Цифровое моделирование и изготовление

Пять шагов для получения цифровых моделей и быстрого прототипирования

Получение цифровой модели и быстрое прототипирование могут быть реализованы в пять шагов:

Интеграция и сбор данных. Используется оборудование для снятия физических характеристик продукта, такое как сканеры, координатные измерительные приборы и инструменты, которые могут быть интегрированы с различными датчиками.
Передача собранных данных. Пока продукт подвергается той или иной операции на сборочной линии, полученные данные должны быть переданы на уровень промежуточного слоя системы.
Программная реструктуризация данных. На данном этапе автоматизированное программное обеспечение механического проектирования обрабатывает и структурирует данные, создавая цифровую копию продукта по факту того, как он был физически выполнен.
Сохранение копий для последующего использования. Цифровые копии продуктов хранятся в автоматизированной системе управления производственными процессами для последующего использования и обновления для сертификации или в случае, если этого требуют изменения в нормативных стандартах и спецификации.
Системы автоматизированного проектирования и 3D-печать — помощь в решении текущих проблем. Для операций, связанных с техническим обслуживанием, текущим и капитальным ремонтом, производственная среда, ориентированная на сетевые технологии, может использовать компьютеризированные системы автоматизированного проектирования (САПР) для мелкосерийного и единичного изготовления тех или иных требуемых деталей.

Описанные шаги могут быть применены для быстрой имплементации технических изменений как непосредственно в местах эксплуатации, так и на складе подразделения технического обслуживания. В частности, технология трехмерной печати уже давно распространена среди ведущих производителей оборудования аэрокосмической и других отраслей. Это помогает компаниям не только упростить процесс разработки и создания продуктов, но и обеспечить техническую поддержку оборудования на уровне мировых стандартов, а также устранить необходимость накопления складских запасов инструментов и запасных частей.

Перспективы

Технология создания цифрового двойника такой сложной технической системы как газотурбинный двигатель является наукоемкой и методологически сложной задачей. Ведущие международные двигателестроители активно работают в этом направлении, применяя все доступные современные решения. Наши ключевые конкуренты реализуют методологии его создания, и уже начинают их успешное применение. Необходимость и неизбежность внедрения технологии цифрового двойника определена во всех передовых двигателестроительных корпорациях.

Очевидно, для создания и внедрения технологии цифрового двойника необходимого уровня не обойтись без использования существующего мирового опыта, кооперации с ведущими отраслевыми институтами и научными организациями, сотрудничества и обмена знаниями между конструкторскими бюро и включения в работу научно-технических и инженерных центров. Главная задача при этом – сохранить и аккумулировать существующий уровень знаний и опыта, а также постоянно искать новые пути развития и совершенствования технологий численного моделирования.

К настоящему моменту АО «ОДК» определило для себя несколько стратегических партнерств по созданию и развитию цифровых двойников ГТД. Это институты РАН, вузы, отраслевые НИИ и инженерные центры-субъекты МСБ. Все они составляют внешний контур инновационной экосистемы ОДК по цифровым двойникам. Заключены соглашения и утверждены дорожные карты и программы сотрудничества с Институтом прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого, ЦИАМ им. П.И. Баранова, Саровским инженерным центром. Стартовали первые пилотные проекты ОДК по созданию цифровых двойников ГТД по двигателю АЛ-41Ф1С, а также двигателю ТВ7-117СТ-01.

Уже в ближайшем будущем АО «ОДК» ожидает получить результаты этой деятельности и применить их в практику управления жизненным циклом ГТД в корпорации, тем самым заложив прочный фундамент для развития и обеспечения конкурентоспособности в новой цифровой эпохе.

О курсе

Курс посвящён основам технического творчества. В этом курсе слушателю будет дана базовая информация, необходимая для реализации любого технического проекта. Будут рассказаны основы черчения, как традиционного, так и автоматизированного. Слушатели научатся проектировать детали для последующего их материального воплощения.

Курс соответствует требованиям ФГОС, учебным планам и программе «Современные цифровые технологии. Разработка трёхмерных деталей, утвержденной ЦТПО Киберсфера. Курс направлен на развитие навыков технического творчества с применением современных цифровых технологий.

Как снизить производственные издержки предприятия?

Снизить издержки предприятия за счет использования цифрового двойника можно посредством трех шагов.

1. Внедрение имитационного моделирования

На этом шаге на основе имитационной модели создается цифровой двойник — инженерный инструмент по проведению виртуальных экспериментов над цифровым прототипом технологических и/или логистических процессов.

