CAD/CAM/CAE
Ngày nay, trong thời buổi cạnh tranh khốc liệt mang tính toàn cầu, các nhà sản xuất luôn luôn tìm cách giới thiệu các sản phẩm mới với tính năng đa dạng, chất lượng cao, giá thành hạ và thời gian giao hàng ngắn. Để làm được điều này các nhà sản xuất phải cân nhắc kỹ từng giai đoạn trong quá trình sản xuất với những tính toán tối ưu.
Họ đã cố gắng sử dụng nhưng máy tính có bộ nhớ khổng lồ, tốc độ xử lý nhanh và có khả năng tương tác đồ họa thân thiện với con người trong nhiều giai đoạn của quá trình sản xuất. Với sự hỗ trợ của máy tính, nhiều phần công việc đã được hoàn thành một cách tự động hóa và chính xác, giúp giảm thời gian và chi phí trong phát triển sản phẩm và trong chế tạo. Thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Design- CAD), chế tạo có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Manufacturing- CAM) và phân tích, tính toán kỹ thuật có sự hỗ trợ của máy tính (Computer-Aided Engineering- CAE) là những công nghệ được sử dụng cho mục đích này trong suốt chu kỳ sản xuất sản phẩm. CAD và CAE được ứng dụng vào giai đoạn thiết kế sản phẩm còn CAM được ứng dụng vào giai đoạn chế tạo, bắt đầu từ việc lập quy trình chế tạo và kết thúc bằng các sản phẩm thực.
CAD
CAD là công nghệ liên quan đến việc sử dụng hệ thống máy tính để giúp đỡ việc tạo, sửa đổi, phân tích và tối ưu hóa thiết kế.
Theo đó, bất cứ chương trình máy tính nào có tính năng đồ họa và một chương trình ứng dụng với các chức năng kỹ thuật thuận tiện đều được phân loại như là phần mềm CAD. Nói cách khác, các công cụ CAD có nhiều cấp độ khác nhau tùy theo ứng dụng. Có thể chúng chỉ có những công cụ để vẽ hình học nhằm tạo ra hình dạng vật thể, hoặc có thêm các công cụ phân tích dung sai, tính toán một số đại lượng vật lý và mô hình hóa phần tử hữu hạn… Ở mức độ cao là các phần mềm CAD với các chương trình ứng dụng nâng cao cho phân tích và tối ưu hóa.
Vai trò cơ bản nhất của CAD là để xác định hình học của thiết kế như hình dáng hình học của các chi tiết cơ khí, các kết cấu kiến trúc, mạch điện tử, mặt bằng nhà cửa trong xây dựng… Các ứng dụng điển hình của CAD là tạo bản vẽ kỹ thuật với đầy đủ các thông tin kỹ thuật của sản phẩm và mô hình hình học 3D của sản phẩm. Hơn nữa, mô hình CAD này sẽ được dùng cho các ứng dụng CAE và CAM sau này. Đây là lợi ích lớn nhất của CAD vì có thể tiết kiệm thời gian một cách đáng kể và giảm được các sai số gây ra do phải xây dựng lại hình học của thiết kế mỗi khi cần đến nó.
Một quá trình CAD tiêu biểu được thực hiện theo các bước sau:
Các công cụ CAD cần có để hỗ trợ quá trình thiết kế tùy thuộc vào pha thiết kế:
Ngày nay CAD được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khác nhau. Có thể kể tên ra sau đây một số ngành như sau: cơ khí, xây dựng, kiến trúc, điện, điện tử, y học, dệt may, thiết kế sản phẩm, thiết kế công nghiệp, thiết kế nhạc cụ, thiết kế vườn tược, chiếu sáng…
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều phần mềm CAD với những cấp độ khác nhau. Có những phần mềm giá chỉ vài trăm đô la với tính năng hạn chế nhưng cũng có những gói phần mềm giá hàng chục ngàn đến hàng trăm ngàn đô la. Cũng có phần mềm CAD riêng lẻ và có những phần mềm CAD tích hợp tỏng phần mềm CAD/CAM. Ở Việt Nam, trong lĩnh vực cơ khí, các phần mềm CAD phổ biến hiện nay là AutoCAD, Mechanical Destop, Inventor, Solidworks, Catia, Pro/Engineer, Unigraphics, Solid Edge…
CAM
CAM là công nghệ liên quan với việc sử dụng hệ thống máy tính để lập kế hoạch, quản lý và điều khiển các quá trình chế tạo.
Một trong những lĩnh vực hoàn thiện nhất của CAM là điều khiển chương trình số (Numerical Control – NC). Đây là kỹ thuật sử dụng các chỉ dẫn đã được lập trình để điều khiển các máy công cụ như máy mài, máy tiện, máy phay, máy dập… Máy tính có thể sản sinh ra một lượng đáng kể các chỉ dẫn NC dựa trên các dữ liệu hình học từ cơ sở dữ liệu CAD cộng với những thông tin bổ sung được cung cấp bởi người vận hành.
Một chức năng quan trọng khác của CAM là lập trình robot. Các robot này có thể vận hành trong một tế bào gia công, chọn và định vị dao và chi tiết gia công cho các máy NC. Những robot này cũng có thể thực hiện các nhiệm vụ đơn lẻ như hàn, lắp ráp hoặc vận chuyển thiết bị hoặc chi tiết trong phân xưởng.
