ocenili návštěvníci dnů otevřených dveří a ukázek středoškolské odborné činnosti. Aplikace se ukazuje jako skvělý pomocník nejen pro odborníky, ale také pro laickou veřejnost. Projekt je zpracován na 3D vizuální úrovni skutečného výrobku, což je pro laika daleko přijatelnější než klasická 2D dokumentace.

Obrábění miniaturních dílů šnekové převodovky na CNC frézce

Vyrábíme s pomocí Autodesk Inventor HSM
Novinkou v dílně Autodesku je přímá podpora přípravy produkce na CNC strojích. Autodesk Inventor 2015 HSM je nahrazen v Autodesk Inventoru 2016 již pouze rozšiřující aplikací. Po počátečních rozpacích jsme nasadili na VOŠ a SPŠ ve Žďáře nad Sázavou do výuky CAM aplikací už verzi 2015. Lákadlem byla především přímá integrace CAM řešení s pro studenty známým prostředím Autodesk Inventoru a velmi příjemná dostupnost softwarové licence pro domácí použití. Právě nevhodné licencování produktů je často překážkou pro jejich systematičtější nasazení do výuky. Licence technického softwaru, která je pro studenty dostupná pouze na pár počítačích ve škole, není v současné době již žádné vítězství moderní odborné výuky. Model podvozku byl postupně připravován jak na strojním CNC vybavení školy, tak na technologiích blízkých více modelářské praxi. Autodesk Inventor HSM byl ve spolupráci s kolegou Jardou Příbramským rozšířen o příslušný postprocesor, který je optimalizován vůči řídícímu systému CNC frézky.

Minimalistický podvozek vyrobený pomocí tradičních a CNC technologií

Nespornou výhodou Inventoru HSM je jeho intuitivnost, která vychází z Autodesk Inventoru. Za další pozitivum pro přípravu mladých bych rád uvedl především asociativitu technologie obrábění s 3D modelem, která umožňuje poměrně rychle optimalizovat vyráběnou geometrii v případě nutnosti technologické optimalizace.

Digitální prototyp, skvělý nástroj pro odhalení chyb
Závěrem mi dovolte představit jednu z nejpracnějších částí modelu, kterou lze doslova nazvat hodinářskou. Představa šnekových převodovek z bloků montovaných pomocí šroubů M 1,2 mm je nejen fascinující, ale v praxi i velmi zajímavá. I v této oblasti se ukazuje přesná studie modelu na digitálním prototypu jako velmi efektivní řešení problému. Lze odhalit nejen zásadní kolize, ale také drobné chyby vycházející z aplikace nevhodného stažení hrany 0,2 × 45 stupňů.

Model vozu při prvních testech stability na modelovém kolejišti ve Žďáru nad Sázavou

Zpracované téma poukazuje na obrovský pokrok v možnostech našich technických škol v oblasti projektové výuky. Dostupnost odborného softwaru ve spojení se správnou strategií splynutí teoretických znalostí a praktických dovedností dává velmi často pěkné výsledky. Navíc projektová výuka mladých techniků se znalostmi nad rámec teorie by měla mít jistě v naší republice nejen pomyslnou zelenou na železnici.

Autor článku: Petr Fořt, Jan Málek
Článek vyšel vyšel na CAD.cz a v časopisu CAD.