Цель этого этапа — получить ответ на вопрос «а что если?». Его можно сравнить с виртуальными испытаниями изделия перед выпускного его первого физического прототипа.

Моделирование позволяет в автоматизированном режиме проводить серии из десятков или сотен экспериментов за короткий промежуток времени, накапливать и анализировать данные по результатам симуляции и как итог — внедрять на реальное, физическое производство только проверенные управленческие решения.

2. Реализация бережливого производства

На основе имитационного моделирования можно сделать производство более бережливым. В стандартном случае бережливое производство предполагает сокращение расходов на основных и вспомогательных процессах, а также уменьшение количества отходов и как результат — экономия средств.

При переходе на этот этап после внедрения имитационного моделирования не только повышается прибыльность производства, но и идет его постоянное совершенствование как с точки зрения технологических процессов, так и с точки зрения качества продукции.

Применение подобной системы также позволяет значительно сократить объем незавершенного производства не просто за счет инвестиций в более совершенное оборудование или автоматизацию, а за счет поиска и расшивки «узких мест» на предприятии и оптимизации материалопотоков.

Отличительная особенность имитационного моделирования по сравнению с классическими системами/методологиями по принятию решений (например, применение отраслевых коэффициентов в Excel) — возможность учесть возникновение случайных факторов.

Таким образом можно заранее, на этапе принятия решения, а не постфактум, спрогнозировать вероятность брака, сбоев режимов поставок продукции, возможность выхода оборудования из строя. Иными словами, предприятие не преодолевает сложности по мере возникновения, а их избегает.

3. Виртуальный ввод в эксплуатацию

Третий шаг, позволяющий снизить издержки — виртуальный ввод в эксплуатацию. Виртуальный ввод в эксплуатацию позволяет сократить период простоя оборудования и ускорить вывод продукта на рынок за счет программирования и отладки управляющей программы линии не на реальном оборудовании, а на физических прототипах, цифровом двойнике.

Например, если на предприятии меняется номенклатура выпускаемой продукции, то при отсутствии цифрового двойника необходимо остановить производственную линию, переписать логику управления, изменить управляющие программы для контроллеров, все проверить, отладить и только после этого запустить производственный процесс.

Все это время оборудование простаивает и не производит продукцию, то есть предприятие теряет в выручке. Цифровой двойник позволяет избежать этих простоев, а значит — и производственных издержек.

Имитационное моделирование — инженерный инструмент с одной стороны и «цифровой» помощникк для принятия управленческих решений — с другой. Подобные технологии помогают делать производство эффективнее как с точки зрения получения прибыли, так и повышения качества продукции.

Подход, основанный на данных

После стадии прототипирования производство сталкивается с проблемами, характерными для запуска продукта в серию

На данном этапе важно сохранить дизайн и функциональность исходного изделия. В настоящее время это требует дорогостоящих испытаний, подтверждающих заданный уровень качества физического продукта, причем часто такие проверки бывают неоднозначными, а их результаты могут вызывать обоснованное сомнение

Для решения этой задачи нужен подход, основанный на технических данных. Другими словами, данные о продукте будут собираться по мере его изготовления в ходе разработанного для него производственного процесса, причем одновременно с созданием виртуальной модели, отражающей сам физический продукт (рисунок).

Рисунок. Строительные блоки виртуального производства, используемые для его моделирования. Несмотря на то, что виртуальное производство начиналось как вариант проектирования и тестирования, оно превратилось в мощное средство поддержки производственных процессов и даже разработки конечного продукта. Цифровые модели собирают информацию о продукте для его быстрого прототипирования и в конечном счете для организации его серийного выпуска на предприятии

Это создает основу для внедрения системы управления техническими характеристиками продукта (Product Specification Management, PSM), которая может обеспечить качество как часть процесса управления жизненным циклом изделия.

Основные вопросы, связанные с внедрением цифровых двойников

Для успешного внедрения технологий цифровых двойников надо преодолеть ряд препятствий:

Во-первых, неразвитость системы передачи данных в системе CAD/CAM/CAE. Для ее решения необходимо создание единой цифровой платформы, объединяющей области проектирования, численных расчетов и испытаний, что позволит установить надежный контакт между различными подразделениями предприятий и корпорации в целом, сократить время проектирования и уменьшить количество ошибок при передаче данных.

Другой проблемой может стать ограниченная пропускная способность информационных систем. Если использование цифровых двойников предполагает оперирование огромными объемами структурированных и неструктурированных данных (Big Data), то для их успешной передачи и обработки необходимо создание магистралей передачи данных с высокой пропускной способностью, а также различных схем облачного хранения и передачи.