Lập quy trình chế tạo cũng là một mục đích của CAM. Quy trình chế tạo bao gồm các nguyên công chi tiết của các bước sản xuất từ ban đầu đến kết thúc, từ máy này đến máy khác trong phân xưởng.
Mặc dù việc lập quy trình chế tạo hoàn toàn tự động là điều gần như không thể nhưng quy trình công nghệ chế tạo cho một chi tiết có thể được tạo ra nếu tồn tại một quy trình chế tạo của một chi tiết tương tự. Cho mục đích này, công nghệ nhóm đã được phát triển để tổ chức các chi tiết tương tự nhau thành một họ. Các chi tiết được phân thành cùng một họ nếu chúng có những đối tượng gia công giống nhau như các rãnh, các túi rỗng, các mép vát, các lỗ,… Vì thế để dò tự động sự giống nhau giữa các chi tiết, cơ sở dữ liệu CAD phải chứa các thông tin về những đối tượng như thế. Nhiệm vụ này được thực hiện nhờ công nghệ nhận dạng đối tượng.
Thêm vào đó, máy tính có thể được sử dụng để xác định khi nào đặt hàng nguyên liệu và mua sắm chi tiết và số lượng hàng hóa cần phải đặt để đáp ứng kế hoạch sản xuất.
Các công cụ CAM cần có để hỗ trợ cho quá trình sản xuất tùy thuộc vào pha sản xuất, cụ thể như sau:
Trên thế giới hiện có rất nhiều phần mềm CAM đơn lẻ hoặc dạng tích hợp CAD/CAM. Giá thành của các gói phần mềm này cũng khác biệt nhiều tùy thuộc tính năng của chúng. Các phần mềm CAM, CAD/CAM phổ biến ở Việt Nam hiện nay là MasterCAM, DelCAM SolidCAM, Pro/Engineer, Catia, Unigraphics, Cimatron, VISI-Series,…
CAE
CAE là công nghệ liên quan đến việc sử dụng hệ thống máy tính để phân tích đối tượng hình học CAD, cho phép người thiết kế mô phỏng và nghiên cứu cách ứng xử của sản phẩm từ đó có thể tinh chỉnh và tối ưu hóa sản phẩm. Các công cụ CAE tương đối đa dạng, đáp ứng được cho nhiều nhu cầu phân tích sản phẩm. Ví dụ, các chương trình chuyển động học có thể được sử dụng để xác định các hành trình chuyển động và tốc độ các khâu trong cơ cấu máy. Các chương trình phân tích động học dịch chuyển lớn có thể được dùng để xác định các tải và các dịch chuyển trong một hệ thống lắp ráp phức tạp như trong ô tô...
Trong CAE người ta sử dụng 3 công cụ giải tích chính là phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM), phuơng pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method - FDM) và phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method- BEM).
Trong đó có lẽ phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng rộng rãi nhất.
CAE được áp dụng trong các lĩnh vực sau:
Một quá trình thiết kế tổng hợp với sự có mặt CAD và CAE cho một đối tượng sản phẩm cụ thể bao gồm các bước sau:
Thu thập và xử lý thông tin:
Thu thập các thông tin liên quan đến điều kiện thiết kế sản phẩm rồi xử lý, sàng lọc các thông tin, điều kiện ràng liên quan đến sản phẩm thiết kế để tìm ra hướng giải pháp và mục tiêu thiết kế.
Đưa ra ý tưởng thiết kế:
Đưa ra ý tưởng gần với cấu tạo của sản phẩm nhất. Thời điểm này người thiết kế chỉ cần vẽ khái quát ý tưởng trên giấy.
Chỉnh lý ý tưởng thiết kế:
Lập bảng phân tích và cho điểm về các yếu tố cấu thành sản phẩm thiết kế trong các ý tưởng thiết kế như tính năng, phẩm chất, giá thành, tính công nghệ trong kết cấu... Sau đó lọc ra ý tưởng nào điểm cao nhất thì xử lý trước, cái nào điểm ít hơn thì xử lý sau.
Từ đó có thể dự đoán tìm ra các khuyết điểm của sản phẩm dự định thiết kế.
Dùng CAD để thiết kế sản phẩm.
Phân tích, tính toán kỹ thuật với CAE với 3 pha như sau:
Sau đây một số phần mềm CAE chuyên dụng cho một số ứng dụng:
Đối với lãnh vực chế tạo khuôn mẫu, người ta thường sử dụng các phần mềm sau đây: 3DTIMON, PLANETS, Moldflow, SimpoeMold (cho khuôn nhựa); Pam-Stamp, JSTAMP-Works, Autoform (cho khuôn dập); MAGMASOFT, Procast, ConiferCast, JSCAST, ADSTEFAN, CAPCAST, Pam-Cast, AnyCAST ; (cho khuôn đúc), ArenaFlow (cho khuôn gỗ tạo hình khuôn cát); MSC.SuperForge, DEFORM, FORGE3 (cho khuôn rèn).
Trong các phần mềm kể trên thì có lẽ các cái tên như ANSYS, CATIA, MAGMASOFT, Moldflow, Procast tương đối khá quen thuộc với các kỹ sư Việt Nam.
Bình luận