Ну и, конечно, на проведение настолько большого количества расчетов для наполнения цифровых моделей, составляющих цифровой двойник, необходимы большие вычислительные мощности. Это решается созданием вычислительных кластеров большой мощности, как на базе предприятий, корпораций, так и на базе ведущих институтов страны. Необходимо будет модифицировать существующие системы управления данными, более активно использовать промышленный интернет вещей (IIoT), и, безусловно, не забывать и про безопасность передачи данных.

Отдельно хотел бы выделить необходимость создания единых подходов и методик, планируемых к использованию в цифровых двойниках. В современном мире создать газотурбинный двигатель без кооперации невозможно, а это повышает риск возникновения конфликтов в подходах к созданию конструкции и дальнейшей ее увязке.

Знания и навыки

Профессия 3D-моделлера — одновременно техническая и творческая, и для успешной работы нужно развивать и то, и другое. Я бы рекомендовал вот что:

Рисование и лепка

3D-модель из реального мира должна полностью соответствовать действительности. Для этого надо уметь рисовать и лепить. Идеи художников тоже иногда нужно дорабатывать,поэтому умение рисовать пригодится. Начинающим 3D-моделлерам я рекомендую рисовать, лепить, развивать глазомер и фантазию.

Знание анатомии

Моделлерам, которые занимаются созданием персонажей, нужно знать анатомию

Неважно, воссоздаете вы модель реального человека или выдуманного персонажа — надо правильно передать внешний вид и пропорции. Этим навыкам обучают в художественных школах и вузах. Инженерное мышление и знание техники

Инженерное мышление и знание техники

Особенно важно для моделлеров, которые работают в сфере промышленного дизайна. Для кино и игр тоже создают 3D-модели техники, и надо знать, как она работает. Креативность и аналитическое мышление

Креативность и аналитическое мышление

Моделлеру нужно анализировать информацию, которую он получает от художников и специалистов по сканированию. Ему приходится дорабатывать концепты художников, то есть решать творческие задачи.

Знание программ

Моделлеры работают в специальных программах, которые позволяют воссоздать объект максимально точно: с соблюдением объёмов, размеров, пропорций.Например, я использую Maya, ZBrush, UVLayout, Houdini, SpeedTree, Mudbox.

Цифровое моделирование 3D деталей

Авторы и лекторы курса

Александр Сергеевич Картышов

Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики

Николай Артурович Марданов

Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики

Михаил Петрович Шарапов

О курсе

Структура курса

1. Начала проектирования и компьютерного черчения

2. Основы конструирования и черчения

3. Основы трёхмерного моделирования

4. Самовоспроизводящиеся 3D-принтеры

Цель изучения курса

1. Изучение основ машиностроительного черчения

2. Изучение основных принципов применения компьтерных технологий для разработки чертежей и трёхмерного моделирования деталей машиностроения

3. Получение практических навыков использования программных средств компьютерного проектирования изделий машиностроительного профиля

4. Получение навыков натурного трёхмерного моделирования деталей с использованием персонального 3D-принтера промышленного уровня с использованием термопластика

5. Получение навыков натурного трёхмерного моделирования деталей с использованием специализированного фрезерного станка с программным управлением

6. Развитие способностей к техническому творчеству

7. Обучение специфике CAD-дизайна для дальнейшей 3D-печати и введение в азы сборки 3D-принтера из подручных материалов и донорского 3D-принтера.

Необходимый уровень подготовки

Навыки пользователя ПК, работающего под управлением операционной системы Windows 7/8. Знание раздела Механика школьного курса физики. Знание основ планиметрии и стереометрии. Творческая фантазия.

Результаты изучения курса

1. Знать последовательность разработки трёхмерной детали от творческого замысла до электронной и натурной модели

2. Знать возможности и особенности применения современных цифровых технологий для изготовления макетов трехмерных деталей

3. Уметь разрабатывать двумерные чертежи и трёхмерные электронные модели трёхмерных деталей с использованием средства автоматизированного проектирования AutoCAD с учетом технологических возможностей трёхмерного принтера

4. Выполнение комплексного проекта — разработка и изготовление 3D-принтера

5. Получение обучающимися практических знаний по работе с 3D-печатью и оборудованием для 3D-печати

А стоит ли оно того?

Согласно данным Statista, глобальный рынок дополненной реальности (AR), виртуальной реальности (VR) и смешанной реальности (MR) достигнет 30,7 млрд. долларов в 2021 году, а к 2024 году приблизится к 300 млрд. долларов. То есть за 4 года вырастет в 10 раз, что однозначно приведёт к увеличению востребованности специалистов по 3D-моделированию.

Проектирование виртуальных миров — реальная задача ближайшего будущего. Кроме того, 3D-моделлеры будут стабильно востребованы в промышленности, а количество сфер применения специальности только растёт. Поэтому, если вы в детстве мечтали создавать космические корабли, то вы к этому близки.

Если вернуться на Землю, то уже сейчас на HeadHunter по запросу «3D-моделирование» открыто 643 вакансии. В среднем зарплаты стартуют от 70 тысяч рублей и достигают 300 тысяч рублей, например, для должностей Lead 3D Artist и Motion Designer 2D/3D. Специалисты требуются в самых разных сферах и под самые разные задачи: от создания игровых персонажей и моделей ювелирных изделий в ZBRUSH, проектирования мебели в AutoCAD до моделирования результатов лечения в стоматологии, как дополнения к основной специальности врача.

Поэтому не редкость, что понимая потенциал отрасли, программисты перепрофилируются в 3D-моделлеров. Так что, если вы ощущаете тягу к работе с визуалом, то однозначно стоит попробовать себя в этой сфере.

Результаты изучения курса

4. Выполнение комплексного проекта — разработка и изготовление 3D-принтера

5. Получение обучающимися практических знаний по работе с 3D-печатью и оборудованием для 3D-печати

Цифровое производство — основные тенденции

На текущем уровне развития экономики уже невозможно отрицать ведущую роль цифровых технологий в развитии производственного сектора. Программные и программно-аппаратные решения помогают эффективно решать задачи на всех этапах жизненного цикла изделия начиная от его концептуальной проработки до его фактического ввода в эксплуатацию.

Применение цифровых систем позволяет создать неразрывную связь на всех этапах, а значит, учитывать накопленный опыт и делать изделие совершеннее с каждой итерацией.

Важно отметить, что текущие тенденции в производстве — не просто цифровизация, а скорее автоматизация цифровизации. Так, в качестве примера можно рассмотреть задачу по управлению технологическими процессами с применением систем АСУТП

Применение подобных систем позволяет как автоматизировать выполнение отдельных операцией и передачу управляющего воздействия на конкретные исполнительные механизмы, так и работать в более сложном контуре управления производственными линиями и системами.

Тенденции к автоматизации можно рассмотреть и на уровне технологической подготовки производств, и при разработке самих изделий. Например, при проектировании изделия могут активно применяться топологическая оптимизация, автоматизация проведения цифровых экспериментов над изделием или адаптивные системы по генерации управляющих программ для изготовления на оборудовании.

Однако задачи более высокого уровня — по управлению производством — еще не имеют достаточного уровня цифровизации и автоматизации. Их можно разделить на два блока.

Во-первых, это задачи, требующие оперативного решения, такие как оперативное планирование мощностей, необходимых для выполнения текущего заказа, поддержание эффективности работы производственных линий и оборудования.
И второй блок — это задачи тактического управления производством: например повышение эффективности и прибыльности производства, разработка и подтверждение проектов модернизации, составление дорожной карты предприятия.

Очевидно, что эти задачи решаются и сейчас, однако либо с низким уровнем вовлечения цифровых решений, либо с привлечением разрозненных информационных систем, показывающих себя эффективно лишь на конкретных примерах и не обеспечивающих комплексный подход по управлению производством.

Что нужно, чтобы начать

Главное — искренний интерес и вдохновлённость затеей. Самым первым шагом может быть даже скачивание приложения по 3D-моделированию на смартфон — просто чтобы понять, нравится ли вам создавать объемные фигурки на устройстве. На Android можно установить 3D Designer (рейтинг не очень, но что-то понять можно, сделав скидку на сыроватость), а на iOS пойдёт и более серьёзное САПР-приложение — Shapr: 3D modeling CAD.

Комментарий под видео, демонстрирующий правильный настрой и отсутствие возрастных преград

Знания и навыки

Для старта в полигональном моделировании не нужны никакие специфические знания, помимо умения пользоваться компьютером. Полезным, но не обязательным навыком для этапа скульптинга (способа моделирования, когда персонаж лепится как из глины) будет умение рисовать от руки. Для начала продуктивной работы в САПРах большим плюсом будет понимание топологии поверхностей, свойств материалов и технологии производства. Поэтому профильное образование и конструкторские навыки будут очень кстати.

Какой компьютер подойдет для 3D-моделирования

Выбор железа будет зависеть от сложности проектов, над которыми вы будете работать. Так высокополигональное моделирование и работа в САПРах потребует большей мощности компьютера.

Низко-, средне- и высокополигональная модели лица

Минимальные характеристики для 3D-моделирования без сильных тормозов с учётом требования большинства программ такие:

Full HD экран 1920х1080.
Процессор — 4 ядра от 3 GHz.
Оперативная память — 8 Гб (помните, 4х4 быстрее, чем 2х8 Гб).
Видеокарта — с поддержкой OpenGL 4.3 на 4 Гб памяти.
Свободное место на диске — 50 Гб (здесь с запасом, но желательно иметь как можно больше свободного места, ведь много памяти будут занимать плагины, наборы материалов, текстур и сами проекты).

Разумеется, чем больше, тем лучше. Вот пример топовой сборки, чтобы всё летало на любых проектах:

Процессор — AMD Ryzen 9 5950X. Он идеально подходит для 3D моделирования по количеству ядер (16) и потоков (32).
Оперативная память — 32 Гб (Patriot Viper Steel — 2х16 Гб).
Видеокарта — NVidia RTX 3080 Ti на 12 Гб.
Материнская плата — MSI MPG B550 GAMING CARBON WIFI.
Накопители — SSD Samsung 980 Pro 1 TB и HDD Seagate Backup Plus Hub
Блок питания — Deepcool DQ850.
Система охлаждения — MSI MAG CORELIQUID 360R.
Корпус — Cooler Master MasterBox MB511 RGB.

Но и стоимость такой сборки соответствующая — около 3700 долларов.

Конечно, можно позволить себе отличную сборку, на которой будет приятно работать с большинством проектов, за минимум в 2 раза меньшую сумму. Например, она может выглядеть так:

Процессор — AMD Ryzen 7 3700X.
Оперативная память — 32 Гб (Corsair Vengeance LPX — 2х16 Гб).
Видеокарта — GeForce RTX 2070.
Материнская плата — GIGABYTE X570 GAMING X.
Накопитель — SSD Samsung 970 PRO.
Блок питания — Corsair CX550.
Система охлаждения — AMD Wraith Prism.
Корпус — Phanteks Full Tower Case ATX.

Главное, если хотите сэкономить, то не берите готовые сборки. Высока вероятность переплатить или взять в таком комплекте староватую деталь. Лучше попросите помощи у понимающего в железе знакомого, обратитесь в специализированную контору за индивидуальной сборкой, а лучше — разберитесь сами. Детально о нюансах и подводных камнях выбора железа для 3D-моделирования рассказывает Digy Zem на своём Youtube-канале:

И да, на ноутбуке тоже можно моделировать, если он соответствует минимальным требованиям программ.

Какой графический планшет подойдёт для 3D-моделирования

Для обычного 3D-моделирования хватит мыши с клавиатурой. Но если вы планируете заниматься скульптингом, то нужно вложить бюджет и на покупку планшета. Начинающему 3D-моделлеру хватит и WACOM Intuos S стоимостью около 7000 рублей.

WACOM Intuos S

Карьера, зарплата, график

Карьера

Примерные ступеньки карьерной лестницы в кино, анимации, игровой индустрии или на телевидении:

стажер,
джуниор-моделлер,
моделлер (или мид-моделлер),
сеньор-моделлер,
лид-моделлер;
руководитель департамента.

Продвигаешься по карьерной лестнице — меняется круг обязанностей. Сейчас я работаю лид-моделлером и проверяю работу других моделлеров, занимаюсь техническими вопросами в департаменте, участвую в обсуждении сложных задач, составляю технические задания, помогаю менее опытным коллегам.

Заработок 3D-моделлера зависит от индустрии. Больше всего платят в игровой индустрии, на втором месте — анимация, на третьем — кино.

Зарплаты моделлеров в кино

Стажеру часто не платят ничего, два месяца работает бесплатно.

Джуниор-моделлер, успешно прошедший стажировку, получает от 35 до 50 тысяч.

Просто моделлер — от 50 до 75 тысяч.

Старший модделлер — до 100 тысяч.

Лид моделлер или глава департамента — больше 100 тысяч в зависимости от функционала и договорённостей.

График работы

В студии моделлер работает по обычному офисному графику — 8 часов, 5 дней в неделю. Но на работу можно приходить не к 9:00–10:00, а позже. У нас в студии, например, все должны быть на работе до 12:00. Сотрудник может договориться об индивидуальном графике, например, есть такие, кто любит работать вечером. Я работаю с 10:00 до 19:00.

Но когда нужно сдать срочный проект, порой приходится трудиться по 10–12 часов. Как правило, в студиях это время оплачивается. Но такие периоды не длятся долго.

3D-моделлер может работать из дома на удалёнке или на фрилансе, тогда он сам определяет свой график.